一、背景
每测试设备和运动模拟设备通常是机、电、光、液、气、计算机等各种高技术综合的产品。机械结构是设备的基础。在工作中，我们曾多次遇到控制系统频率特性的中频段中有某些较大的峰值影响系统调试.经分析研究发现，这些峰值是与结构固有频率有关。为此，希望在系统设计阶段就知道结构特性参数，以便在系统调试时采取措施满足系统特性要求。同时更希望按控制系统要求的结构特性设计结构，例如，机械结构的一阶固有频率希望是系统带宽的5一10倍。
传统的以静载方式为基础的设计方法已不能适应当前的需要。近年来发展了两种有效的考虑动载荷的方法，即有限元计算方法和试验模态分析方法.在国内外，这两种方法已普遍应用于航空、航天、航海、机械工程、汽车、桥梁等领域及各种工程中。然而，在惯导测试设备和运动模拟设备行业中，尚未见到应用试验模态分析法解决结构动态参数识别问题的资料。
过去对结构动态特性的研究重视不够，当系统调试发现问题时，结构已定型，要修改结构已为时过晚。为避免这种现象的复现，我们对惯导设备的某些关键件，如框型件、叉型件等用模态分析法对其在不同边界条件下的动态参数(频率、阻尼、振型)进行了识别，这就为系统调试提供了试验依据.与此同时，还发现了结构设计中的问题，为改进结构设计指出了方向。
二、模态试验
1.试脸原理粤
试验棋态分析法是通过试碑方法激励结构，并采集激励和响应信号，通过对所采信号的傅式变换得到其频域表示形式一傅式谱，再由此得到响应与激励谱之比，即传递函数(频率响应函数)，它含有结构动态特性的信息.据此，可利用各种识别方法从传递函数中求得被测结果的模态参数(频率、阻尼及振型).实现模态分析有两种手段:一种是全硬件化的专用结构分析仪，另一种是软、硬件的以微机为中心的模态分析系统。
出于经济考虑，我们采用以徽机为中心的模态分析系统，以识别惯导设备框型件和叉型件的结构动态今数，其工作原理如图l所示。
2.几何模型的建立诊
在进行模态分析前，首先要将构件或机械系统简化成几何模型，向计算机输入几何模型的结构形状、尺寸大小、座标系及侧t点的数据，作为采集数据和模态分析的原始参数.框型件和叉型件的几何模型如图2、图3所示。
3.试验分析方法
我们采用的数据采集系统是双通道动态数据采集系统，故用单点激振、单点响应的办法采集信号。具体做法是，每次重复用力锤敲击构件上的某一固定点来激励构件，同时依次按几何模型所确定的测量点1、2、3.··…的顺序，将加速度计逐点固定在构件的测量点上。在每个测t点上，改变加速度计敏感轴的方向，分别测量该测量点沿x、y、z三个座标轴方向各次激励的加速度响应值.将每次的力(激励)和相应的加速度(响应)信号输入双通道动态数据采集及分析系统中进行FFT分析，并求出传递函数。取三次激励和响应的均值作为每一测量方向上传递函数的原始参数。用单自由度或多自由度拟合方法识别出模态参数。通过活化软件程序，在计算机屏幕上形象地显示出构件的振动情况。测量点数及位置视构件大小、形状及振形要求凭经验确定。
模态试验数据采集及分析的工作量较大，例如对框型件取24个测量点(见图2)，每点测x、y、:三个方向上的加速度，则加速度计需换72个位置，每个方向测三次取平均值。框型件需采集216次数据(即用力锤敲击构件216次)，才能完成框型件模态分析的数据采集工作。有时，根据分析情况还需重新调整测量点的点数和位置。舍去较差的数据重新采集数据，这些都要有一定的经验才能做到。
三、试验分析结果
按上述试验分析方法对框型件和叉型件在自由状态(构件与基座之间通过软橡胶连结)和实际工作状态(构件通过轴承与基座连结)下进行模态参数测试，获得了如下试验分析结果。下列各图形表示的阶数是构件在各种状态下按频率由低到高的顺序排列的.比较模态参数时，只能对同性质的振动(例如扭振)进行比较，而不是对同阶数的振动进行比较。
1.框型件在自由状态下的各阶模态参数(取三阶)
一阶模态振型:x、y面内对角拉压，见图4。
2.框型件在实际工作状态下的各阶模态参数(取二阶)
一阶模态振型::向扭振，如图7所示.
3.又型件在自由状态下的各阶模态参数(取四阶)
一阶模态振型:两叉弯振、反向，见图9。
4.又型件在实际工作状态下的各阶模态参数
一阶、二阶模态为刚体平行移动和转动，故不属本试验讨论的内容.在此列出又型件三~五阶模态参数。
从试验分析结果可看出，构件在实际工作状态比自由状态下的振动复杂。自由状态下的各阶振动比较单纯，拉、压、弯、扭振型比较清晰。实际工作状态下存在运动招合.有时难以确定振动性质，图9、10就是很好的说明。运动中除了弹性运动外还有刚1乍运动，如何分离各种运动是个难题。
在惯导测试设备和运动模拟设备中，我们比较关心的是结构绕某根轴的扭振。表l列出了框型件和叉型件在两种状态下的模态参数的比较。
从表l可看出，同一构件、同一类型的振动在不同工作状态下的模态参数有差异。原因之一是实际工作状态下构件上安装有轴及其它机电元部件，致使被测构件的转动惯扭增大.结构刚度局部发生变化。其次是构件的边界条件发生变化，实际工作状态引入较大的摩擦力矩，在叉型件中尤为突出。这就是我们要开展试验模态分析工作的缘由之一。
另一缘由，通常在用有限元法进行理论计算时存在两个需要解决的问题:一是如何证明其响应计算结果是正确的，因为建模过程中做了许多简化似设;二是在求响应时需要知道阻尼，而该参数用有限元法是无法确定的.模态试验分析法恰好可以用来解决上述两个问题，即用它来识别模态参数，以便检验有限元模型的正确性(否则需要修改模型)，最终又使用有限元模型去计算各种动载荷下的应力和位移。
通过模态参数的识别还可发现结构设计中存在的一些问题，如连接刚度薄弱、质量布局不合理等结构设计中的缺陷，从而为改进结构设计提供试验依据，指出方向。这是试验模态研究的缘由之三.
四、模态分析的置信度
模态参数识别的置信度是人们普遍关注的问题.对此，我们进行了验证。
通过对电控系统频率特性(包括被测构件在内)的测试，从幅频特性中找到了构件的某阶固有频率。例如，框型件在实际工作状态下通过试验模态分析得出的扭振频率为297.SHz，而在电控系统的频率特性曲线的许多峰值中有一个峰值对应的频率为297.SH:。、该频率就是框型件的扭振固有频率。可见模态分析有一定的置信度。
五、结论和问题
1.通过对框型件、叉型件的模态试验识别出模态参数，从而证明以微机为中心的模态分析系统，可以用来解决惯导设备构件及机械系统模态参数(频率、阻尼、振型)的识别问题。
2.惯导测试设备和运动模拟设备多为旋转运动，人们更关心的是结构扭振问题，然而，有关扭振的激励仪器(力偶发生器)及响应仪器(角加速度传感器)都未能得到很好的解决。另外，设备中存在着大摩擦力矩，会产生较大的非线性问题。这些问题都有待于从事模态分析的理论和实际工作者进一步解决。
3.惯导设备是复杂的机械系统，多自由度机械系统存在运动辆合问题。运动分离是个难题，有待于进一步探讨。
参考资料
〔l〕李德葆，“振动测试与应变电测基础”，清华大学出版社。
〔2〕何世德，“工程信号分析处理的基本原理及应用”，重庆大学测试中心，1987年4月。
〔3〕〔美〕c·格林编，“振动手册”，强度与环境编辑部，1982年。
