细长体试件两点激励振动试验形式的选择与分析

赵怀耘，陈颖，农绍宁

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999）

细长体试件两点激励振动试验形式的选择与分析

赵怀耘，陈颖，农绍宁

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999）

目的明确细长体试件最合适的两点激励试验形式。方法针对某细长体试件的不同试验形式设计了不同的试验夹具，随后针对试件和夹具开展有限元模态分析，并进行两种形式的两点激励振动试验，研究细长体试件在两点激励振动试验中采用不同试验形式时的动力学响应差异。结果模态分析和试验结果表明，试件和夹具组合体在柔性悬挂方式下依然正确反应了试件本身的模态特性，而在夹具固定方式下模态特性却发生了明显改变。结论细长体试件的两点激励振动试验更适合采用柔性悬挂方式进行。

两点激励振动试验；夹具固定；柔性悬挂；细长体试件；模态特性

两点激励振动试验通过2台振动台激励试件，这种试验方法不仅可以提供更大的推力，而且可以使试件的振动载荷分布得更加均匀、合理、真实[1—3]，是力学环境试验技术的一个重大进步和发展趋势。对于那些飞机外挂等细长体结构，由于其长细比大、前后条件差异等特点也决定了两点激励的试验方法更适合其振动试验[4—6]。

两点激励振动试验与传统的单振动台振动试验不仅在试验原理、控制方式与控制算法上有很大不同，二者在试验夹具、试件的安装上也有很大差别。根据试件的安装固定方式或振动台激振力传递方式的不同，两点激励振动试验通常有两种方式：一种是将试件通过前、后夹具刚性固定到两台振动台上，振动台的激振力通过夹具传递到试件上的“夹具固定两点激励振动试验”；另一种则是GJB 150.16A程序Ⅳ[7]针对组合式飞机外挂采用的将试件柔性悬挂在实验室内，振动台的振动通过激励杆传递到试件上的“柔性悬挂两点激励振动试验”。在两点激励振动试验开展初期，大多数试验均采用了夹具固定方式[8—11]。随着GJB 150A的推广，柔性悬挂方式也逐渐在实际中开始应用。

针对具体试验应当采用何种试验形式是开展两点激励试验前首先应解决的问题。文中针对某模拟细长体试件，通过有限元模态分析并开展夹具固定和柔性悬挂两种形式的两点激励振动试验，对两种试验形式进行了分析和选择。

1 试件与夹具

1.1 模拟试件

模拟试件为一“日”字框架形细长体结构，前、后悬挂点间距为1560 mm。模拟试件基本形式如图1所示。

1.2 夹具固定两点激励振动试验夹具及安装状态

夹具固定两点激励振动试验是通过前、后两个框架式夹具将试件“刚性”固定到振动台上，前、后夹具分别与试件前、后悬挂点连接。安装状态如图2所示。

1.3 柔性悬挂两点激励振动试验夹具及安装状态

根据GJB 150.16A程序Ⅳ的要求，在柔性悬挂两点激励振动试验时，模拟试件悬挂在结构支撑架下部，结构支撑架弯曲振型的模态频率至少为试件一阶弯曲频率的2倍。结构支撑架再通过4根柔性挂索柔性悬挂在实验室内，柔性挂索刚度应使试件及结构支撑架的组合刚体模态频率在5～20 Hz之间。振动台的振动通过2根“柔性”激励杆传递到试件上。安装状态如图3所示。

图3 柔性悬挂两点激励振动试验安装状态Fig.3 Installation of the flexible suspension method for two-exciter vibration test

2 有限元模态计算及分析

振动试验的考核对象是试件，但试验夹具不可避免地会参与其中。试件和试验夹具相互作用，振动试验中试件表现出的动态特性实际上是试件和夹具组合体的动态特性（忽略振动台等因素）。因此，文中对模拟试件及其不同两点激励试验形式时的试件与夹具组合体分别开展了有限元模态分析。

2.1 模态计算结果

试件模态计算时试件悬挂点位置施加固定约束。计算结果表明，模拟试件的低阶弯曲模态主要包括一阶整体弯曲模态（如图4a所示，频率为36.4 Hz）及下框板弯曲模态（如图4b，c所示，频率分别为155 Hz和167 Hz）。这一计算结果与针对模拟试件进行的模态试验结果基本一致。

夹具固定方式的有限元计算时，在前、后夹具与振动台连接部位施加固定约束。计算得到的采用夹具固定方式时模拟试件与夹具组合体的低阶弯曲模态如图5所示，图5a，b，c所示振型分别对应图4a，b，c，频率分别为40，144，107 Hz。

柔性悬挂方式的有限元计算时，在前、后激励杆与振动台连接部位施加固定约束。计算得到的采用柔性悬挂方式时试件与夹具组合体的低阶弯曲模态如图6所示，图6a，b，c所示振型仍分别对应图4a，b，c，频率分别为38，157和171 Hz。

图4 模拟试验件低阶弯曲模态Fig.4 Simulated blending mode shapes of the specimen

图5 采用夹具固定方式时试件与夹具的低阶弯曲模态Fig.5 The blending mode shapes of the specimen and the fixture using the fixture fixing method

图6 采用柔性悬挂方式时试件与夹具的低阶弯曲模态Fig.6 The blending mode shapes of the specimen and the fixture using the flexible suspension method

2.2 结果分析

通过前面的模态分析结果对比可以看出，当采用夹具固定方式时，除整体弯曲模态（约40 Hz）外，试件夹具组合体另外两阶弯曲模态的频率、振型、受力分布等相比单独试件均发生了较为明显的改变。采用柔性悬挂方式时，试件夹具组合体的3个低阶弯曲模态均基本没有改变，仍然保持了模拟试件本身的模态特征。这是由于夹具固定两点激励振动试验的夹具不可能完全刚性，同时两点激励试验的特点也要求夹具能够在一定程度上能“适应”两个振动台运动的不同步。因此前、后夹具在设计时也不能过于刚性（本次夹具固定方式前、后夹具的一阶弯曲模态频率约为150 Hz）。又由于激振力是通过前、后夹具传递给试件，因此夹具和试件的相互作用明显，从而导致试件所表现出的模态相比试件固有模态发生了明显改变。采用柔性悬挂方式时，试件柔性悬挂在结构支撑架下，结构支撑架可以比较容易地实现其弯曲模态频率远大于试件弯曲频率的要求（本次柔性悬挂方式结构支撑架的一阶弯曲模态频率约为130 Hz），同时振动台激振力是通过前后两个柔性激励杆传递到试件，因此在试验过程中试验夹具对试件的影响较小，试件夹具组合体依然反应了试件本身的模态特性。

3 两点激励振动试验验证

3.1 试验条件

利用两台电动振动台和MIMO控制系统，先后开展了两种形式的两点激励振动试验。柔性悬挂两点激励振动试验时的控制点及测量点布局如图3所示（夹具固定两点激励振动试验传感器布置与此类似）。两种形式试验均采用两台激励单点控制方式，控制点（A01，A02）位于试件前、后悬挂点处。随机振动控制谱如图7所示，其中前控制点W0=0.008 g2/Hz，后控制点W0=0.01 g2/Hz，试验方向为垂向，试验时间为2 min。

图7 两点激励振动试验控制谱Fig.7 The power spectral density of random vibration in the two-exciter vibration test

3.2 试验结果与分析

通过对比两种形式两点激励振动试验的测量数据发现，两种形式的两点激励振动试验时的一阶共振频率均发生在约40 Hz左右，但随后几阶的谐振频率在两种试验中却产生了较为明显的差别。柔性悬挂两点激励振动试验时在148 Hz及175 Hz附近出现谐振，而夹具固定两点激励振动试验时则是在103 Hz及125 Hz附近出现谐振。A7号测量点在两种形式两点激励振动试验下的加速度响应谱（其余测量点测得的频响特性与此基本一致）如图8所示。对比试验结果和前面的模态计算结果可以看出，两种形式试验结果与模态计算结果基本一致，证明了前文有限元计算和分析的准确性；同时表明柔性悬挂两点激励振动试验比夹具固定方式更能正确反映试件本身的模态特性。

图8 A7测点加速度响应谱Fig.8 Acceleration response spectra of measuring point A7

振动试验的对象是试件，尽管在实际试验中夹具不可避免地会对试件产生作用，但这种影响应该尽可能降低，使试验真正反映试件本身的特性。因此由前面的模态分析及试验结果可以得到结论：对于该细长体试件的两点激励振动试验，更适合采用柔性悬挂方式进行。实际上对于所有开展两点激励振动试验的试件来说，由于夹具刚度限制以及激振力传递方式等原因，夹具固定两点激励振动试验都很难排除夹具对试件的影响，因此造成试验结果无法正确反映试件特性。柔性悬挂方式却相对更容易降低夹具影响，尽可能反映试件特性的要求。综上所述，细长体试件的两点激励振动试验更适合采用柔性悬挂方式进行。

4 结论

1）由于试验夹具的影响，试件在振动试验中表现出的动态特性实际上是试件夹具组合体的动态特性。在进行两点激励振动试验前，通过对试件及夹具按照不同试验形式开展有限元模态分析，可以选择合适的试验形式并指导试验夹具的修改，以使试验中夹具对试件的影响降到最小。

2）对于细长体试件的两点激励振动试验，柔性悬挂方式更有利于保持试件本身的模态特性。因此，柔性悬挂方式应成为细长体试件开展两点激励振动试验的首先选择。

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Selection and Comparative Analysis of Two-exciter Vibration Testing Types for Slender Specimen

ZHAO Huai-yun，CHEN Ying，NONG Shao-ning
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China）

ObjectiveTo clarify the favorite type of the two-exciter vibration test for a slender specimen.MethodsDifferent test fixtures were designed for different testing types of a selected slender specimen.Finite element method was used to analyze the modal characteristics of the specimen and the fixtures.Two types of two-exciter vibration test were carried out to verify the analysis and the different dynamic responses of the slender specimen in different two-exciter vibration tests were studied.ResultsModal analysis and test results showed that the combination of specimen and fixture in the mode of flexible suspension correctly reflected the specimen’s intrinsic modal characteristics,while the modal characteristics were notably changed in the mode of fixture fixation.ConclusionThe flexible suspension method was more suitable for the slender specimen in two-exciter vibration test.

two-exciter vibration test；fixture fixation；flexible suspension；slender specimen；modal characteristics

2014-08-31；

2014-12-23

2014-08-31；

2014-12-23

国防科工局技术基础科研项目（H112012A002）

Fund：Supported by the Technical Basis Project of State Administration of Science，Technology and Industry for National Defense（H112012A002）

赵怀耘（1974—），男，山东成武人，博士，高级工程师，主要从事振动环境试验及结构动力学研究工作。

Biography：ZHAO Huai-yun（1974—），Male，from Chengwu,Shandong，Ph.D.，Senior engineer，Research focus:vibration environment test and structural dynamics.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.002

TJ03

A

1672－9242（2015）02－0006-04