LMS測試系統(tǒng)在模態(tài)試驗教學(xué)中的應(yīng)用

靳 暢， 周 鋐

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院 中心實驗室,上海 201804)

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LMS測試系統(tǒng)在模態(tài)試驗教學(xué)中的應(yīng)用

靳 暢， 周 鋐

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院 中心實驗室,上海 201804)

模態(tài)分析是車輛工程專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)課。模態(tài)試驗是進行模態(tài)分析的前提，也是課程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)模態(tài)試驗儀器存在連接復(fù)雜、調(diào)試時間長等缺陷使教學(xué)試驗效果不理想。隨著集成電路以及數(shù)字計算機的快速發(fā)展，新型測試儀器讓模態(tài)試驗更專注于過程上，有利于學(xué)生對試驗方法的掌握。闡述了LMS測試系統(tǒng)的特點、功能以及在教學(xué)試驗中的應(yīng)用，旨在激發(fā)學(xué)生對模態(tài)試驗的興趣和積極性，從而提高試驗教學(xué)的質(zhì)量。

模態(tài)試驗； 測試系統(tǒng)； 教學(xué)試驗

0 引 言

模態(tài)分析是振動理論的一個重要分支，是研究結(jié)構(gòu)動力特征的一種近代方法[1]，是車輛工程專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)課程。模態(tài)試驗是進行模態(tài)分析的一種重要手段和方法，通過試驗測得激勵和響應(yīng)的時間歷程，運用數(shù)字信號處理技術(shù)求得頻響函數(shù)或脈沖函數(shù)，然后運用參數(shù)識別方法求得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)[2]。

模態(tài)試驗的測試系統(tǒng)[3]由傳感器、信號采集儀、信號發(fā)生器、信號處理分析以及模態(tài)參數(shù)識別這幾部分組成。傳統(tǒng)模態(tài)試驗用傳感器基本都是電荷式加速度計，需通過電荷放大器與采集儀連接，正式測量前需要較長的調(diào)試時間，占用了相對有限的教學(xué)時間。另外，質(zhì)量較大的電荷式加速度計所產(chǎn)生的質(zhì)量附加效應(yīng)[4]也限制了在教學(xué)中使用較輕、較小結(jié)構(gòu)做試驗的便利性。

比利時LMS公司是國際上先進的振動噪聲試驗分析設(shè)備及軟件供應(yīng)商，它的測試系統(tǒng)集成度高，集數(shù)據(jù)采集與信號發(fā)生功能于一體，試驗分析軟件具有測試快速性、結(jié)果可視性、數(shù)據(jù)完備性等特點[5]，在我院實驗室的科研中起到了重要作用。將此測試系統(tǒng)的應(yīng)用從科研擴展到模態(tài)試驗教學(xué)中，可充分利用其優(yōu)勢提高模態(tài)試驗教學(xué)的效率和質(zhì)量。

1 LMS模態(tài)試驗系統(tǒng)構(gòu)成

LMS測試系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，應(yīng)用到模態(tài)試驗中還需要有力錘、激振器、功率放大器和校準器等硬件。

1.1 硬 件

(1) SC316數(shù)據(jù)采集前端。最多64通道的數(shù)據(jù)同時采集，每通道最高采樣頻率204.8 kHz，具有AC、DC和ICP三種不同的輸入模式以及為ICP傳感器供電。

(2) ICP加速度計。放大器內(nèi)置于傳感器殼體內(nèi)，與數(shù)采前端直接相連，減少了中間環(huán)節(jié)。并且，質(zhì)量只有幾克，比傳統(tǒng)電荷式傳感器大大降低。

(3) 力錘。帶ICP式力傳感器以及不同硬度的錘頭以提供不同頻率范圍的激勵力。

(4) 激振器與功率放大器。TIRA公司TV52110振動激勵系統(tǒng)。提供最大100 N，最高頻率7 kHz，最大加速度50g的輸出激勵。

(5) 校準器。PCB公司加速度振動校準器，提供159.2 Hz，1g(RMS)的標準加速度輸出。

1.2 軟 件

LMS測試系統(tǒng)軟件以Test.Lab軟件為總體框架，根據(jù)不同的應(yīng)用類型分為多個模塊。模態(tài)試驗根據(jù)激勵的不同形式可分為力錘法模態(tài)試驗和激振器法模態(tài)試驗，Test.Lab軟件相應(yīng)的模塊為Impact Testing和Spectral Testing。

(1) Impact Testing。錘擊法模態(tài)試驗中從錘擊激勵力的頻率范圍驗證到頻響函數(shù)測量結(jié)果的驗證都可以在這個模塊中實現(xiàn)。

(2) Spectral Testing。激振器法模態(tài)試驗中激勵信號的調(diào)試和頻響函數(shù)的測量在這個模塊中完成。

(3) Modal Analysis。模態(tài)分析模塊將測量得到的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過時域或頻域算法分析出結(jié)構(gòu)固有的動力學(xué)特性。這些特性包括一系列獨特變形模式或者說模態(tài)振型、對應(yīng)于每個振型的共振頻率，以及描述模態(tài)振型中自由響應(yīng)振動隨時間衰減快慢的阻尼因子[6]。

2 LMS模態(tài)試驗軟件功能

模態(tài)試驗教學(xué)的主要內(nèi)容是讓學(xué)生掌握錘擊法和激振器法測量頻響函數(shù)以及根據(jù)頻響函數(shù)識別模態(tài)參數(shù)的方法。具體內(nèi)容如下：

(1) 設(shè)置激勵和響應(yīng)通道以及對加速計的校準。

(2) 測量激勵力和加速度響應(yīng)的時間記錄曲線、力的自功率譜和傳遞函數(shù)。

(3) 分析頻響函數(shù)的各種顯示形式(實部、虛部、幅值、對數(shù)、相位)及相干函數(shù)。

(4) 比較原點頻響函數(shù)和跨點頻響函數(shù)的特征。

(5) 考察激勵點和響應(yīng)點互換對頻響函數(shù)的影響。

(6) 比較不同材料的力錘錘帽對激勵信號的影響。

(7) 改變激勵力大小比較頻響函數(shù)。

(8) 通過頻響函數(shù)識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

LMS模態(tài)試驗軟件將試驗轉(zhuǎn)變成基于過程的工作表，見圖1，自左至右的多個工作表組成了整個模態(tài)試驗的過程，清晰明了。學(xué)生按照順序點擊各個工作表進行具體的試驗步驟。

圖1 試驗過程工作表

2.1 試驗前

試驗前先要進行通道設(shè)置和加速度計的校準。在Channel Setup工作表中學(xué)生選取所需要的測量通道并且設(shè)置為力或加速度的物理量以及量綱。接下來在Calibration工作表中校準加速度計，學(xué)生可以直觀的觀察到加速度計在校準時的時域響應(yīng)和頻域響應(yīng)，理解什么是單頻線性校準。

為了描述結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型，在Geometry工作表中學(xué)生需要建立試驗結(jié)構(gòu)的測點模型，見圖2。在模態(tài)參數(shù)識別后可以直觀的觀察結(jié)構(gòu)各共振頻率下的變形情況。

圖2 結(jié)構(gòu)的幾何模型

2.2 試驗中

在錘擊法模態(tài)試驗中，錘帽的硬度對結(jié)構(gòu)的頻響范圍有著重要影響[7]。學(xué)生采用不同硬度的錘帽進行激勵，在Impact Setup工作表的Bandwidth中觀察不同的頻響范圍，如圖3所示。

對激勵和響應(yīng)信號加窗函數(shù)[8]是獲取錘擊法模態(tài)試驗頻響函數(shù)的重要步驟。在Impact Setup工作表的Windowing中，學(xué)生將同步觀察到激勵力和響應(yīng)信號在分別施加了力窗函數(shù)和指數(shù)窗函數(shù)后信號在時域和頻域上的變化，見圖4。這種實時性能讓學(xué)生更好地理解窗函數(shù)參數(shù)對信號的影響。

圖3 錘擊法頻響范圍

圖4 錘擊法模態(tài)試驗的加窗設(shè)置

對于激振器法模態(tài)試驗，激勵力是由激振器驅(qū)動，激勵信號由LMS SC316數(shù)采前端上的信號發(fā)生模塊輸出。在Test.Lab軟件Spectral Testing模塊的Scope工作表中激勵選擇信號的類型以及輸出電壓幅值。學(xué)生可以選取不同類型的信號，如隨機、隨機猝發(fā)、掃頻[9]等分別進行頻響函數(shù)的測量后比較之間的差異。另外，在改變信號輸出電壓幅值后考察不同激勵力對頻響函數(shù)測量的影響，見圖5，以此驗證模態(tài)理論中的線性系統(tǒng)假設(shè)[10]，使學(xué)生有更深的認識。

在頻響函數(shù)測量中，學(xué)生可以在每一次錘擊(錘擊法)或每一周期激勵(激振器法)后檢查測得的頻響函數(shù)、激勵與響應(yīng)的時頻域信號以及相干函數(shù)。相干函數(shù)是檢驗頻響函數(shù)質(zhì)量的重要指標，反映了激勵與響應(yīng)之間的因果關(guān)系[11]，是學(xué)生需要掌握的重要知識點，見圖6。

模態(tài)理論中另一重要假設(shè)條件是互易性假設(shè)[12]，即交換激勵和響應(yīng)位置后頻響函數(shù)不變。學(xué)生在測量后可以很快的查看如圖7的這兩個頻響函數(shù)曲線以驗證理論知識。

2.3 試驗后

獲取頻響函數(shù)后就可以進行模態(tài)參數(shù)的識別。在Modal Data Selection工作表中選擇不同測點的或整體的頻響函數(shù)，還可以單獨選擇某一方向的頻響函數(shù)。學(xué)生可以將所有測點的頻響函數(shù)顯示在一張如圖8的三維圖譜上查看并嘗試模態(tài)參數(shù)識別中的局部識別和整體識別方法[13]，比較之間的異同。

按照選取極點數(shù)量不同模態(tài)參數(shù)識別還可以分為單自由度識別和多自由度識別。在模態(tài)分析工作表的Band帶寬選項中，學(xué)生可以通過如圖9所示選擇不同帶寬來進行單自由度或多自由的識別的比較。

(a) 3個不同幅值激勵力

(b) 頻響函數(shù)比較

(a) 質(zhì)量好與壞的頻響函數(shù)

(b) 相應(yīng)的相干函數(shù)

根據(jù)所選的帶寬，軟件生成模態(tài)參數(shù)識別的穩(wěn)態(tài)圖[14]供學(xué)生挑選待識別的模態(tài)頻率，圖上以各種不同的符號來表示所識別的模態(tài)參數(shù)的穩(wěn)定狀態(tài)，各符號的意義。這種方式使學(xué)生可以快速的選出正確的模態(tài)頻率。o為極點不穩(wěn)定;f為極點頻率在公差范圍內(nèi)穩(wěn)定;d為極點阻尼和頻率在公差范圍內(nèi)穩(wěn)定;v為極點向量在公差范圍內(nèi)穩(wěn)定;s為極點阻尼、頻率和向量都穩(wěn)定。

圖7 頻響函數(shù)的互易性檢驗

圖8 頻響函數(shù)3維圖譜

圖9 帶寬選擇

根據(jù)選出的模態(tài)頻率，在模態(tài)分析工作表的Shape選項中軟件按照最小二乘復(fù)頻域法計算出相應(yīng)的模態(tài)振型并以模型動畫的形式顯示。學(xué)生可以將動畫保存并添加到試驗報告中完成整個模態(tài)參數(shù)識別過程。

模態(tài)參數(shù)識別的正確與否以模態(tài)置信判據(jù)、模態(tài)復(fù)雜性、模態(tài)共線性[15]等理論來驗證，Test.Lab軟件的Validation工作表中提供了計算這些驗證指標的工具，如圖10顯示了模態(tài)置信判據(jù)結(jié)果，體現(xiàn)了識別出的各個不同模態(tài)之間的正交性。學(xué)生結(jié)合這些驗證理論檢查模態(tài)識別的正確性。

圖10 模態(tài)置信判據(jù)圖

3 模態(tài)的修改預(yù)測

LMS測試系統(tǒng)及軟件不但能進行模態(tài)試驗及模態(tài)參數(shù)識別，并且Test.Lab軟件還提供了模態(tài)修改預(yù)測功能。模態(tài)的本質(zhì)就是研究結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度以及阻尼與模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。通過模態(tài)修改預(yù)測(Modification Prediction)工作表，學(xué)生可以嘗試在結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點位置改變質(zhì)量，在節(jié)點之間改變剛度或阻尼，比如，定義一個負質(zhì)量來觀察消除了傳感器附加質(zhì)量影響后的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)變化，見圖11。同時還可以預(yù)測出新的頻響函數(shù)進行比較。老師以改變結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量、剛度或阻尼作為題目，學(xué)生計算后通過模態(tài)修改預(yù)測功能檢驗自己的計算結(jié)果，這樣，既加深了學(xué)生對模態(tài)本質(zhì)的認識，又能提高學(xué)生的興趣，令試驗教學(xué)不再枯燥。

圖11 改變節(jié)點質(zhì)量后的模態(tài)參數(shù)變化

4 結(jié) 語

LMS測試系統(tǒng)以其高集成度、高試驗效率在科研工作中起了重要作用。實驗室將其優(yōu)勢運用到模態(tài)試驗教學(xué)中，是科研設(shè)備用于教學(xué)的一種嘗試。目前實驗室有兩套LMS測試系統(tǒng)，采用分組試驗形式，每組學(xué)生5～10人，試驗學(xué)時8課時，錘擊法試驗4個課時，激振器法試驗4個課時。試驗中每位學(xué)生都積極參與，老師以小組為單位進行指導(dǎo)、提問和出題，最終結(jié)果以試驗報告形式提交。試驗的教學(xué)效果反映良好，進一步將繼續(xù)推動科研設(shè)備在教學(xué)試驗中的運用，改善教學(xué)試驗方法，提高教學(xué)水平和質(zhì)量。

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Application of LMS Testing System in Teaching of Experimental Modal Analysis

JINChang,ZHOUHong

(Central Laboratory, School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Modal analysis is an important professional course for students majoring in automotive engineering. Modal testing is a fundamental experimental technology in modal analysis, and therefore an indispensable part of the course. Conventional modal testing instruments have limitations on transducer connection and instrumentation time. With the rapid development of integrate circuit and digital computer, newly developed modal testing system can be more focused on the better understanding of procedure of modal testing for students. This paper mainly describes the features, functions and advantages of LMS testing system in experimental modal analysis teaching, which helps to stimulate students’ motivation and furthermore improve the experimental teaching efficiency.

experimental modal analysis; testing system; experimental teaching

2014-11-13

靳 暢(1979-)，男，上海人,博士，工程師，主要從事汽車振動噪聲技術(shù)教學(xué)與研究。

Tel: 13331811190; E-mail:bryan_jin_1@hotmail.com

TH 825

A

1006-7167(2015)11-0186-04