一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法技术

本发明专利技术公开一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，首先确定结构的激振、拾振位置，保证其既位于邻近模态振型的节点、节线处，亦为各测试模态振型下具有明显响应的位置；信号采集器记录拾振点响应信号，并作离散傅里叶变换得到响应频谱；在此基础上提取共振(或峰值)频率及其邻近频率下对应的响应，获得稳态响应幅值；最后计算频率比、响应比等相关参数，实现结构模态阻尼比的识别。此方法可解决现有技术中如下技术问题：传统的半功率法难以精确找到半功率点；某些激励时域信号难以直接测量，导致频域法计算模态阻尼比所需的频响函数有时无法获取；接触式激励下的响应常存在瞬态成分衰减不彻底、操作繁琐等问题。

A fast method for calculating modal damping ratio based on pulse excitation response spectrum

The invention discloses a pulse ratio calculation method of fast response spectrum modal damping excitation based on, first determine the vibration and structure vibration to ensure its position, both located adjacent to the modal nodes and section lines, for each test mode has obvious response position; the signal collector records pick-up point the response signal, and discrete Fourier transform to get the response spectrum; resonance extraction based on (or peak) in response to the corresponding frequency and its adjacent frequencies, obtain the amplitude of the steady state response; finally, calculate the frequency ratio, response ratio and related parameters, realize the identification of structural modal damping ratio. This method can solve the technical problems in the prior art of traditional half power method is difficult to accurately find the half power point; some incentive signal cannot be measured directly, than the frequency response function required sometimes cannot obtain the modal damping calculation result in frequency domain method; contact problem often transient components is not complete, the complex operation of attenuation type excitation the ring.

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法
本专利技术属于结构模态参数识别领域，涉及一种结构振动模态阻尼比的测试方法，具体涉及利用结构在各阶共振区内的脉冲响应频谱，对其各阶模态阻尼比进行反演的实现方法。
技术介绍
阻尼参数作为一项重要的动力性能指标，对结构在共振区的响应影响十分显著。实际工程结构阻尼成分复杂，一般是由内部阻尼(材料)、结构阻尼以及流体阻尼综合决定，然而现有阻尼测试标准(如GB/T18258-2000、GB/T16406-1996等)多是针对试件的材料阻尼测量，难以直接运用于响应预报。线性的振动系统服从模态叠加原理，其动响应计算必须依赖系统模态阻尼比，某些领域按统计规律对该阻尼比进行规定，具有一定的局限性。因此，阻尼比亦需要通过试验来测定，但试验条件的微小差异也可能会造成测量结果的巨大偏差，探究可靠实用的阻尼测试方法也十分紧迫。目前特殊结构的模态阻尼是通过试验分析识别的，传统的参数识别方法可在时域和频域内进行。常用的频域法中包括单自由度图解法(如峰值拾取法、导纳圆法)和多自由度解析法(如各类拟和法)，分别适用于模态稀疏的小阻尼结构和模态密集的大阻尼结构。峰值拾取法使用了半功率理论，离散谱线难以获得精确的半功率点、窗阻尼影响以及不同信号处理手段，均可能导致阻尼估算偏差达到几倍甚至几十倍；导纳圆法计算精度受图解精度的限制，且无法避免因邻近模态叠加所产生的误差。拟合解析法常处理多自由度系统，一般为得到密集模态的信息会增加测点数目，此举措既增大计算量也易产生病态转换矩阵，从而影响参数识别精度。多自由度系统时域下的参数识别需使用窗函数对信号滤波处理，经典窗在分离低频密集模态、叠加模态时精度较差，特别是位于频响函数的两端且很接近的模态。诸如舰艇等复杂结构的总振动阻尼系数测试难度较大，时域衰减法仅能得到其低阶阻尼系数，频响曲线识别时又必须同时测量响应与激励的时序信号，这在某些情况下往往也是不现实的(如大型结构的阶跃激励、自激励等)，这均为阻尼测试和动响应预报带来了困难。对结构测试的激励形式有接触式和非接触式两种。激振器等作用产生的接触式激励可以使结构获得持续振动响应，规范对激振器作用下不同激励波形的测试方法进行了规定，但操作不当时会存在自由振动衰减不彻底、样本数据泄露严重、共振区数据采集量不够等问题，对频响函数测试以及参数识别造成一定的误差。此外，在结构共振区附近进行持续性激励时，若阻尼较小，结构达到稳态振动时间较长、响应较大，易于对结构造成损伤。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，其可解决现有技术中如下的技术问题：传统的半功率法计算阻尼比时一般难以精确找到半功率点；受某些激励时域信号难以测量的限制，频域法计算模态阻尼比所需的频响函数有时无法获取；且接触式激励下的响应常存在瞬态成分衰减不彻底、操作繁琐等问题。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，包括如下步骤：步骤1，确定结构激振-拾振点位置；步骤2：采集拾振点时域响应信号并作频域转换；步骤3：提取稳态谐振响应幅值；步骤4，确定阻尼比计算参量：频率比和响应比，计算阻尼比。上述步骤1中，在适当位置布置传感器，以确定结构激振-拾振点位置，该适当位置指既位于邻近模态的“节点”、“节线”处，亦为各测试模态振型下具有明显响应的位置。上述传感器采用位移传感器、速度传感器或加速度传感器。上述步骤2中，使用动态信号采集仪对结构在冲击激励下的响应信号进行采集，测量拾振点动态响应时间历程曲线。上述步骤2中，对信号进行频域转化时采用离散傅里叶变换，变换块的大小N为2的整数次方，记录时域信号时长T＝NΔt，采样频率1/Δt，频域分析频率分辨率Δf＝1/T＝1/NΔt；各采样点值为xr，r＝0,1,…,N-1，频域下的离散谱线为：谱线间隔频率为Δf，拟合离散频谱曲线为h(kΔf)。上述步骤3的详细内容是：令第m条谱线所对应频率为共振频率ωnj，其相邻的第m±q条谱线位置对应共振频率的邻近频率则测试结果中第j阶共振频率及其邻近频率处的频响谱线幅值为：|h脉(ωnj)|＝|h脉(mΔf)|，对应于频率为ωnj＝mΔf的谐振激励下的强迫振动响应幅值|xj(t)|；对应于频率为的谐振激励下的强迫振动响应幅值其中，Δf为频域分析频率分辨率，m表示第j阶共振频率对应的频响谱线编号，m±q表示第j阶共振频率邻近频率对应的频响谱线编号。上述步骤4中，当阻尼比较小时，根据下式计算响应比与频率比：其中，χj指第j阶共振响应幅值与按第j阶共振频率邻近频率激励下的响应幅值之比，γj指第j阶共振频率邻近频率与共振频率之比，|h脉(mΔf)|表示频率为mΔf的谐振激励下的频响谱线幅值，|h脉(m±q)Δf)|表示频率为(m±q)Δf的谐振激励下的频响谱线幅值，Δf为频域分析频率分辨率，m表示第j阶共振频率对应的频响谱线编号，m±q表示第j阶共振频率邻近频率对应的频响谱线编号；根据下式得到模态阻尼比结果：其中，ζj表示阻尼比。上述步骤4中，当阻尼比较大时，根据下式计算响应比与频率比：其中，指第j阶模态最大响应幅值与按响应峰值频率邻近频率激励下的响应幅值之比，指第j阶响应峰值频率邻近频率与响应峰值频率之比，Δf为频域分析频率分辨率，表示第j阶峰值频率对应的频响谱线编号，表示第j阶峰值频率邻近频率对应的频响谱线编号；根据下式得到模态阻尼比结果：其中，ζj表示阻尼比。采用上述方案后，本专利技术直接利用结构的振动响应进行信号分析处理及结构的模态阻尼比识别，首先对结构的激振、拾振位置进行确定，保证其既位于邻近模态的节点、节线处，亦为各阶振型下具有明显响应的位置；利用信号采集器记录拾振点的响应信号，并对其作离散傅里叶变换得到响应频谱；在此基础上提取共振(或峰值)频率及其邻近频率处的响应及频率，获得稳态响应幅值；最后根据理论推导计算频率比及响应比，完成相关参数的计算，实现结构模态阻尼比的识别。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)从频域上得到时域响应的方法，可以快速准确预报结构在谐振激励下瞬态反应完全衰减的稳态响应幅值，还可以摆脱激励频率调档、范围的限制，以及避免共振激励下对结构造成损伤，完成任意频率下的稳态响应提取，某些情况下较谐振激励试验测试精度高、干扰小、速度快。此外，根据频响函数的互易性，当激励位置不适宜激励时，还可以对拾振位置进行激励，测量激励位置的响应来等效预报拾振位置的响应特性，操作较为灵活；(2)时域响应进行傅里叶变换后得到的是频域下的离散谱线，由于受频率分辨率的限制，传统的半功率法往往难以恰好找到半功率点来估算模态阻尼比。这种仅从脉冲响应频谱中有限的离散谱线信息入手来计算阻尼比的方法，既可避免测量激励力的时域信号，又可以摆脱利用频域信息求解阻尼比时对连续频谱的依赖，操作简单迅速，且精度较高。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术实施例1中使用的船体梁模型前三阶振型图；图3是规范中规定的水面舰艇模态阻尼系数；图4是本专利技术实施例1中工况1的船艏数值计算响应频谱及稳态谐振时域响应；其中，(a)为数值计算船艏位移响应频谱，(b)为按ω1j＝mΔf＝1.055Hz激励时的船艏稳态谐振响应，(c)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，包括如下步骤：步骤1，确定结构激振‑拾振点位置；步骤2：采集拾振点时域响应信号并作频域转换；步骤3：提取稳态谐振响应幅值；步骤4，确定阻尼比计算参量：频率比和响应比，计算阻尼比，其特征在于，所述步骤3的详细内容是：令第m条谱线所对应频率为共振频率ω

【技术特征摘要】
2016.09.30 CN 20161087303931.一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，包括如下步骤：步骤1，确定结构激振-拾振点位置；步骤2：采集拾振点时域响应信号并作频域转换；步骤3：提取稳态谐振响应幅值；步骤4，确定阻尼比计算参量：频率比和响应比，计算阻尼比，其特征在于，所述步骤3的详细内容是：令第m条谱线所对应频率为共振频率ωnj，其相邻的第m±q条谱线位置对应共振频率的邻近频率则测试结果中第j阶共振频率及其邻近频率处的频响谱线幅值为：|h脉(ωnj)|＝|h脉(mΔf)|，对应于频率为ωnj＝mΔf的谐振激励下的强迫振动响应幅值|xj(t)|；对应于频率为的谐振激励下的强迫振动响应幅值其中，Δf为频域分析频率分辨率，m表示第j阶共振频率对应的频响谱线编号，m±q表示第j阶共振频率邻近频率对应的频响谱线编号。2.如权利要求1所述的一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，其特征在于：所述步骤1中，在适当位置布置传感器，以确定结构激振-拾振点位置，该适当位置指既位于邻近模态的“节点”、“节线”处，亦为各测试模态振型下具有明显响应的位置。3.如权利要求2所述的一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，其特征在于：所述传感器采用位移传感器、速度传感器或加速度传感器。4.如权利要求1所述的一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，其特征在于：所述步骤2中，使用动态信号采集仪对结构在冲击激励下的响应信号进行采集，测量拾振点动态响应时间历程曲线。5.如权利要求4所述的一种基于脉冲激励响应频谱的模态阻尼比快速计算方法，其特征在于：所述步骤2中，对信号进行频域转化时采用离散傅里叶变换，变换块的大小N为2的整数次方，记录时域信号时长T＝NΔt，采样频率1/Δt，频域分析频率分辨率Δf＝1/T＝1/NΔt；各采样点值为xr，r＝0,1,…,N-1，频域下的离散谱线为：谱线间隔频率为Δf，...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宇航，陈志坚，梅志远，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42