大型结构模态测试激励方式

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对大型结构件（指数十吨以上结构件）做模态试验，是近年来振动界的热门话题之一。要对大型结构件做模态试验，一般都很费时费力，而且效果不一定好。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。本文对大型结构的激励方式进行讨论。

大型结构常规激振方法

1. 聚能力锤

高弹性聚能力锤，含有先进的弹性聚能装置，有效增强激励力和延长激励时间，使激励能量集中于低频段，提高脉冲激励响应的频响函数分析精度，尤其适合大型低频结构的激励。例如东方所曾用该聚能力锤对黄河三道坎铁路桥直接激励，高效完成桥梁的模态测试。

左：聚能力锤；右：聚能力锤模态测试

图1

聚能力锤的特点是：特殊的高弹性聚能装置；激励力大，持续时间长；激励能量集中于低频段；适合于大型结构的锤击模态试验。

2. 小型火箭激励

国内某单位曾利用小型火箭激励钱塘江大桥进行模态测试。

左：小型火箭；右：钱塘江大桥

图2

为了得到完整的模态参数，对于大型结构最方便的测试方法是利用地脉动、风力和交通作为激励源，但由于激励力是不可测的，而得不到模态质量、模态刚度等重要参数。使用可测量的小型火箭作为激励力，就可得到完整的模态参数。为了得到理想的激振力，通过对火箭的推进剂进行设计，可以得到理想的激振力。小型火箭整体结构及测力系统设计如下图所示，小火箭采用固体燃料作为推进剂，应变传感器作为测力传感器，直流电作为点火信号。力的大小定为1吨，使火箭激励引起的桥梁振动比天然脉动引起的振动大一个数量级，力不需太大，也是考虑到安全和成本问题。

图3 小型火箭原理示意图

3. 其它激励方式

在桥梁下面悬吊重物，如船舶，然后突然释放重物，使桥梁自由振动。

图4 桥梁突然释放船舶

液压伺服激振器对桥梁进行激励，如下图所示。

图5 液压伺服激振器

4. 小结

大型结构的常规激励方式，具有困难或不可实现、昂贵、局部损伤等特点。

大型结构环境激励方式

经典的模态模型识别方法，是基于在试验室内进行试验，对结构施加人为的动力激励并进行频响函数 (FRF) 测量。然而，结构承受的真实载荷与其在试验室试验中施加的载荷之间，常有很大的差别。由于现实的系统总是存在某种程度的非线性因素，真实载荷作用下得到的模型是在典型工作点作线性化处理的结果。也就是说，环境对系统特性的影响（如支承的预应力，载荷使刚度增加及气动弹性影响等）将被计入。在许多情况下，如海洋平台受到微扰动，建筑结构受车流和风力激励等，对他们进行人工激励试验是很困难的，不说不可能吧，至少用常规的试验设备是难于进行的。在这种场合，工作状态下的数据常常是唯一可供利用的数据。

图6 海浪对船舶进行激励

某船舶OMA模态测试方案及模态振型，如下图所示。

图7 某船舶OMA测试方案

左：1阶弯曲模态0.784Hz；右：2阶弯曲模态1.41Hz

左：3阶弯曲模态1.96Hz；右：4阶弯曲模态2.79Hz

图8 某船舶模态测试结果

另一方面，大型结构具有模态频率低、模态密集的特点。因此，在测试需要考虑使用低频性能更好的传感器。例如BK4575D超低频加速度传感器，可用于大型结构加速度拾振，该加速度传感器的基本参数如下图所示。

图9 超低频模态传感器

参考文献
[1] 应怀樵, 刘进明, 敖清波,等. 火箭激振钱塘江大桥模态试验[J]. 实验力学,1999(4):528-532.
[2] 谭详军，模态空间，什么是工作模态OMA？
[3]徐有刚, 冯加权, 杜强,等. 大型结构件模态试验方法[J]. 科学技术与工程, 2007,7(13):3231-3234.
[4] b&k - 中文官网——Brüel & Kjær声学与振动测量
[5] 百度文库，环境激励下的模态试验

来源：声振测试微信公众号（ID：gh_21d5ab08b079），作者：于长帅。