一种舵系统模态试验方法研究

李宁

摘 要： 导弹的模态参数是有限元模型修改、颤振特性分析及气动伺服弹性分析的依据，通过模态试验获得。本文对某项目导弹舵系统模態试验结果进行分析，发现锤击法、纯模态方法无法得到满足要求的模态指标，对模态试验方法进行改进研究，发现施加一定的预紧力能够有效提升模态参数品质，试验结果验证了方法的有效性。

关键词： 舵系统；模态试验；预紧力

1.序言

导弹的模态参数是有限元模型修改、颤振特性分析及气动伺服弹性分析的依据。导弹的模态试验是通过振动响应测试获得导弹结构的动特性参数，主要包括导弹固有频率、振型和阻尼[1]。常用的模态试验方法有锤击法、随机法、扫频法和纯模态法等。本文以某项目导弹舵系统模态试验为蓝本，对试验结果进行分析，发现锤击法、纯模态方法无法得到满足要求的模态指标，需要施加一定的预紧力，预紧力能够在一定程度上消除舵面—传动机构—舵机连杆的扭转传动间隙、舵轴与轴承之间的弯曲方向间隙，保持传动机构的接触面稳定，接触刚度保持稳定，从而得到有效的模态参数。

2.舵系统模态试验方法

导弹舵面模态试验时，常常采用锤击法、随机法、扫频法和纯模态法对单独舵面开展模态试验。

2.1锤击法

舵机处于未加电状态，把舵面固定安装到舵机舱体上，按照固定支撑要求把舵系统安装在地轨上，使舱体垂直于地面，达到舵系统模态试验安装要求。

采用力锤锤击舵面，通过加速度传感器测量舵面的响应信号，利用数据采集仪设备进行数据采集，利用软件分析处理，得到舵系统模态参数。进行模态参数确认，并判断试验过程及试验数据是否有效。

2.2随机法

舵机处于未加电状态，试验安装同锤击法模态试验方法，按要求安装激振器，布置传感器，检查各设备工作参数。

采用触发随机激励，激振舵面的激励点，利用设备进行数据采集。数据采集完毕后，利用软件分析处理，得到舵系统的模态参数，进行模态参数确认，并判断试验过程及试验数据是否有效；

2.3扫频法

舵机处于未加电状态，试验安装同锤击法模态试验方法，按要求安装激振器，布置传感器，检查各设备工作参数。

采用步进式正弦激励，激振舵面的激励点，利用设备进行数据采集。数据采集完毕后，利用软件分析处理，得到舵系统的模态参数，进行模态参数确认，并判断试验过程及试验数据是否有效。

2.4纯模态方法

纯模态方法以扫频法得到的频响函数作为传递函数，通过不断调节激振力大小和激振频率，找到舵面的前三阶纯模态。

采用定频正弦激振，通过调节激振力的大小和频率，使得MIF值达到0.8以上，测得舵系统的模态频率和振型，改变激振力的幅值，测得模态频率、结构振动幅值和激振力幅值的曲线。进行模态参数确认，并判断试验过程及试验数据是否有效。

2.5舵系统工作时模态试验方法

在舵机加电状态下，采集舵面多个测量点的响应信号，通过软件处理响应信号获得舵系统模态参数。舵机通电，测试设备对舵机施加零位电压，采用激振器对舵系统施加扫频激励，采集测量点响应数据。进行模态参数确认，并判断试验过程及试验数据是否有效。

3.试验分析与方法改进

以某项目导弹模态试验为例，某次舵系统模态试验得到了导弹舵系统的模态特性，在试验过程中存在以下问题：

3.1锤击法、纯模态方法无法得到满足要求的模态指标

原因分析：舵面-传动机构-舵机连杆的扭转传动间隙、舵轴与轴承之间的弯曲方向间隙较大，造成了舵系统进行锤击法、纯模态法及工作模态法时，采用锤击和激振器激振时，舵系统的运动机构在间隙和接触之间不断的变化，传动机构接触面无法有效接触，接触刚度不断的变化，测量得到的模态特性也因此不断变化，无法得到有效的模态特性。特别是纯模态试验，由于激振器激振力不断增大，激振会造成传动机构间的接触面分离，接触刚度瞬间降低，整个系统的模态特性发生瞬间变化，从而无法得到有效的模态频率。

因此，为了得到有效的模态数据，需在舵面模态试验时在内翼、外翼上施加预紧力，这两个预紧力能够一定程度上消除舵面—传动机构—舵机连杆的扭转传动间隙、舵轴与轴承之间的弯曲方向间隙，在一定程度上保持传动机构的接触面稳定，接触刚度保持稳定，从而得到有效的模态参数。随着预紧力的增大，纯模态试验数据判别指标越来越好（MIF值）。

3.2施加预紧力能有效提升模态试验数据品质

施加预紧力是为了减小舵系统传动间隙。舵系统由舵机—操纵机构—舵面组成，其中操纵机构由液压舵机活塞杆、连杆、带摇臂轴套、盖板、轴承、密封件等组成，同时舵面为折叠舵面内翼、外翼和折叠机构组成，舵系统要想达到控制舵面偏转的目的，舵系统的传动必然存在间隙。

由于此舵系统无整体预载，其间隙类型为中心型间隙。对于存在中心型间隙的运动机构进行模态试验时，只有通过施加预紧力的方法避开间隙区域，测量其刚度k0， 从而得到舵系统的刚度特性。而在实际试验时，随着预紧力的增大，传动机构之间的接触面增大，传动刚度会逐渐的增大，从而使得测量得到的模态频率逐渐增大。随着预紧力的逐渐增大，当接触面不在继续增加时，模态频率趋近于一个稳定值，即k0随着预紧力增大而不断增大，但会趋近于一个常量，这个常量为舵系统的理论刚度。

在进行舵系统模态试验，预紧力施加可以有效提升模态试验数据品质，同时预紧力的大小直接影响了舵系统的模态频率和模态振型，因此为了分析模态试验过程中，预紧力的大小对于模态试验结果的影响，本次试验中进行了四个预紧力状态的试验，分别为无预紧状态、内翼施加30N预紧力状态、内外翼施加50N预紧状态和内外翼施加100N预紧力状态。通过试验状态的对比可以发现，随着预紧力不断的增大，试验试验数据的品质逐渐变好，同时舵系统的一、二阶频率逐渐增大，频差逐渐增大。根据以往经验，对于舵系统的气动弹性影响最大的为舵系统的一、二阶频率和频率差。

分析舵系统模态试验结果，选取模态频差最差的几个工况，并以这些状态的试验结果为输入进行气动弹性仿真，通过分析可以看出，预紧力的大小直接影响对于气动弹性分析的判断。

4.结语

在实际地面模态试验中，如何确定施加预紧力的大小，一般应根据舵系统的实际工作状态来确定。在地面试验过程中，受试验条件所限，一般不会将预紧力增大到使用载荷，因此地面试验测量的模态频率只会趋近于理论值，但不会得到真实工作状态的模态特性。另一方面，由于舵系统传动刚度损失，舵系统的理论模态会逐渐朝单独舵面的模态频率逼近，但是绝不会超过单独舵面的模态频率。

参考文献

[1]何辉，导弹舵机/舵面系统模态试验方法研究[J]，航空制造技术，2014.