本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別領(lǐng)域，涉及一種結(jié)構(gòu)振動模態(tài)阻尼比的測試方法，具體涉及利用結(jié)構(gòu)在各階共振區(qū)內(nèi)的脈沖響應(yīng)頻譜，對其各階模態(tài)阻尼比進(jìn)行反演的實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

阻尼參數(shù)作為一項(xiàng)重要的動力性能指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)在共振區(qū)的響應(yīng)影響十分顯著。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)阻尼成分復(fù)雜，一般是由內(nèi)部阻尼(材料)、結(jié)構(gòu)阻尼以及流體阻尼綜合決定，然而現(xiàn)有阻尼測試標(biāo)準(zhǔn)(如gb/t18258-2000、gb/t16406-1996等)多是針對試件的材料阻尼測量，難以直接運(yùn)用于響應(yīng)預(yù)報。線性的振動系統(tǒng)服從模態(tài)疊加原理，其動響應(yīng)計算必須依賴系統(tǒng)模態(tài)阻尼比，某些領(lǐng)域按統(tǒng)計規(guī)律對該阻尼比進(jìn)行規(guī)定，具有一定的局限性。因此，阻尼比亦需要通過試驗(yàn)來測定，但試驗(yàn)條件的微小差異也可能會造成測量結(jié)果的巨大偏差，探究可靠實(shí)用的阻尼測試方法也十分緊迫。

目前特殊結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼是通過試驗(yàn)分析識別的，傳統(tǒng)的參數(shù)識別方法可在時域和頻域內(nèi)進(jìn)行。常用的頻域法中包括單自由度圖解法(如峰值拾取法、導(dǎo)納圓法)和多自由度解析法(如各類擬和法)，分別適用于模態(tài)稀疏的小阻尼結(jié)構(gòu)和模態(tài)密集的大阻尼結(jié)構(gòu)。峰值拾取法使用了半功率理論，離散譜線難以獲得精確的半功率點(diǎn)、窗阻尼影響以及不同信號處理手段，均可能導(dǎo)致阻尼估算偏差達(dá)到幾倍甚至幾十倍；導(dǎo)納圓法計算精度受圖解精度的限制，且無法避免因鄰近模態(tài)疊加所產(chǎn)生的誤差。擬合解析法常處理多自由度系統(tǒng)，一般為得到密集模態(tài)的信息會增加測點(diǎn)數(shù)目，此舉措既增大計算量也易產(chǎn)生病態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，從而影響參數(shù)識別精度。多自由度系統(tǒng)時域下的參數(shù)識別需使用窗函數(shù)對信號濾波處理，經(jīng)典窗在分離低頻密集模態(tài)、疊加模態(tài)時精度較差，特別是位于頻響函數(shù)的兩端且很接近的模態(tài)。

諸如艦艇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的總振動阻尼系數(shù)測試難度較大，時域衰減法僅能得到其低階阻尼系數(shù)，頻響曲線識別時又必須同時測量響應(yīng)與激勵的時序信號，這在某些情況下往往也是不現(xiàn)實(shí)的(如大型結(jié)構(gòu)的階躍激勵、自激勵等)，這均為阻尼測試和動響應(yīng)預(yù)報帶來了困難。

對結(jié)構(gòu)測試的激勵形式有接觸式和非接觸式兩種。激振器等作用產(chǎn)生的接觸式激勵可以使結(jié)構(gòu)獲得持續(xù)振動響應(yīng)，規(guī)范對激振器作用下不同激勵波形的測試方法進(jìn)行了規(guī)定，但操作不當(dāng)時會存在自由振動衰減不徹底、樣本數(shù)據(jù)泄露嚴(yán)重、共振區(qū)數(shù)據(jù)采集量不夠等問題，對頻響函數(shù)測試以及參數(shù)識別造成一定的誤差。此外，在結(jié)構(gòu)共振區(qū)附近進(jìn)行持續(xù)性激勵時，若阻尼較小，結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)振動時間較長、響應(yīng)較大，易于對結(jié)構(gòu)造成損傷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種基于脈沖激勵響應(yīng)頻譜的模態(tài)阻尼比快速計算方法，其可解決現(xiàn)有技術(shù)中如下的技術(shù)問題：傳統(tǒng)的半功率法計算阻尼比時一般難以精確找到半功率點(diǎn)；受某些激勵時域信號難以測量的限制，頻域法計算模態(tài)阻尼比所需的頻響函數(shù)有時無法獲??；且接觸式激勵下的響應(yīng)常存在瞬態(tài)成分衰減不徹底、操作繁瑣等問題。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種基于脈沖激勵響應(yīng)頻譜的模態(tài)阻尼比快速計算方法，包括如下步驟：

步驟1，確定結(jié)構(gòu)激振-拾振點(diǎn)位置；

步驟2：采集拾振點(diǎn)時域響應(yīng)信號并作頻域轉(zhuǎn)換；

步驟3：提取穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)幅值；

步驟4，確定阻尼比計算參量：頻率比和響應(yīng)比，計算阻尼比。

上述步驟1中，在適當(dāng)位置布置傳感器，以確定結(jié)構(gòu)激振-拾振點(diǎn)位置，該適當(dāng)位置指既位于鄰近模態(tài)的“節(jié)點(diǎn)”、“節(jié)線”處，亦為各測試模態(tài)振型下具有明顯響應(yīng)的位置。

上述傳感器采用位移傳感器、速度傳感器或加速度傳感器。

上述步驟2中，使用動態(tài)信號采集儀對結(jié)構(gòu)在沖擊激勵下的響應(yīng)信號進(jìn)行采集，測量拾振點(diǎn)動態(tài)響應(yīng)時間歷程曲線。

上述步驟2中，對信號進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)化時采用離散傅里葉變換，變換塊的大小n為2的整數(shù)次方，記錄時域信號時長t＝nδt，采樣頻率1/δt，頻域分析頻率分辨率δf＝1/t＝1/nδt；各采樣點(diǎn)值為xr，r＝0,1,…,n-1，頻域下的離散譜線為：

譜線間隔頻率為δf，擬合離散頻譜曲線為h(kδf)。

上述步驟3的詳細(xì)內(nèi)容是：

令第m條譜線所對應(yīng)頻率為共振頻率ωnj，其相鄰的第m±q條譜線位置對應(yīng)共振頻率的鄰近頻率則測試結(jié)果中第j階共振頻率及其鄰近頻率處的頻響譜線幅值為：

|h脈(ωnj)|＝|h脈(mδf)|，對應(yīng)于頻率為ωnj＝mδf的諧振激勵下的強(qiáng)迫振動響應(yīng)幅值|xj(t)|；

對應(yīng)于頻率為的諧振激勵下的強(qiáng)迫振動響應(yīng)幅值

其中，δf為頻域分析頻率分辨率，m表示第j階共振頻率對應(yīng)的頻響譜線編號，m±q表示第j階共振頻率鄰近頻率對應(yīng)的頻響譜線編號。

上述步驟4中，當(dāng)阻尼比較小時，根據(jù)下式計算響應(yīng)比與頻率比：

其中，χj指第j階共振響應(yīng)幅值與按第j階共振頻率鄰近頻率激勵下的響應(yīng)幅值之比，γj指第j階共振頻率鄰近頻率與共振頻率之比，|h脈(mδf)|表示頻率為mδf的諧振激勵下的頻響譜線幅值，|h脈(m±q)δf)|表示頻率為(m±q)δf的諧振激勵下的頻響譜線幅值，δf為頻域分析頻率分辨率，m表示第j階共振頻率對應(yīng)的頻響譜線編號，m±q表示第j階共振頻率鄰近頻率對應(yīng)的頻響譜線編號；

根據(jù)下式得到模態(tài)阻尼比結(jié)果：

其中，ζj表示阻尼比。

上述步驟4中，當(dāng)阻尼比較大時，根據(jù)下式計算響應(yīng)比與頻率比：

其中，指第j階模態(tài)最大響應(yīng)幅值與按響應(yīng)峰值頻率鄰近頻率激勵下的響應(yīng)幅值之比，指第j階響應(yīng)峰值頻率鄰近頻率與響應(yīng)峰值頻率之比，δf為頻域分析頻率分辨率，表示第j階峰值頻率對應(yīng)的頻響譜線編號，表示第j階峰值頻率鄰近頻率對應(yīng)的頻響譜線編號；

根據(jù)下式得到模態(tài)阻尼比結(jié)果：

其中，ζj表示阻尼比。

采用上述方案后，本發(fā)明直接利用結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進(jìn)行信號分析處理及結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼比識別，首先對結(jié)構(gòu)的激振、拾振位置進(jìn)行確定，保證其既位于鄰近模態(tài)的節(jié)點(diǎn)、節(jié)線處，亦為各階振型下具有明顯響應(yīng)的位置；利用信號采集器記錄拾振點(diǎn)的響應(yīng)信號，并對其作離散傅里葉變換得到響應(yīng)頻譜；在此基礎(chǔ)上提取共振(或峰值)頻率及其鄰近頻率處的響應(yīng)及頻率，獲得穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值；最后根據(jù)理論推導(dǎo)計算頻率比及響應(yīng)比，完成相關(guān)參數(shù)的計算，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比的識別。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)從頻域上得到時域響應(yīng)的方法，可以快速準(zhǔn)確預(yù)報結(jié)構(gòu)在諧振激勵下瞬態(tài)反應(yīng)完全衰減的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值，還可以擺脫激勵頻率調(diào)檔、范圍的限制，以及避免共振激勵下對結(jié)構(gòu)造成損傷，完成任意頻率下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取，某些情況下較諧振激勵試驗(yàn)測試精度高、干擾小、速度快。此外，根據(jù)頻響函數(shù)的互易性，當(dāng)激勵位置不適宜激勵時，還可以對拾振位置進(jìn)行激勵，測量激勵位置的響應(yīng)來等效預(yù)報拾振位置的響應(yīng)特性，操作較為靈活；

(2)時域響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換后得到的是頻域下的離散譜線，由于受頻率分辨率的限制，傳統(tǒng)的半功率法往往難以恰好找到半功率點(diǎn)來估算模態(tài)阻尼比。這種僅從脈沖響應(yīng)頻譜中有限的離散譜線信息入手來計算阻尼比的方法，既可避免測量激勵力的時域信號，又可以擺脫利用頻域信息求解阻尼比時對連續(xù)頻譜的依賴，操作簡單迅速，且精度較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中使用的船體梁模型前三階振型圖；

圖3是規(guī)范中規(guī)定的水面艦艇模態(tài)阻尼系數(shù)；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中工況1的船艏數(shù)值計算響應(yīng)頻譜及穩(wěn)態(tài)諧振時域響應(yīng)；

其中，(a)為數(shù)值計算船艏位移響應(yīng)頻譜，(b)為按ω1j＝mδf＝1.055hz激勵時的船艏穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)，(c)為按激勵時的船艏穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)，(d)為按激勵時的船艏穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)；

圖5是實(shí)施例1中三種工況下各階阻尼比識別時所用響應(yīng)頻譜；

其中，(a)是第2階振型“節(jié)點(diǎn)”處的響應(yīng)頻譜(用以計算第1、3階模態(tài)阻尼比)，(b)是第1階振型“節(jié)點(diǎn)”處的響應(yīng)頻譜(用以計算第2階模態(tài)阻尼比)。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例2中使用的板單元整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)側(cè)視圖(示意圖)；

其中，結(jié)構(gòu)1為上蓋板，結(jié)構(gòu)2為殼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)構(gòu)3為加強(qiáng)筋，結(jié)構(gòu)4為底座；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例2中所用的整體結(jié)構(gòu)模型三維仿真效果圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例2中激振、拾振點(diǎn)布置示意圖；

其中，(a)為板正面激振點(diǎn)位置及編號，(b)為板背面拾振點(diǎn)(傳感器)位置及編號；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例2中板單元模型第一階阻尼比測試工況響應(yīng)時、頻域信號；

其中，(a)為依據(jù)圖10中各階工況方案要求的激振58#點(diǎn)時61#拾振點(diǎn)的域響應(yīng)信號(截取0～0.205s)，(b)為與(a)對應(yīng)的脈沖響應(yīng)頻譜(取0～1.0khz)。

圖10是板單元模型試驗(yàn)與仿真前8階模態(tài)分析對比結(jié)果；

其中，振型圖為600mm×600mm試驗(yàn)區(qū)域，“箭頭”為脈沖激勵點(diǎn)，“圓圈”為響應(yīng)采集點(diǎn)。)

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于脈沖激勵響應(yīng)頻譜的模態(tài)阻尼比快速計算方法，包括如下步驟：

步驟1，確定結(jié)構(gòu)激振-拾振點(diǎn)位置

線性振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足模態(tài)疊加原理，其各階模態(tài)阻尼比測試均是基于實(shí)際結(jié)構(gòu)獲得的。拾振點(diǎn)傳感器的布置應(yīng)依據(jù)事先進(jìn)行的模態(tài)分析來確定，即既位于鄰近模態(tài)的“節(jié)點(diǎn)”、“節(jié)線”處，亦為各測試模態(tài)振型下具有明顯響應(yīng)的位置，以降低鄰近模態(tài)的疊加成分影響。其中，位移、速度或加速度傳感器均適用于該方法對響應(yīng)信號的測量需求。

在一定研究頻帶內(nèi)，測試時認(rèn)為瞬時沖擊所產(chǎn)生的激勵為近似的理想脈沖信號。試驗(yàn)可采用不同大小的力錘、碰撞等形式實(shí)現(xiàn)沖擊激勵，但無需測量激勵的時域信號。研究頻段較寬時，可記錄沖擊激勵的脈寬τ，確定有效激勵截止頻率fc＝1/τ。

步驟2：采集拾振點(diǎn)時域響應(yīng)信號并作頻域轉(zhuǎn)換

使用動態(tài)信號采集儀對結(jié)構(gòu)在沖擊激勵下的響應(yīng)信號進(jìn)行采集，測量拾振點(diǎn)動態(tài)響應(yīng)時間歷程曲線。對信號進(jìn)行時-頻域轉(zhuǎn)化時采用離散傅里葉變換(dft)，因其算法需要，dft塊的大小通常為2的整數(shù)次方(用n表示)，記錄時域信號時長t＝nδt(單位為s)，采樣頻率1/δt，頻域分析頻率分辨率δf＝1/t＝1/nδt。

各采樣點(diǎn)值為xr(r＝0,1,…,n-1)，頻域下的離散譜線為：

譜線頻率間隔為δf，也即頻域分析頻率分辨率，擬合離散頻譜曲線為h(kδf)。

步驟3：穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)幅值的提取

結(jié)構(gòu)對沖擊荷載的響應(yīng)特性，可以通過一維線彈性系統(tǒng)的運(yùn)動分析得到。一般的沖擊力為半正弦形，時域沖擊脈寬越窄其信號頻帶越寬，極限情況為脈寬為0的δ函數(shù)，其傅里葉變換為無限寬的白譜，即

(1)對單自由度粘滯阻尼體系作用脈沖力時，

系統(tǒng)獲得該初速度后作自由振動，即脈沖響應(yīng)函數(shù)為：

其中，p0為脈沖力幅值，m、c、k分別為體系的質(zhì)量、阻尼和剛度，ωn為固有自由振動頻率，為有阻尼自由振動頻率，ζ＝c/cc和γ＝ω/ωn分別為阻尼比和頻率比。用h脈(ω)表示x脈(t)的頻域變換：

任意頻率ω下的響應(yīng)幅頻為：

(2)對單自由度粘滯阻尼體系作用諧振荷載時，

可以得到總反應(yīng)為：

式(8)右端第一項(xiàng)表示按e^-ξωt衰減的瞬態(tài)反應(yīng)，a為初始條件確定的常數(shù)；第二項(xiàng)為無限持續(xù)的穩(wěn)態(tài)諧振反應(yīng)，以|x諧(t)|表示其穩(wěn)態(tài)諧振幅值。一般認(rèn)為瞬態(tài)反應(yīng)衰減很快而將其忽略，但某些情況下該反應(yīng)很難衰減，甚至在一定時間范圍內(nèi)起主導(dǎo)作用，在進(jìn)行諧振激勵時若無視這一點(diǎn)將會影響響應(yīng)測試的準(zhǔn)確性。

結(jié)合式(6)、(8)，建立時域諧振激勵響應(yīng)與頻域脈沖激勵響應(yīng)間關(guān)系為：

|h脈(ω)|＝|x諧(t)|(9)

據(jù)式(9)，脈沖力幅與諧振力幅(均為p0)相等時，脈沖響應(yīng)頻譜的幅頻與對應(yīng)諧振頻率ω下的強(qiáng)迫振動幅值相等。因此，從脈沖響應(yīng)頻譜中可以提取，力幅與脈沖力力幅相等的任意頻率簡諧激勵作用下瞬態(tài)反應(yīng)充分衰減后的穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)振幅。

可得，試驗(yàn)測試結(jié)果中第j階共振頻率及其鄰近頻率處的頻響譜線幅值為：

|h脈(ωnj)|＝|h脈(mδf)|，對應(yīng)于頻率為ωnj＝mδf的諧振激勵下的強(qiáng)迫振動響應(yīng)幅值|xj(t)|；

對應(yīng)于頻率為的諧振激勵下的強(qiáng)迫振動響應(yīng)幅值

式中，第m條譜線所對應(yīng)頻率為共振頻率ωnj，其相鄰的第m±q條譜線位置對應(yīng)共振頻率的鄰近頻率m表示第j階共振頻率對應(yīng)的頻響譜線編號(即第m條)，m±q表示第j階共振頻率鄰近頻率對應(yīng)的頻響譜線編號(即第m±q條)。

步驟4：模態(tài)阻尼比的反演計算

以一維梁模型對阻尼比計算公式進(jìn)行推演，二、三維系統(tǒng)同樣適用?；谀B(tài)疊加理論，系統(tǒng)在頻率ω諧振激勵下的總響應(yīng)為：

激勵力作用在x＝x0處、力幅恒定為p0，按第j階共振頻率ωnj激勵時，主模態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)大于其他階模態(tài)響應(yīng)，即總響應(yīng)為(其中)：

(1)當(dāng)阻尼較大時，試驗(yàn)測試的響應(yīng)峰值(即模態(tài)最大響應(yīng))是大于共振頻率響應(yīng)的，即實(shí)測響應(yīng)頻譜中峰值對應(yīng)頻率并非共振頻率ωnj，存在關(guān)系：

第j階響應(yīng)峰值為：

第j階模態(tài)響應(yīng)峰值頻率鄰近頻率為令按諧振激勵時總響應(yīng)為：

當(dāng)與很接近時，第j階主模態(tài)響應(yīng)亦遠(yuǎn)大于其他階模態(tài)分量，為提高計算精度，可將式(14)簡化為主模態(tài)與相鄰模態(tài)響應(yīng)的疊加，但若拾振-激振點(diǎn)位于相鄰模態(tài)的振型“節(jié)點(diǎn)”或“節(jié)線”位置時，相鄰模態(tài)響應(yīng)分量為零。此時：

由式(13)、(15)可以得到：

令：即第j階模態(tài)響應(yīng)峰值與按頻率激勵下的響應(yīng)幅值之比，無量綱；得：

由式(16)、(17)得：

(2)當(dāng)阻尼較小時，式(13)近似還原為式(11)，所得結(jié)果精度亦可接受。按上述方法同理可得：

此時，表示第j階共振頻率ωnj的鄰近頻率，χj表示第j階共振響應(yīng)幅值與按頻率激勵下的響應(yīng)幅值之比。

根據(jù)步驟3從脈沖響應(yīng)頻譜中提取出的穩(wěn)態(tài)諧振幅值和譜線對應(yīng)頻率，可以用于該步驟中計算γj與χj(或與)，即：

(或)

(或)

其中，γj指第j階共振頻率鄰近頻率與共振頻率ωnj之比，簡稱頻率比；χj指第j階共振響應(yīng)幅值與按頻率激勵下的響應(yīng)幅值之比，簡稱響應(yīng)比；指第j階響應(yīng)峰值頻率鄰近頻率與響應(yīng)峰值頻率之比，δf為頻域分析頻率分辨率，表示第j階峰值頻率對應(yīng)的頻響譜線編號(即第條)，表示第j階峰值頻率鄰近頻率對應(yīng)的頻響譜線編號(即第條)。

依據(jù)(18)、(19)進(jìn)一步得到模態(tài)阻尼比結(jié)果，阻尼比指阻尼與臨界阻尼之比，ζ＝c/cc；其中：

阻尼比較小時，式(19)精度可接受；

阻尼比較大時，響應(yīng)峰值(即模態(tài)最大響應(yīng)幅值)大于共振響應(yīng)，響應(yīng)峰值頻率與共振頻率存在差異，公式(18)精度較高。

以下將通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：仿真數(shù)值試驗(yàn)

在實(shí)施例1中，對脈沖響應(yīng)頻譜中提取穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值、阻尼比反演計算進(jìn)行具體操作說明及驗(yàn)證。以船舶工程領(lǐng)域中的船體梁模型分析總振動參數(shù)為例，對某船按該阻尼比反演計算方法進(jìn)行參數(shù)識別，模型尺度參數(shù)見表1。

表1某船主尺度參數(shù)

對該船建立整船船體梁模型，是一根變截面主船體結(jié)構(gòu)等值梁，同時考慮了全船總重量和附漣水質(zhì)量，計算了各剖面要素。利用有msc.nastran對限元模型進(jìn)行響應(yīng)分析，分別在船體艉部施加脈沖激勵和諧振激勵(模擬螺旋槳激勵)這兩種工況，用以對比脈沖激勵響應(yīng)頻譜中提取的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值的準(zhǔn)確性以及識別阻尼比的精度。船體梁垂向前三階總振動振型見圖2。動響應(yīng)分析時，阻尼按照按照規(guī)范中關(guān)于水面艦艇模態(tài)阻尼系數(shù)的規(guī)定，見圖3(取低阻尼)。

頻響函數(shù)是線性定常系統(tǒng)的固有屬性，是脈響函數(shù)(單位脈沖響應(yīng)函數(shù))的傅里葉變換，假設(shè)單自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)為脈響函數(shù)為理想單位脈沖可以激起全頻段的響應(yīng)。將步驟3中脈沖響應(yīng)頻譜式(5)與頻響函數(shù)表達(dá)式對比可知：

msc.nastran中的頻率響應(yīng)分析，是計算結(jié)構(gòu)在諧振荷載作用下對每一個計算頻率的動響應(yīng)，復(fù)數(shù)響應(yīng)的模與穩(wěn)態(tài)諧振幅值幅值相等。因此，頻響分析可以等效得到結(jié)構(gòu)的脈沖響應(yīng)頻譜，簡化了脈沖響應(yīng)的時域計算。計算參數(shù)見表2，表中同時給出了按計算工況所得船艏部的位移響應(yīng)，對比響應(yīng)頻譜中提取的穩(wěn)態(tài)振動幅值與實(shí)際計算值誤差很小，存在的相對誤差是計算機(jī)精度所致。圖4給出了工況1的船艏數(shù)值計算響應(yīng)頻譜及穩(wěn)態(tài)諧振時域響應(yīng)，激勵力力幅取1kn。

表2數(shù)值計算參數(shù)及艏部響應(yīng)對比

針對上述計算模型及參數(shù)完成船體梁模型阻尼比的具體實(shí)施說明。

步驟一，根據(jù)事先進(jìn)行的模態(tài)分析，確定船體梁的第一、二、三階振型中距船艉最近的“節(jié)點(diǎn)”距離為：51150mm、29700mm、18150mm。計算采用所研究階次的鄰近(低)階振型“節(jié)點(diǎn)”處的響應(yīng)頻譜，進(jìn)而確定三種計算工況下拾振點(diǎn)的位置，即分別為：第2階振型“節(jié)點(diǎn)”、第1階振型“節(jié)點(diǎn)”、第2階振型“節(jié)點(diǎn)”。

步驟二，msc.nastran中的頻率響應(yīng)分析可以等效得到結(jié)構(gòu)的脈沖響應(yīng)頻譜，計算得到表2中的三種工況下各拾振點(diǎn)的響應(yīng)頻譜，如圖5所示。

步驟三，從圖5的響應(yīng)頻譜中提取出對應(yīng)階次的最大響應(yīng)、鄰近頻率下的響應(yīng)，記錄各自對應(yīng)頻率。

步驟四，依據(jù)步驟三中得到的響應(yīng)及其頻率，計算各階頻率比、響應(yīng)比(γj與χj)，表3給出了船體梁模型所計算得到的阻尼仿真計算值，與按規(guī)范要求的設(shè)定值進(jìn)行比較可見，本發(fā)明可以準(zhǔn)確地識別出阻尼比。

表3船體梁阻尼計算結(jié)果及識別誤差

(注：及識別誤差分別對應(yīng)于頻率激勵下的阻尼仿真計算值以及其識別誤差)

實(shí)施例2：板單元模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證本發(fā)明所述方法的有效性，實(shí)施了船體局部結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板單元模型的模態(tài)試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)示意如圖6。其中結(jié)構(gòu)2即為被測玻璃鋼板單元結(jié)構(gòu)，圖7是三維實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀９ぱb結(jié)構(gòu)材質(zhì)是q235鋼，彈性模量為210gpa，泊松比為0.3，材料密度為7800kg/m³，按事先進(jìn)行數(shù)值計算保證設(shè)計工裝與試驗(yàn)板單元模型各階共振頻率有足夠的錯開率。所采用的復(fù)合材料板材質(zhì)為手糊成型的玻璃鋼板，目前主要用于船體導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)件的制備，其主要設(shè)計參數(shù)見表4。

表4玻璃鋼板參數(shù)

步驟一，對板單元試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模態(tài)分析，試驗(yàn)中模態(tài)識別采用了多點(diǎn)激勵多點(diǎn)拾振法(以辨別結(jié)構(gòu)的模態(tài)重根，采用61#、64#、94#、97#四個拾振點(diǎn))，測試中采用力錘敲擊作為脈沖激勵源進(jìn)行激振，并采用icp壓電式傳感器拾取響應(yīng)信號。板正面均布81個激勵點(diǎn)，背面均布9個響應(yīng)拾振點(diǎn)，圖8給出了板正面及背面的激振-拾振點(diǎn)分布示意圖。采樣頻率5khz，采樣長度為32748，經(jīng)記錄，力錘產(chǎn)生的脈沖信號脈寬τ為0.7ms左右，所能激起的有效激勵頻段為0～1.4khz，試驗(yàn)識別的前8階共振頻率均在該頻段內(nèi)。

試驗(yàn)及數(shù)值計算的各階振型及其共振頻率對比在圖10中給出，同時為了通過控制激振位置實(shí)現(xiàn)重根模態(tài)響應(yīng)的分離，各階模態(tài)阻尼比試驗(yàn)測點(diǎn)，既位于鄰近模態(tài)的“節(jié)點(diǎn)”、“節(jié)線”處，亦為各測試模態(tài)振型下具有明顯響應(yīng)的位置，各階阻尼比測試激振、拾振位置在圖10中的振型圖中標(biāo)出。

步驟二，根據(jù)步驟一中確定的各階阻尼比測試時所需的激振-拾振位置方案，用動態(tài)信號采集器對分別對各測點(diǎn)響應(yīng)信號進(jìn)行采集，得到各工況下的拾振點(diǎn)的時域響應(yīng)信號。以第一階阻尼比測試工況為例，響應(yīng)時域信號(截取0～0.205s)如圖9(a)，對響應(yīng)信號作時域轉(zhuǎn)換，得到脈沖響應(yīng)頻譜(取0～1.0khz)，如圖9(b)。其余工況測試按照相同方法處理。

步驟三，由于試驗(yàn)板阻尼較小，測試中所得共振響應(yīng)與最大響應(yīng)差別不大，從步驟二中得到的各工況脈沖響應(yīng)頻譜數(shù)據(jù)中提取響應(yīng)幅值時，可認(rèn)為共振響應(yīng)與最大響應(yīng)相等，并按一定錯開率同時提取其鄰近頻率響應(yīng)。相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

步驟四，對所提取的響應(yīng)結(jié)果依據(jù)式(18)進(jìn)行各階模態(tài)阻尼比計算，分別得到對兩個阻尼比結(jié)果進(jìn)行平均可以降低計算誤差，阻尼比結(jié)果見表5。

表5板單元模型阻尼計算結(jié)果

(注：試驗(yàn)響應(yīng)頻譜頻率分辨率δf＝0.153hz，按譜線間隔m＝40取值，響應(yīng)為加速度響應(yīng)。)

為了便于驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，利用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司提供的dhdas模態(tài)分析軟件，對采集到的輸入和輸出信號進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，所用方法為polylscf(即穩(wěn)態(tài)圖計算法)，該方法是國際最新發(fā)展并流行的基于傳遞函數(shù)的模態(tài)分析方法，具有很好的識別精度。提取出板單元結(jié)構(gòu)的前八階模態(tài)阻尼比見表6，將該結(jié)果作為本發(fā)明辨識結(jié)果的參考值。同時利用半功率法對測試所得頻響函數(shù)進(jìn)行各階模態(tài)阻尼比計算，結(jié)果也在表6中給出?？梢?，半功率法識別結(jié)果普遍偏大，陳奎孚和應(yīng)懷樵均對這類誤差均作出了理論分析；本發(fā)明方法與polylscf計算結(jié)果較為接近(阻尼比最大誤差4.03％，工程上可以接受)，因此利用本發(fā)明所述流程，即使在激勵未知的前提下，依然可以實(shí)現(xiàn)模態(tài)參數(shù)的精確辨識。

表6實(shí)測板單元模型阻尼參數(shù)識別結(jié)果對比

本發(fā)明中涉及的未說明部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。