当测量自由度为4时,可以测量得出前4阶模态振型,5阶以上的模态振型都与这四阶相同。注意到测量自由度越多,第1阶模态振型越光滑,连续,越接近实际振型。第2阶振型也有所改善。
4个测量自由度
从这个实例我们知道模态阶数越高,结构的振型越复杂(波峰波谷数目越多),为了能唯一地识别出这些高阶模态,需要更多的测量自由度。此原理类似曲线拟合,当使用的拟合点数目越多,拟合得到的曲线越光滑,越接近实际形状。因此,测点布置的总原则是:测量自由度要足以唯一描述所有关心的模态振型。但是测点过多,虽然振型越光滑,但是测理工作更耗时间,因此,需要在时间与数据质量之间进行折衷。
另外,有一点值得注意,测量自由数不等于能测量出来的模态阶数,在这个例子中,只是一种特殊情况。通常,测量自由度≥测点数目>能测量出来的模态阶数。
3. 测量自由度布置原则
通过上一节的讨论,我们明白了测量自由度越多,振型越光滑。但实际上,要充分描述模态振型不仅跟测点数目有关,还跟测点分布有关。对于简单的结构,如杆,梁或板结构,则直接按尺寸均匀布置测点即可,如下图所示。
21
对于复杂的结构,如汽车、飞机测点布置又如何呢?下面左图为某汽车白车身测点分布图,右图为某型号飞机的测点分布图。相对而言,由于汽车飞机结构复杂,不能再简单的按尺寸均匀布置测点了,还需要考虑结构特点细节。虽然整体上不能均匀布置,但在小区域方面,如B柱,顶棚这样位置还是可以按均匀布置原则来处理。
另一方面,还要考虑关心的模态主要在哪个区域运动,如飞机,则主要关心的模态应位于机翼、尾翼和方向舵上,所以,在这些地方测点相对多些,机身上测点较少,如上面右图只用6个测点连成一条线来表示机身,这是因为机身的模态频率更高,已超出我们关心的频率频率了,此时,测点可大为减少。由于机身太庞大,机翼、尾翼和方向舵如同悬臂结构一样装配在机身上,因此,为些部件更容易出现低频模态。所以,要重点关心这些区域。
当测点分布合理时,在测点数目足够的前提下则能唯一地区分出感兴趣的各阶模态振型。因此,在考虑测点分布时,应考虑以下方面:
1)由于受结构空间位置的限制,选择测点位置时应易于测量、可达;
2)杆、梁、板等简单结构均匀布置;
22
3)复杂结构应根据结构特点来布置,局部也应尽量均匀布置;
4)着重考虑关心的模态可能出现的区域,高频模态区域可减少测点;
5)对称结构由于存在反对称模态,不能只布置结构的1/2或1/4区域;
6)通过这些分布的测点能表征出所有感兴趣的模态;
7)能表征出结构的大致形状。
因此,在考虑测点数目与分布时,要充分考虑结构特点、模态的测试要求、测点分布位置和时间进步安排等因素。使得确定的测点数目和测点分布能充分、唯一地区分出所有感兴趣的模态振型。
4. 测点不合理的影响
测点不合理可能是数目不合理,也可能是位置不合理。在这主要考虑三种情况:
1)当测点数目过少时,会造成空间混叠。空间混叠是指空间上布置的测点数目过少,造成多阶(≥2)模态振型相似程度高,不能唯一地区分出关心的各阶模态振型。空间混叠表现是高阶模态振型混叠成低阶模态振型,有点类似频率混叠,高频混叠成了低频。如下图所示,由于测点太小,导致第7阶与第1阶混叠了。
23
2)只测量结构的一部分。只测试结构的一部分,可能会出现有多阶振型非常相似,从振型上区分不开这些模态。因为,没有测点的那部分区域,可能是这些模态振型的区分区域,测量的区域在这些振型中又非常相似。所以,会导致多阶振型区分不开。没有测量的区域,类似拿布遮盖起来,是不知道它的具体振型样子的。
3)多层结构中有些层没有测点分布。多层结构,有些层因为测点无法布置而没有测量时,会导致出现多阶相同的模态振型。这与第2点相类似,但又有自身的特点,因此,在这单独作为一点。多层结构会出现层与层之间同步与异步的振型,如果只测量一些层,而不是全部,则分辨不出这些同步与异步的振型。如下图所示的结构,为二层平板结构,当只测上面一层时,前2阶模态振型是完全相同的,而区分在于第二层平板。1阶振型二层平板是同步的,2阶振型二层平板是异步
的。因此,只测量上面一层是无法区别这两阶模态振型的。
24

