飞机模型整机模态实验分析与步骤
本帖最后由 qq1125913845 于 2020-7-8 10:33 编辑分析结构的模态参数是优化试验对象力学性能的关键。测试结构的固有频率、阻尼和模态振型有助于优化结构设计，改善结构性能。因此，模态分析是产品开发的一个重要过程。
本文主要介绍通过试验模态分析获得了飞机模型的模态特性的过程。利用一个模态激振器和多个传感器做SIMO FRF模态测试，获得结构的振动特性。用激振器激励比用模态力锤激励具有更好的一致性和可重复性。另外，用激振器激励平均数更高，可以获得更干净的数据。高质量测量有助于更好地获得结构的模态参数。
为了避免巡回响应测量中的质量附加效应，完整的模态试验在一次运行中完成。一次性在对应的测点上共布置25个传感器。
这次SIMO FRF模态测试，硬件使用高通道数据采集系统Spider-80Xi，软件使用模态分析软件版本EDM-Modal 8.1。
图1.飞机模型的模态激振试验
按照网格划分，25个测点布置在前翼和后翼上。使用弹性绳悬挂飞机模拟自由-自由边界条件（如试验装置所示）。模态激振器安装在飞机中心的正下方以激励全局模态。通过均匀分布在机翼上的24个单轴加速度计和1个阻抗头采集响应。测量垂直方向的激励和响应有助于获得平面外的模态振型。
图2.飞机几何模型
我们对低阶模态感兴趣，因此设置采样率为1kHz，块大小为2048。通过这两个设置获得0.488Hz足够高的频率分辨率。对每个测量自由度上的28个块数据进行线性平均计算，获得较高的精度和更低的噪声。
用突发随机激励信号提供频宽450Hz的能量激励，可以设置激励信号持续时间占整个周期的百分比，以控制无输出持续时间，使响应衰减至零。通过这个设置，将不会有泄露。我们选择均匀窗，输出幅值设置为0.2V，激励信号持续时间百分比设为80%。
图3. 飞机SIMO FRF测试
激励信号持续时间百分比设置为80%，保证了每个周期有1.64s的激励输出，0.41s无输出。这可以从上图中的时间块信号图中看出。
上图中的相干图出现了谷值，说明在这些频率范围结构的响应水平相对较低。总的来说，输入和输出在期望的频率范围内是相关的。
FRF图显示在0-150Hz的频率范围内有良好的峰值。绘制所有FRF的虚部，观察所有测量自由度之间的相位关系。在虚部图中，各条曲线的峰值位置有良好的一致性，说明不存在质量附加效应。
图4. 模态数据选择选项卡，显示重叠的FRF曲线的虚部
用Poly-X算法 (最小二乘复频域法) 拟合2阶FRF，获得如下的稳态图。在分析频率范围内选择1个刚体模态和5个弹性模态。采用多变量模态指示函数（MMIF）表示固有频率处的谷值。
图 5.第一个频带的稳态图
图 6. 第二个频带的稳态图
Auto-MAC矩阵有助于验证结果. 下面的Auto-MAC图表示各阶模态是相互正交的（较低的非对角元素），并且是唯一标识的（较高的对角元素）。
图 7. 飞机SIMO模态测试Auto–MAC图
稳定物理极点相关的模态动画如下图所示：
结果显示了高通道系统Spider-80Xi和EDM Model软件对复杂结构进行模态测试的强大和高效。
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