模态试验攻略——乔剑峰版

轮胎模态试验攻略乔剑峰汽研11班2012/12/19由于软、硬件技术的飞速发展，现在进行模态试验已经变得非常简单和方便。但是要想利用试验设备得到正确和准确的试验结果还是需要一定的试验技巧。我并没有做很多的轮胎模态试验，所以只是有一些很粗浅的认识，这里整理成文档，希望对后续的师弟师妹们有所帮助，也希望后续的师弟师妹们能够不断的把自己的经验体会添加到文档中。一、轮胎的模态在做轮胎模态试验之前，首先要对轮胎的模态有简单的认识，这样在做试验和数据处理时会得心应手。不同轮胎的模态参数肯定是不一样的，可是他们的振型是大体相似的，可以互相借鉴和参考。轮胎的模态主要存在于两个方向即径向和侧向，切向在我们研究的频率阶段一般只存在R0（R0下文会有说明），这是由于相比径向和侧向，轮胎的切向刚度会很大，这也是为什么弦模型和环模型一般都假设胎面不可伸长的原因。在TMPT的文档里，轮胎前几阶模态的振型和模态参数分别如下：切向径向侧向轮胎R指的是径向的模态，T指的是侧向的模态（TMPT将R0归到径向模态中，但实际上应该归类到切向模态更合适）。TMPT给出的各阶模态参数如下表：前面也说过，轮胎的振型是可以参考的(但是要注意TMPT是在轮辋固定条件下做的试验)，但模态参数和各阶模态出现的先后顺序会因为轮胎不同而出现差异。比如实际中就完全可能出现R1的频率比R0的频率低的情况。但是轮胎振型大约就是这些，在数据处理的时候可以对照这些振型来挑选数据。二、试验注意事项和软硬件的使用首先来说试验方法，大约分为硬件准备工作，软件准备工作和试验三部分内容。硬件准备工作相对简单，主要是贴传感器，现在一般使用454胶水将传感器直接贴到轮胎上。传感器价格很昂贵，所以一定要爱护使用，千万不要磕碰。贴好传感器后用数据线将传感器和数据采集设备连接。轮胎模态试验现在一般采用力锤激励的方法，力锤的前端有力传感器，实验室现在使用的这个力传感器的灵敏度为3.92mV/N（所以电荷放大器的灵敏度要调到1～11那一档，而不是0.1～1档）。力传感器通过电荷放大器和数据采集设备连接。电荷放大器用内部安装的三个1号电池供电，所以不做试验时要关闭电荷放大器以节省电源。试验室目前拥有未损坏的三向传感器10个，单向传感器9个，它们的编号和灵敏度如下表：编号灵敏度(Mv/g)三向传感器106912X:104.9Y:95.2Z:102.4106916X:103.7Y:104.9Z:98.995662X:Y:Z:106915X:100.6Y:101.8Z:103.8106209X:100.5Y:102.6Z:103.0106207X:103.3Y:102.1Z:102.5106590X:100.3Y:107.6Z:104.1106913X:96.6Y:100.0Z:94.259719X:105.3Y:101.2Z:97.0106853X:100.5Y:104.4Z:103.8单向传感器2082999.420760102.820761103.220757106.420762106.420758106.422347109.020756104.238009*没有标注灵敏度的传感器是由于没有找到相应传感器的灵敏度下面介绍软件的使用情况，实验室现在采用的是LMS的数据采集及分析系统，软件也是LMS提供的软件，LMS使用简单，入门也很容易。软件打开之后进入ImpactTesting模块,一般先打开Geometry模块来建立几何模型.一般轮胎模态试验的几何模型很简单,就是一个环模型.节点可以通过屏幕上方的Nodes来建立,节点的数量由试验时传感器的数量决定（试验时一定要在轮轮上布置测点以检测轮辋的运动）,之后用Lines将节点连接起来。建模时采用柱坐标会比较方便这样得到的振型就是径向、切向和侧向的。已经建立的几何模型如下图.之后回到下方工具条显示的ChannelSetup进行设置上图中红圈标识出来的选项都需要设置,使用哪个通道就要在OnOff选项中勾选该通道,力锤的通道要勾选Reference,因为计算频响函数时,力锤信号要当作输入计算。Direction选项下一般力锤通道选-X,其他选+X（整个几何模型是用柱坐标建立的，所以X方向对应于径向，三个方向的振型我们都习惯于把它们显示在径向来观测）。InputMode力锤选VoltageDC,加速度传感器选ICP。MeasuredQuantity力锤选Force,加速度传感器选Acceleration。Actualsensitivity下传感器要输入响应的灵敏度,力锤输入100就可以(这和电荷放大器的使用有关)。接下来要把建立的几何图像中的节点和各个通道关联起来,这样才可以在数据分析时显示响应的振型.可以通过ChannelSetup界面右上角的ChannelSetup下拉菜单中的UseGeometry界面来设置.打开UseGeometry界面后,同时选中要关联的通道和几何节点,点击Insert,就可以将二者关联起来.之后可以在ChannelSetup界面中的Point下看到各个通道关联的几何节点.接下来进行ImpactScope的设置,该设置很简单,就是通过两到三次锤击试验来确定各个通道的量程.点击StartRanging,之后进行两到三次合适力度的锤击试验,再点击SetRanges就可以了.接下来设置ImpactSetup，从个人经验来说，如果这个选项中的Trigger、Bandwidth和Windowing设置的很好的话，模态试验会进行的很顺利。接下来就可以进行模态试验了，下方工具条中的Measure就是试验模块。Measure界面中的右上角有AllSetting选项，可以查看并改写前面所有的设置，右下角的可以设置平均次数，点击Start就可以进行模态试验了。这样一个流程结束模态试验就结束了，就可已进入IimeMDOF模块和PolyMAX模块进行数据分析了。试验时注意事项主要有：1.不要盲目的做试验，试验之前一定要想清楚想要得到什么样的数据，想要验证什么样的结论，应该进行什么样的试验设置。2.每次做试验之前都要做好记录，因为可能会反反复复做很多组试验进行对比，详细完整的记录会对后续的工作带来很大的便利。3.每次做试验之前一定要检查轮胎的气压，因为气压对模态参数影响很大，而且实验室的轮胎容易漏气。4.试验时，一次试验的锤击次数选为40到60次就可以了，不用太多，也不要太少。5.力锤激励时，轮胎上贴的贴片是否贴牢对力谱有很大的影响，所以如果试验时力谱总是很差，要检查一下是否是贴片松动了。三、数据处理注意事项数据处理作为试验的最后工作将直接影响到你的试验结果。从我的个人经验来看，对于同一个试验数据，不同的两次数据分析一般不会得到完全相同的试验结果。这里简要的说说数据分析时的注意事项：1.数据分析时，分析方法不管是采用PolyMax还是TimeMDOF，在选取分析频宽时，一定不要从0开始，因为低频段会有很大的噪声干扰，分析频宽从0开始将直接导致低阶模态的振型超级差。一般从20Hz左右开始比较合适，当然这也取决于所研究轮胎的第一阶模态频率，起始频率一定要比第一阶模态频率小，又要足够大以规避低频噪声。2.PolyMAX方法采用的是复模态分析的方法，计算出的各试验点相位会各不相同，直接的结果就是振型相对要差。但用PolyMAX分析频率时还是很给力的，因为Stabilization界面会很干净，选取频率会很简单。当然也不能排除PolyMAX分析时产生虚假模态的可能，这就需要我们要不同的方法反复分析，同时对轮胎的模态有足够的了解。3.TimeDOF方法采用的是实模态分析的方法，计算出的各试验点相位不是相同就是相反（即相差180），因此对振型的分析要稍微好一些。但是挑选频率时Stabilization界面会很混乱，需要使用者认真详细的挑选。4.分析数据时如果分析频宽太宽，分析结果完全可能漏掉某一阶模态。因此分析时可以在关心的频率范围整体分析一次，比如20Hz～350Hz，再对某些频率范围做小范围分析，如200Hz～250Hz。5.振型的计算和频率的选择有很大的关系，例如如果我们在选取频率时选取了一阶虚假模态，则靠近这阶模态的真实模态的振型计算也是不正确的；如果我们漏掉某一阶模态，它周围模态振型的计算同样是错误的。6.在进行模态分析时，一般会发现有两阶模态的模态振型和R1类似，但是其中一阶（一般是频率较低的一阶）的振型值较大，另外一阶（一般是频率较高的一阶）的振型值较小。振型值较小的应该是轮胎的空腔模态，其最明显的特点就是该阶模态几乎不随气压而变化(是由于声波的传播速度随着气压的改变变化缓慢)。空腔模态是一种声模态，是由于腔体的存在，声波在其中传播在某些频率下形成声驻波效应。空腔模态在轮胎模态模型中现在是做不予考虑处理。7.在数据处理模块儿中直接得到的是没有归一化的模态数据，大家点击下方的more可以读到每一阶模态的模态频率，模态质量，模态刚度，模态阻尼和模态阻尼比，要想看到每一阶模态的模态振型系数，需要右击该阶模态，选property。要想对模态数据归一化，需要另外在Validation模块中进行。