基于LMS Test.lab系统的云台台体结构试验模态分析

1、2009 年 LMS 中国用户大会论文集基于 LMS Test.lab 系统的云台台体结构试验模态分析王卿黄金威王继承（航天第九研究院第十六研究所，西安 710100）摘要：为了更好的设计和改善结构的动态特性，从而提高产品及工程的质量，本文以结构模态试验及分析的理论知识为基础，基于 LMS Test.lab 系统并应用激振器及锤击两种方法对某型号云台台体结构进行了试验模态分析，得到了结构在 02000Hz 内的各阶固有频率和振型，为今后云台台体结构的优化设计和动力学分析奠定了基础。关键词：LMS台体模态试验分析1 概述云台是安装于某型号无人机上用于搭载摄像系统的平台系统，其在实际工作时，要求具

2、有较强的刚度、稳定的支撑力，使摄像系统可以安全可靠的工作。但是，其工作的实际环境中不仅存在高能量、宽频带随机激励振动，而且存在加速度过载、航向姿态不断变化等条件。在这种复杂的工作环境中，就云台结构系统而言，振动是对其性能影响最大、涉及面最广的主要有害因素。而云台台体不仅是整个结构系统的主要组成部分，也是云台系统工作的基准和承载基础。传统的结构分析方法已不能满足新型号结构动态设计的要求。因此，应用 LMS Test.lab 系统对云台台体结构进行模态试验，对其本身的固有动态特性进行分析，并提出相应的结构优化措施是本文研究的重点。2 云台台体结构外型及测试仪器云台台体结构如图 1 所示，主要由上下

3、两个安装平台和中间的连接肋组成（如图 2 中所示），是陀螺仪等精密惯性器件的安装和定位基础，受到质量和空间的限制，结构设计相对比较单薄，为了获得最优的动态性能，对其进行了结构模态试验，测试仪器如表 1 所示：表 1测试仪器及设备序号设备名称型号数量生产厂家备注1LMS Scadas III3051LMSPQAII*2，共 16 通道2激振器1PCB3力锤1PCB4模态传感器3PCB3 向5分析系统Test.Lab1LMS- 1 -2009 年 LMS 中国用户大会论文集图 1 云台台体结构三维示意图3 试验模态分析原理概述试验模态分析又称模态分析的试验过程，是理论模态分析的逆过程。首先，试验测

4、得激励和响应的时间历程，运用数字信号处理技术求得频响函数（传递函数）或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型；其次，运用参数识别方法，求得系统的模态参数（模态质量、模态阻尼等参数）；最后，如果有必要，进一步确定系统的物理参数（系统的质量、刚度、阻尼等）。因此，试验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段进行结构系统识别的过程。上述过程中，模态参数识别是试验模态分析的核心，模态参数识别就是采用实测频域数据通过某种误差准则极小的优化算法，确定结构系统的模态参数。目前，常用的算法为最小二乘法，优化的准则为使实测的频率响应函数值与数学模型对应值的总方差极小。由于有限元模态

5、分析的模型对结构或多或少做了简化，这些简化是否合理、简化的结构是否能反映真实的结构，应用试验模态分析对其进行验证是最可靠性的方法之一。4 结构几何建模、传感器的布置及试验方法4.1 结构几何建模及传感器的布置云台台体结构在 Test.Lab 系统中的几何建模如图 2 所示，由于台体本身的变形将直接影响陀螺仪的安装精度和可靠性。为了较好地观察台体结构的振型，试验模型布置了多个点（共 129个点），每个点上均布置传感器。- 2 -2009 年 LMS 中国用户大会论文集图 2 被试件结构试验模型4.2 结构支撑本次试验所进行的是结构件在自由边界条件下的模态测试，所以试验中将待测结构用弹性绳悬吊起来

6、，使结构具有较低的支撑刚度和阻尼，同时悬挂点尽可能选在结构的模态节点附近。4.3 两种激励方法及优缺点试验中采用单点激励多点响应的方法，激励方式选择了锤击法和激振器激励两种方法，激振点的位置尽量避免选在结构前几阶模态的节点处，以免丢失模态。激振器激励采用的信号为猝发随机，锤击采用脉冲激励。用激振器对结构件进行激励，优点在于激励力大小稳定，但是由于结构件质量较轻，相对而言激振器的刚度比较大，结构件不能完全自由，所以结果有一定的误差。而力锤激励的优点是不给结构附加任何质量，不会影响结构的动特性，但缺点是激励力大小的重复性不易保证，而且，激励力的能量量级和频率展宽取决于操作者用力的大小、力锤的重量、

7、锤头的硬度以及结构上被敲击点的可塑性。4.4 试验框图综上所述，试验系统的框图如图 3 所示：图图 3试验系统框图5试验结果及分析- 3 -2009 年 LMS 中国用户大会论文集5.1 集总传递函数激振器激励试验中使用的测试软件为 Test.Lab 系统中的 Spectral Acquisition 模块，锤击法激励试验中使用的测试软件为 Modal Impact,分析软件均为 Modal Analysis。前者所选频带为0-3200Hz，后者为 0-2048Hz，得到各点的集种传递函数如图 4 所示：图 4（a）激振器激励-云台台体结构各测点集总传函图 4（b）锤击法激励-云台台体结构各测

8、点集总传函5.2 云台台体结构的固有模态两种方法试验后的云台台体结构前 8 阶固有模态如表 2 所示：表 2 云台台体结构前 8 阶固有模态- 4 -2009 年 LMS 中国用户大会论文集阶数12345678激振器激励频率（Hz）4245536749631000146717241915锤击法激励频率（Hz）4427721030144016701949注：从表 2 可以看出两种方法的试验结果有一定的误差，这是由于应用图 1 所示的结构模型进行锤击法激励试验时，只测试了所关心的 61 个点，激励频带也只有 02048Hz，可能有两阶模态丢失，但其他阶模态的一致性说明试验的重复性和可靠性较好。5.

9、3 云台台体结构的振型分析5.3.1 激振器激励云台台体结构振型应用激振器激励后，云台台体结构的各阶振型如图 5 所示：（1）第 1、2 阶模态振型出现在 420Hz 和 550Hz 左右，主要变形为台体上下安装板的弯曲振动，且第 2 阶结构安装板变形较大，第 3 阶振型在 674Hz 左右，主要变形为台体上安装板的弯曲振动；第 4 阶振型在 963Hz 左右，主要变形为云台台体上安装板的弯曲和扭摆，带动两个轴连接处的上下振动；但这 4 阶模态表现出陀螺安装位置的刚度较好。图 5（a）激振器激励-云台台体结构第 14 阶振型（由左至右）（2）第 5 阶振型出现在 1000Hz 左右，和第 3

10、阶振型相似，但振幅相对较小；第 6 阶振型出现在 1467Hz 左右，主要变形为台体两轴安装处的扭曲振动，带动陀螺安装面弯曲摆动；第 7 阶振型出现在 1724Hz 左右，振型为台体一侧轴安装处的扭动；第 8 阶模态振型出现在 1915Hz 左右，其主要变形也为台体两轴安装处的扭曲振动，但是对陀螺安装面的影响较大，带动其扭曲振动。图 5（b）激振器激励-云台台体结构第 58 阶振型（由左至右）4.3.1 锤击法激励云台台体结构振型锤击法激励后，云台台体结构的各阶振型如图 6 所示：- 5 -2009 年 LMS 中国用户大会论文集图 6（a）锤击法激励-云台台体结构第 1、3、5、6 阶振型（

11、由左至右）图 6（b）锤击法激励-云台台体结构第 7、8 阶振型（由左至右）6结论从图 5 和图 6 对应的振型图可以看出两种方法激励后，台体结构的振型基本一致，得出以下结论：（1） 云台台体结构上陀螺安装部位的刚度较好，其在动态环境中的相对变形量级基本不会影响陀螺的安装稳定性；（2） 云台台体上、下安装面是结构中变形较大的部位，也是台体结构动态特性最活跃的部位；（3） 云台台体结构左右两端经轴连接至云台框架的部位在低频段的动态特性良好，在高频段的振动变形较大；（4） 从图中还可以看出，台体在 400500Hz 和 1300-1400Hz 频段内的两阶模态响应相对其它模态的响应较大。所以，台体在优化设计时，应优先加强台体上下安装板的动态特性，且应根据台体的具体使用环境和