崔盼禮，李曉東，宋巧治

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

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基于非接觸激振的機翼模型模態(tài)測試

崔盼禮，李曉東，宋巧治

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

在輕質試驗件模態(tài)測試中采用非接觸激振，可以有效避免常規(guī)模態(tài)測試中激振器動圈附加質量和附加剛度對結構動特性的影響，避免錘擊法引起的連擊、振型不連續(xù)和應力集中等現(xiàn)象。本文主要介紹了非接觸激振力產生的原理，根據該原理設計了一套非接觸激振設施，并在一輕型機翼模型的模態(tài)測試中進行了應用。結果表明，基于非接觸激振，測試結果更加準確，對于輕質試驗件及柔性飛機的模態(tài)測試具有一定的工程意義。

非接觸激振；模態(tài)測試；渦電流

1 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術及工業(yè)的發(fā)展，人們越來越認識到結構動特性的重要性。所以，航空、航天飛行器的零部件及機載設備的模態(tài)試驗顯得尤為重要，這些結構都具有重量輕、柔性大等特點。對輕質結構的模態(tài)測試，傳統(tǒng)的模態(tài)測試方法由于激振器附加質量及附加剛度的影響，測試結果與理論值往往差別比較大，為有限元模型修改及后續(xù)其它計算帶來困難。

目前，對輕小部件一般都是采用敲擊激勵對結構進行模態(tài)測試，但是敲擊激勵存在應力集中的問題，敲擊質量因人而異，容易出現(xiàn)雙擊、振型不連續(xù)等現(xiàn)象，從而影響測試結果。還有不少學者嘗試用噪聲對結構進行激勵，但是該方法需要復雜測試系統(tǒng)，并且模態(tài)分析比較困難。非接觸激振利用時變磁場對導體的作用產生渦電流，閉合回路的渦電流在變化的磁場中受到電磁力的作用，從而達到對試件激振的目的，可以有效避免常規(guī)方法中附加質量和附加剛度對結構動特性的影響，避免錘擊法引起的連擊、振型不連續(xù)及應力集中等現(xiàn)象。

本文以機翼模型為研究對象，對該模型結構進行了模態(tài)特性計算，并分別利用非接觸激勵、敲擊激勵和接觸激勵等激勵方式測量了該模型的模態(tài)參數(shù)，并對結果進行了對比分析，為進一步研究非接觸激振進行模態(tài)測試打下了堅實的基礎，對于輕質試驗件及柔性飛機的模態(tài)測試具有一定的工程意義。

2 非接觸激振技術原理

非接觸激振和電磁激振器產生激振力的原理是類似的，不同的是非接觸激振使試件本身或者試件上的導電薄片產生渦電流，渦電流代替了電磁振動臺上的動圈電流，激振力直接作用在被試件上。非接觸激振力產生原理如圖1所示。當永磁體以速度v向線圈運動時，線圈中的磁通量發(fā)生變化，根據法拉第感應定律，線圈中產生感應電動勢E：

(1)

其中，φ=B*S，B為線圈處的磁感強度的有效值，S為線圈的有效面積，負號代表感應電動勢的方向，如圖1(a)和圖1(b)中，感應電動勢的方向是相反的。在圖1(a)中，線圈中的磁通量是增加的，由楞次定律可得，線圈產生的一個磁場阻礙原磁場的變化，由右手定則可得，產生的感應電流為逆時針方向。在圖1(b)中，線圈中的磁通量減少，線圈會產生一個和原磁場方向一樣的感應磁場，由右手定則，感應電流為順時針方向。

圖1 感應電流的方向

線圈的電阻R為：

(2)

其中，R為電阻值，L為線圈長度，Sr為線圈的橫截面積，γ為導電率。

閉合電路的歐姆定律為：

(3)

把(1)式和(2)式代入(3)式，得：

(4)

通電電流在磁場中切割磁感線，受到磁力作用，如圖2所示，作用在電流元上的安培力垂直方向的分力為dF，作用在線圈上的垂直方向的合力為：

(5)

式中，r為線圈半徑，θ為線圈運動方向與所切割磁感線的夾角。把(4)式代入(5)式，得：

(6)

圖2 通電電流在磁場中受到磁力

3 非接觸激振的實施

根據以上原理，非接觸激振設施主要是由導體、磁鐵、激振器、力傳感器和功放組成，具體如圖3所示。在一個電磁激振器連桿前連接一個磁鐵，在試驗件上粘貼一個傳導材料，磁鐵與傳導材料之間留有一定的距離，通過激振器使磁鐵產生運動，在導體材料上就會產生電渦流，從而在導體材料上就會產生一個力。為了克服磁鐵與力傳感器的吸力，在磁體和傳感器之間用一根輕木頭連接。

圖3 非接觸激振的實施

4 機翼模型模態(tài)測試

4.1 試驗件及邊界條件

該機翼模型材料為硬鋁，為了便于測試，機翼翼根固支。機翼在正常情況下因重力作用發(fā)生彈性變形，從而存在預應力，會影響模態(tài)的測試結果。為了減少預應力的影響，使測試更加準確，把機翼模型側立固支，如圖4所示。

圖4 機翼模型側立固支

4.2 模態(tài)測試系統(tǒng)

本次試驗采用VXI模態(tài)分析系統(tǒng)測試。該系統(tǒng)由數(shù)據采集器、信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、傳感器、力傳感器、力錘、永磁體等組成。試驗軟件采用了I-DEAS模態(tài)測試分析軟件系統(tǒng)。圖5為非接觸激振照片，測試系統(tǒng)組成示意圖見圖6。

圖5 非接觸激振力的施加

4.3 試驗方法

本次試驗分別采用接觸、敲擊和非接觸激勵進行模態(tài)測試，試驗方法采用隨機激勵下的模態(tài)參數(shù)識別法，即測量頻響函數(shù)，然后通過頻響函數(shù)得到試驗件的模態(tài)參數(shù)。3種激勵方式所測頻響函數(shù)見圖7。

圖7 不同激勵方式所測頻響函數(shù)

5 測試結果與分析

為了更好地對測試結果進行評估分析，在進行模態(tài)測試前，還進了仿真計算，計算結果及不同激勵下的測試結果見表1。3種激勵方式的振型一樣，見圖8，仿真計算振型圖見圖9。

圖8 機翼模型非接觸激振振型圖

圖9 機翼模型仿真計算振型圖

激勵方式第一階(Hz)第二階(Hz)第三階(Hz)第四階(Hz)接觸激勵2.1089.73120.23324.328敲擊激勵1.9779.26819.50524.115非接觸激勵1.9499.23620.58724.398理論計算1.9569.35820.83824.455

對于復雜結構，在建模的過程中會進行一些簡化。同時，結構存在復雜的非線性，計算結果要以實測結果為準進行修改有限元模型。但是對于類似固支梁的簡單結構，計算結果也非常準確。

以敲擊激勵的測試結果為基準計算接觸激勵和非接觸激勵的測試頻率誤差，并進行對比，見表2。從表2可以看出，非接觸激振方式10Hz以下誤差較小。

表2 兩種激勵方式測試頻率誤差對比

以理論計算結果為基準計算3種激勵方式的測試誤差，并進行對比，見表3。從表3可以看出，以理論計算結果為基準，非接觸激振測試頻率誤差相當小。

表3 三種激勵方式測試頻率誤差對比

6 結 論

非接觸激振已經發(fā)展成為一種有效的激勵方式，以普通激振器做線性驅動，使磁體在離結構一定的距離，以一定的速度運動，試件內或者試件所粘貼的導體上產生渦電流，從而產生激振力。由于該種激勵方式產生的激振力與渦電流處磁場強度有關系，而渦電流處磁場強度與永磁體和試件的距離有關，同時磁場強度與速度方向的夾角也與該距離有關，故該激振力不是一個線性的力，不適用于相位共振法，但適用于相位分離法。從測試結果對比可以發(fā)現(xiàn)，本文所采用的非接觸激振方式提供了理想的邊界條件，精度較高，是一種適用于輕小部件的理想的激勵方式。

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Modal Test for Wing Model based on non-Contact Excitation

Cui Panli, Li Xiaodong, Song Qiaozhi

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

In modal test, the non-contact exciting force is applied to lightweight structures, which can avoid the influence of added mass and added stiffness. Moreover, it can avoid the phenomenon of stress concentration and discontinuous vibration mode with hammer excitation. The basic principle of non-contact exciting force is introduced in the paper. According to the principle, a new device of implementing non-contact exciting force is developed, and the device is used in a wing model structure. The test results show the advantages of non-contact excitation.

non-contact excitation; model test; eddy current

2016-08-11

崔盼禮(1982-)，男，碩士，工程師，研究方向：結構動強度測試研究。

V216.2+4

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.020