大型结构件模态试验方法

　　为了研究和分析一些大型结构件(指数十吨以上结构件)的动态特性(模态的频率、阻尼、振型),一般通过实验模态分析方法[1, 2]获得。有关此类大型结构的模态试验,各种文献资料有很多介绍。本文利用微振测试系统对大型结构件“LXJ—4—450岩土离心机”(中国科学院水利研究所专门研究水利大坝用的离心机,质量约20吨)、超大型结构“JJ350/45井架”(四川宏华石油机械厂生产的石油钻机井架,质量约50吨)等进行模态试验分析的实例,就测试分析中出现的问题以及解决办法,与同行们进行探讨。

　　对大型结构件的模态试验需要解决两个方面的问题,一是如何对结构施加激励;二是对微弱的响应信号用何种传感器拾取。本文在微加速度测试系统[3]的基础上,解决了传感器干扰的影响,并验证了测试系统的可靠性[4]。在这一前提下,对质量在20吨以下的结构件采用“高弹性聚能力锤”施加激励,对质量在20吨以上的结构件则采用“自激励”,又称“环境激励”方式来施加激励。拾取信号采用低频大灵敏度加速度计,成功地对上述大型构件进行了模态试验。

　　1　试验原理的理论支持

　　实验模态分析的目的是对已有结构系统进行识别与评价,从中找出结构系统的动态特性及所存在的问题,为验证和修改结构动力学的分析模型提供试验依据。因此,对已有结构进行实验模态分析是必要的。

　　对于结构的动态力学性能的研究,通过实测结构的输入(激励)和输出(响应)来确定系统的动态特性,建立系统的分析模型,是结构动力学逆问题的一个主要方面,其内容又可分为系统识别和参数识别。按系统输入、系统输出个数分类,振动参数识别则可分为:单输入/单输出(SISO)、单输入/多输出(SIMO)、多输入/多输出(MIMO),此类方法主要用于结构质量较轻的结构件(指大型结构以下)。对一些超大型结构件,常采用另一种实验方法,就是通常所说的工作模态分析方法(OMA),这是一种不需要知道激励信号的模态试验方法。

　　基于模态分析的理论,多自由度系统的振动微分方程为

　　将上式两边作傅立叶变换,可以得到:

　　[H(ω)]称之为位移频率响应函数矩阵。

　　假设φ=φ1,φ2,φ3,…,φn为结构的主振型矩阵。

　　假设结构系统的阻尼为比例阻尼,可以证明位移频率响应函数矩阵和模态参数有如下关系:

　　(3)式中:Mi、Ci、Ki—分别是第i阶模态质量、模态阻尼和模态刚度;{φ}i—第i阶固有振型。

　　当在p点作为激励,第i点测量响应,位移频率响应函数为:

　　0可以证明加速度频率响应函数与位移频率响应函数有如下关系: