一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置及方法
2023-05-17 18:17:51
一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置及方法
【專利摘要】本發明屬于振動測試【技術領域】，具體是一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置及方法；該裝置包括：脈衝激勵裝置、振動臺、功率放大器、數據採集分析儀、雷射測振儀和上位機；硬塗層複合結構固定安裝在振動臺的檯面上；脈衝激勵裝置的輸出端連接數據採集分析儀的一個輸入端，數據採集分析儀的另一個輸入端連接雷射測振儀的輸出端，數據採集分析儀的一個輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大器的輸出端連接振動臺，數據採集分析儀的另一個輸出端連接上位機。該方法可有針對性地、高效地完成硬塗層複合結構振動參數的測試，用於定量評判硬塗層阻尼的減振效果，客觀評價硬塗層複合結構的非線性剛度及阻尼特性。
【專利說明】一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于振動測試【技術領域】，具體涉及一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]硬塗層是由金屬基和陶瓷基做成的塗層材料，具有較高硬度同時又可以耐高溫、耐腐蝕，近年來的研究發現硬塗層還具有阻尼減振的效果。硬塗層阻尼減振尤其適用於航空發動機、燃氣輪機、汽輪機、大型離心壓縮機中的薄壁構件的減振。硬塗層塗敷在薄壁構件外表面，從而形成硬塗層複合結構。為了有效實施硬塗層阻尼減振，需要對硬塗層複合結構的剛度及阻尼參數進行有效測試，測試結果可用於硬塗層減振機理分析以及對塗層阻尼減振效果進行評價。
[0003]在硬塗層應用實踐中，研究者們發現硬塗層複合結構的剛度及阻尼參數通常會隨著激振力幅度的增加而改變，即表現出具有振幅依賴性的非線性特性。具體表現為:硬塗層複合結構的固有頻率會隨著激振力幅度的不同而改變，頻響函數也不再對稱於固有頻率:在較大的激勵幅度下還會表現出非線性跳躍現象。針對硬塗層複合結構這些特點，由經典線性振動理論所研發的商用振動測試系統已無法有效辨識出上述硬塗層複合結構的非線性剛度及阻尼。
【發明內容】
[0004]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置及方法。
[0005]本發明的技術方案是:
[0006]一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置，包括:脈衝激勵裝置、振動臺、功率放大器、數據採集分析儀、雷射測振儀和上位機；
[0007]所述硬塗層複合結構固定安裝在振動臺的檯面上；
[0008]所述脈衝激勵裝置的輸出端連接數據採集分析儀的一個輸入端，數據採集分析儀的另一個輸入端連接雷射測振儀的輸出端，數據採集分析儀的一個輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大器的輸出端連接振動臺，數據採集分析儀的另一個輸出端連接上位機。
[0009]所述脈衝激勵裝置和振動臺均用於激勵硬塗層複合結構使其發生振動。
[0010]所述雷射測振儀用於獲取硬塗層複合結構的振動響應信號，並將振動響應信號傳送至數據採集分析儀。
[0011]所述功率放大器用於將數據採集分析儀輸出的激勵信號進行放大，並將放大後的激勵信號傳送至振動臺。
[0012]所述數據採集分析儀用於採集脈衝激勵裝置的脈衝激勵信號和雷射測振儀獲取的硬塗層複合結構的振動響應信號發送至上位機，還用於通過雷射測振儀採集振動臺激勵硬塗層複合結構時的振動響應信號。[0013]採用所述的測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置來測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的方法，包括以下步驟:
[0014]步驟1:脈衝激勵裝置激勵硬塗層複合結構使其產生振動，通過數據採集分析儀實時採集脈衝激勵裝置的脈衝激勵信號並傳送給上位機，同時，雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的振動響應信號通過數據採集分析儀傳送給上位機；
[0015]步驟2:上位機對脈衝激勵信號和振動響應信號進行快速傅立葉變換，並獲得硬塗層複合結構的振動響應信號相對於脈衝激勵信號的頻響函數；
[0016]步驟3:根據獲得的頻響函數確定硬塗層複合結構的各階固有頻率初步值和各階固有頻率初步值對應的頻響峰值；
[0017]步驟4:根據硬塗層複合結構的各階固有頻率初步值和各階固有頻率初步值對應的頻響峰值採用半功率帶寬法計算各階模態阻尼比初步值，進而計算出各階線性剛度；
[0018]步驟5:根據硬塗層複合結構的某階固有頻率初步值，選取判別掃頻激勵方向的頻率範圍，該頻率範圍包含當前階固有頻率初步值，在判別掃頻激勵方向的頻率範圍內，判斷硬塗層複合結構的剛度非線性類型，進而確定掃頻激勵方向；
[0019]步驟5.1:在上位機中設定掃頻激勵幅度初始值和掃頻速度，數據採集分析儀發出正弦掃頻激勵信號，該正弦掃頻激勵信號經功率放大器放大，放大後的正弦掃頻激勵信號發送至振動臺，振動臺按任意掃頻激勵方向以正弦掃頻激勵的形式激勵硬塗層複合結構；
[0020]步驟5.2:在設定的激勵幅度初始值下，雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的振動響應信號，並將振動響應信號通過數據採集分析儀發送給上位機；同時，上位機採用分時快速傅立葉變換方法獲得頻域響應曲線；
[0021]所述採用分時快速傅立葉變換方法獲得頻域響應曲線，具體按如下步驟進行:
[0022]步驟5.2.1 ;數據預處理:對硬塗層複合結構的振動響應信號採用最小二乘法進行平滑和零點修正處理，剔除振動響應信號中的噪聲成分；
[0023]步驟5.2.2:劃分時間段；將振動響應信號劃分為若干時間段，把振動響應信號對應的振動響應數據轉換為若干時間段內的振動響應數據；
[0024]步驟5.2.3 ;快速傅立葉變換:對每個時間段的振動響應信號進行快速傅立葉變換，並進行加窗處理，將各段的振動響應數據從時域轉換到頻域上；
[0025]步驟5.2.4:繪製頻域響應曲線:在判別掃頻激勵方向的頻率範圍內，將每個時間段的快速傅立葉變換後的振動響應數據對應的頻率作為X軸，不同時間段的振動響應的峰值作為I軸，經插值平滑處理後得到掃頻激勵對應的頻域響應曲線；
[0026]步驟5.3:在上位機中按照線性遞增或線性遞減的方式，依次設置若干激勵幅度，重複步驟5.1至步驟5.2，獲得不同激勵幅度下的頻域響應曲線；
[0027]步驟5.4:在不同激勵幅度下，頻域響應曲線的響應峰值對應不同當前階固有頻率，根據當前階固有頻率隨激勵幅度的變化規律來判斷硬塗層複合結構的剛度非線性類型，進而確定掃頻激勵方向:若隨著激勵幅度的增加，當前階固有頻率不斷降低，則硬塗層複合結構為軟式剛度非線性結構，需採用由高到低掃頻激勵方向的掃頻激勵；若隨著激勵幅度的增加，當前階固有頻率不斷增大，則硬塗層複合結構為硬式剛度非線性結構，需採用由低到高掃頻激勵方向的掃頻激勵；[0028]步驟6:以步驟5中判別出的掃頻激勵方向，對硬塗層複合結構進行掃頻激勵，獲得不同激勵幅度下的硬塗層複合結構各階次對應的頻域響應曲線，進而獲得不同激勵幅度下的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值；
[0029]步驟6.1:根據硬塗層複合結構的各階固有頻率初步值，按照模態階次劃分出分別包含各階固有頻率初步值的掃頻頻率範圍，每個階次的掃頻頻率範圍中包含該階固有頻率初步值；
[0030]步驟6.2:在上位機中重新設定激勵幅度初始值，並設定掃頻速度，設定的掃頻速度小於最大掃頻速度；
[0031 ] 所述掃頻速度S滿足下式:
[0032]S < Sm= ζη2/；
[0033]式中，S為掃頻速度，Hz/s ；Sm為最大掃頻速度，Hz/s ; ζη為第η階的模態阻尼比初步值；fn為第η階固有頻率初步值，Hz ；
[0034]步驟6.3:以步驟5中判別出的掃頻激勵方向，激勵硬塗層複合結構產生振動，雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的各階掃頻頻率範圍內的振動響應信號，並通過數據採集分析儀將各階振動響應信號傳送給上位機；
[0035]步驟6.4:按照線性遞增或線性遞減的方式，依次設置各階次對應的若干激勵幅度，在不同激勵幅度下的雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的振動響應信號，並將振動響應信號通過數據採集分析儀發送給上位機；同時，上位機採用分時快速傅立葉變換方法獲得各階次對應的不同激勵幅度下的頻域響應曲線，進而獲得硬塗層複合結構的不同激勵幅度下的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值；
[0036]步驟7:根據步驟3確定的各階固有頻率初步值、步驟4計算出的各階線性剛度和步驟6得到的不同激勵幅度下的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值，計算硬塗層複合結構各階固有頻率下的非線性剛度和非線性阻尼；
[0037]步驟7.1:根據步驟3確定的各階固有頻率初步值、步驟4計算出的各階線性剛度、步驟6得到的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值，獲得第η階固有頻率對應的非線性剛度；
[0038]第η階固有頻率對應的非線性剛度ξ表示如下:
[0039]kn =ZcJl+ Φ( X))
[0040]式中，kn為第η階固有頻率對應的線性剛度，Φ⑴為第η階固有頻率對應的振動響應峰值函數，通過對第η階固有頻率初步值、不同激勵幅度對應的第η階固有頻率和不同激勵幅度下第η階振動響應峰值的數據進行處理，採用多項式擬合方法獲得；Χ為不同激勵幅度下第η階固有頻率對應的振動響應峰值；
[0041]步驟7.2:判斷第η階固有頻率下的硬塗層複合結構的剛度非線性的強度:若頻域響應曲線對稱軸的一側的曲線出現陡峭的斜坡，則硬塗層複合結構為強剛度非線性結構；否則硬塗層複合結構為弱剛度非線性結構；
[0042]步驟7.3:根據步驟7.2判斷獲得的剛度非線性的強度結果，計算硬塗層複合結構的第η階固有頻率對應的非線性模態阻尼比，ξ (/ = 1，2，3)為不同強度的剛度非線性結構對應的非線性模態阻尼比；
[0043]若硬塗層複合結構為強剛度非線性結構且為硬式剛度非線性結構，則其對應的非線性模態阻尼比I公式如下:
【權利要求】
1.一種測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置，其特徵在於:包括:脈衝激勵裝置、振動臺、功率放大器、數據採集分析儀、雷射測振儀和上位機: 所述硬塗層複合結構固定安裝在振動臺的檯面上； 所述脈衝激勵裝置的輸出端連接數據採集分析儀的一個輸入端，數據採集分析儀的另一個輸入端連接雷射測振儀的輸出端，數據採集分析儀的一個輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大器的輸出端連接振動臺，數據採集分析儀的另一個輸出端連接上位機。
2.根據權利要求1所述的測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置，其特徵在於:所述脈衝激勵裝置和振動臺均用於激勵硬塗層複合結構使其發生振動。
3.根據權利要求1所述的測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置，其特徵在於:所述雷射測振儀用於獲取硬塗層複合結構的振動響應信號，並將振動響應信號傳送至數據採集分析儀。
4.根據權利要求1所述的測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置，其特徵在於:所述功率放大器用於將數據採集分析儀輸出的激勵信號進行放大，並將放大後的激勵信號傳送至振動臺。
5.根據權利要求1所述的測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置，其特徵在於:所述數據採集分析儀用於採集脈衝激勵裝置的脈衝激勵信號和雷射測振儀獲取的硬塗層複合結構的振動響應信號發送至上位機，還用於通過雷射測振儀採集振動臺激勵硬塗層複合結構時的振動響應信號。
6.採用權利要求1所述的測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的裝置來測試硬塗層複合結構非線性剛度及阻尼的方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟1:脈衝激勵裝置激勵硬塗層複合結構使其產生振動，通過數據採集分析儀實時採集脈衝激勵裝置的脈衝激勵信號並傳送給上位機，同時，雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的振動響應信號通過數據採集分析儀傳送給上位機； 步驟2:上位機對脈衝激勵信號和振動響應信號進行快速傅立葉變換，並獲得硬塗層複合結構的振動響應信號相對於脈衝激勵信號的頻響函數； 步驟3:根據獲得的頻響函數確定硬塗層複合結構的各階固有頻率初步值和各階固有頻率初步值對應的頻響峰值； 步驟4:根據硬塗層複合結構的各階固有頻率初步值和各階固有頻率初步值對應的頻響峰值採用半功率帶寬法計算各階模態阻尼比初步值，進而計算出各階線性剛度； 步驟5:根據硬塗層複合結構的某階固有頻率初步值，選取判別掃頻激勵方向的頻率範圍，該頻率範圍包含當前階固有頻率初步值，在判別掃頻激勵方向的頻率範圍內，判斷硬塗層複合結構的剛度非線性類型，進而確定掃頻激勵方向； 步驟5.1:在上位機中設定掃頻激勵幅度初始值和掃頻速度，數據採集分析儀發出正弦掃頻激勵信號，該正弦掃頻激勵信號經功率放大器放大，放大後的正弦掃頻激勵信號發送至振動臺，振動臺按任意掃頻激勵方向以正弦掃頻激勵的形式激勵硬塗層複合結構；步驟5.2:在設定的激勵幅度初始值下，雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的振動響應信號，並將振動響應信號通過數據採集分析儀發送給上位機；同時，上位機採用分時快速傅立葉變換方法獲得頻域響應曲線； 所述採用分時快速傅立葉變換方法獲得頻域響應曲線，具體按如下步驟進行:步驟5.2.1:數據預處理:對硬塗層複合結構的振動響應信號採用最小二乘法進行平滑和零點修正處理，剔除振動響應信號中的噪聲成分； 步驟5.2.2:劃分時間段:將振動響應信號劃分為若干時間段，把振動響應信號對應的振動響應數據轉換為若干時間段內的振動響應數據； 步驟5.2.3:快速傅立葉變換:對每個時間段的振動響應信號進行快速傅立葉變換，並進行加窗處理，將各段的振動響應數據從時域轉換到頻域上； 步驟5.2.4:繪製頻域響應曲線:在判別掃頻激勵方向的頻率範圍內，將每個時間段的快速傅立葉變換後的振動響應數據對應的頻率作為X軸，不同時間段的振動響應的峰值作為I軸，經插值平滑處理後得到掃頻激勵對應的頻域響應曲線； 步驟5.3:在上位機中按照線性遞增或線性遞減的方式，依次設置若干激勵幅度，重複步驟5.1至步驟5.2，獲得不同激勵幅度下的頻域響應曲線； 步驟5.4:在不同激勵幅度下，頻域響應曲線的響應峰值對應不同當前階固有頻率，根據當前階固有頻率隨激勵幅度的變化規律來判斷硬塗層複合結構的剛度非線性類型，進而確定掃頻激勵方向:若隨著激勵幅度的增加，當前階固有頻率不斷降低，則硬塗層複合結構為軟式剛度非線性結構，需採用由高到低掃頻激勵方向的掃頻激勵；若隨著激勵幅度的增加，當前階固有頻率不斷增大，則硬塗層複合結構為硬式剛度非線性結構，需採用由低到高掃頻激勵方向的掃頻激勵； 步驟6:以步驟5中判別出的掃頻激勵方向，對硬塗層複合結構進行掃頻激勵，獲得不同激勵幅度下的硬塗層複合結構各階次對應的頻域響應曲線，進而獲得不同激勵幅度下的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值； 步驟6.1:根據硬塗層複合結構的各階固有頻率初步值，按照模態階次劃分出分別包含各階固有頻率初步值的掃頻頻率範圍，每個階次的掃頻頻率範圍中包含該階固有頻率初步值； 步驟6.2:在上位機中重新設定激勵幅度初始值，並設定掃頻速度，設定的掃頻速度小於最大掃頻速度； 所述掃頻速度S滿足下式:
S < sm =C112,^ 式中，S為掃頻速度，Hz/s ；Sm為最大掃頻速度，Hz/s ; ζ n為第η階的模態阻尼比初步值；fn為第η階固有頻率初步值，Hz ； 步驟6.3:以步驟5中判別出的掃頻激勵方向，激勵硬塗層複合結構產生振動，雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的各階掃頻頻率範圍內的振動響應信號，並通過數據採集分析儀將各階振動響應信號傳送給上位機； 步驟6.4:按照線性遞增或線性遞減的方式，依次設置各階次對應的若干激勵幅度，在不同激勵幅度下雷射測振儀實時採集硬塗層複合結構的振動響應信號，並將振動響應信號通過數據採集分析儀發送給上位機；同時，上位機採用分時快速傅立葉變換方法獲得各階次對應的不同激勵幅度下的頻域響應曲線，進而獲得硬塗層複合結構的不同激勵幅度下的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值； 步驟7:根據步驟3確定的各階固有頻率初步值、步驟4計算出的各階線性剛度和步驟6得到的不同激勵幅度下的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值，計算硬塗層複合結構各階固有頻率下的非線性剛度和非線性阻尼； 步驟7.1:根據步驟3確定的各階固有頻率初步值、步驟4計算出的各階線性剛度、步驟6得到的各階固有頻率及其對應的振動響應峰值，獲得第η階固有頻率對應的非線性剛度； 第η階固有頻率對應的非線性剛度ξ表示如下:
【文檔編號】G01N3/32GK103528901SQ201310507793
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】孫偉, 韓清凱, 李暉, 羅忠, 翟敬宇, 王嬌 申請人:東北大學