Simcenter Testing Solutions Simcenter Testlab中文操作指南---MIMO FRF测试

2022-01-19T04:25:17.000-0500
Simcenter Testlab

摘要

本文介绍了激振器法进行MIMO FRF测试的步骤

详细信息

一、激振器法多输入多输出模态测试简介

   在试验模态分析中，有些场合需要用到激振器多输入多输出方法来测试模态，如下：
  • 激励力不够：对某些大型结构来说，一个激振器可能无法提供足够大的激励能量。 对一个大型的物体，如果仅用一个激振器，则需要更大的激励力，这样会产生结构的非线性的响应。 而用多个激振器可以分别用较小的力激起整个结构，同时使响应在线性范围之内（图1）
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图1 一个模态激振器（左侧）可以激起一个小型结构，但是大型结构（右侧）需要多个激振器
 
  • 方向性要求：使用多个方向同时激励可以使各个方向的特性都能被激出。同时使用两个方向的激振器可以更好的识别多方向的模态数据。

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图2：飞机引擎，使用两个激振器，一个垂向一个侧向
  • 重根：有些结构（一般为对称性结构）会在同一个频率有不同的模态，如图3，这就需要多个输入来识别重根。
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图3：对称结构（左边）有在几乎同一个频率下有两个不同的阵型（中间和右侧）
 
   该文章详细介绍了如何在MIMO FRF Testing中用激振器法和Burst Random激励信号完成模态测试

二、激振器法MIMO FRF测试

测试软件模块：MIMO FRF Testing, Geometry和Time Recording During MIMO FRF Testing
将激振器、加速度传感器和力传感器按照要求布置在待测结构上。建议在激振器力传感器附近布置一个加速度传感器，这样可以测试驱动点频响（driving point FRF）, 当然也可以使用一个阻抗头（包括力传感器和加速度传感器）。如果没有测试驱动点频响，也可以进行模态测试，但是不能进行整体的模态阵型归一化，也就意味着没法计算模态质量，也没法使用模态验证工具以及模态修改预测功能。
布置好传感器和激振器之后，按照图4进行连接：
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图4: 设备的连接
 
  测试之前，确保前端连接正确，电脑已经开机。
  下一步，运行Simcenter Testlab MIMO FRF Testing软件 （双击桌面上的Simcenter Testlab XX图标àTestlab Structures Acquisition à MIMO FRF Testing）（图5）
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图5： 打开MIMO FRF Testing模块

  可以打开之前创建的工程文件也可以新建一个工程文件，下面以新建工程文件举例, 如下图。
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图6 启动MIMO FRF之后，点击左上角的白色图标新建一个工程文件

  新建完成之后，如果电脑和软件之间通讯正常，前端上网口的灯会快速闪烁。正常情况下，会打开一个空白文件，名字为“Project1.lms”，如图7所示：
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图7：新建工程文件，下方的流程图从左到右进行操作
 
  通过左上角“File—Save As”来保存和重命名工程文件
  通过Tools---Add ins加载Geometry，Source Control和Time Recording During MIMO FRF Testing模块

1. 通道设置（Channel Setup）
在Channel Setup中激活连上前端的通道，跟力锤法测模态类似。激振器的力传感器作为参考通道。
对测点名称（Point Name）最好像Impact Testing那样使用Use Geometry 来插入几何，如图8
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图8 点右上角的channel setup工作簿，选择Use Geometry，直接从几何上选择测点和通道对应
 
  如果需要用到其他工程文件的通道设置，可以使用Load Channel Setup…Option来浏览到该工程文件，选择其中的一个Section来进行导入其通道设置
  如果是三向加速度，可以通过Tool---Channel Setup Visibility，将MutiChannel调出，选择Triax-RH模式，这样同一个传感器的三个通道会自动按照右手定则来命名方向，避免出现方向命名不对的情况。如图9.
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图9 三向加速度设置

2. 示波（Scope）
Scope工作簿主要用来进行设置输出源和自动量程
  • 输出源设置
点击more…按钮（图10）打开“Extend Source Parameters”菜单定义输出源信号。
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图10   Scope设置

    在这个菜单中，所有前端可以输出的信号通道都会列出，可以勾选/取消，以及定义信号类型。
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图11：Extended Sources Parameters用来定义信号源的类型和输出电压大小
 
   当选择其中的一个信号类型后，相应的信号源参数也可以在右侧定义。
Level: 定义输出电压大小，信号会以开环形式输出，因此开始的时候让电压处在较小的水平，然后慢慢增大，避免损害结构或者测试设备
Frequency Definition: 用来定义输出信号的频率范围
Burst Definition: 控制随机信号工作时间在观测窗中所占百分比
 
    猝发随机信号相对连续随机信号在控制泄露方面更好一些。
  • 自动量程
Scope工作簿还可以在正式测试之前检查和设置传感器的量程（图12）
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图12: 传感器自动量程
 
  • 点击Start Ranging，此时软件会捕捉各通道信号的峰值大小
  • 运行测试中可能遇到的工况。运行完后，点击Stop Ranging, 软件会停止捕捉峰值。
  • 点击“Set Ranges”，软件会自动给所有的通道设置一个合适的量程
  • 点击More按钮，可以查看所有通道的详细信息
  • 如果有必要，也可以单独编辑每个通道的量程的大小
  1. MIMO FRF Setup工作簿
在MIMO FRF Setup中定义完整的测试（图13）
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图13  MIMO FRF Setup工作簿预览

在顶部的“Online Data Function”工作簿可以定义哪些函数在线显示，哪些函数将被测试或者保存。
模态测试常用的处理函数如下：
  • 时间 （Time）
通过“Time”子窗口，可以记录通程（Throughput）时间历程数据（图14）
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图14: Online Data Function –“Time”子菜单栏
 
    选中“Enable Throughput”复选框来记录原始时域数据。注意：瞬时（instantaneous）和平均的时间数据（averaged time）不是连续的时域信号（Thoughput），只有勾选“Enable Throughput”才能采集连续的原始时域信号。
 
  • 自功率谱（Autopowers）
选择测试和保存（Measure & Save）平均自功率谱“Averaged autopower”来查看激励力的大小，如图15
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图15  Online Data Function ---“Autopower” 子菜单

  自功率谱是一个用来确认每个频率下得输入力的大小的很好的工具，可以确认输入力的质量。
 
  • 频响函数（FRF）
测试和保存（Measure & Save）频响函数“FRF”用来做模态分析曲线拟合，测试和保存（Measure & Save）相干“Coherence”来查看相干性。
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图16  Online Data Function ---“FRF” 子菜单
 
频响函数(FRF) 可以通过模态曲线拟合方法来确定结构的模态。
相干函数作为检查FRF函数的工具，是一个统计学指标，表示给定的输入和输出之间是否相关（即线性相关程度），如图17所示。
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图17 相干系数（上面，绿色）作为FRF（下面，红色）的一个质量指标
 
相干的值在0到1之间，1表示输入和输出之间是完全线性的和可重复的。0表示完全缺乏相关性。
 
  • 主分量分析（PCA）
  测试和保存 （"Measure & Save" ）参考和1个响应通道的PCA（PCA on references and 1 response）来检查各激振器力信号之间是否相关，如图18所示。
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图18  Online Data Function ---“PCA” 子菜单
在理想的模态测试中，所有的激振器输入力之间需要非相关，另外，响应最好完全由输入引起。
当两个或者更多的力信号相关时，意味着这其中的一个力信号是其他力信号的线性组合，这就无法计算频响函数。
主分量分析（PCA）可以确定有多少各非相关的输入信号，是否有其他的未知力信号作用在系统上。
  • 主分量（Principal components）是基于互谱矩阵的奇异值分解，包括所有的参考通道和用户选定的响应通道。
  • 互谱矩阵的秩等于非相关信号源的数量，因此一个理想的设置情况下，矩阵的秩等于输入力的个数
  • 奇异值分解在每个频率线上进行，特征根结果为频率的函数，这就有主分量函数。
两个激振器的模态测试的主分量分析结果如图19.
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图19 对两激振器模态测试，PCA on references and 1 response显示两个独立的信号源（红色和绿色），没有其他的源作用在系统上（蓝线）
 
  • 通道参数（Channel Parameters）
   ‘Channel Parameters’子工作簿定义了激活通道的终止电压大小，如图20。
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图20  MIMO FRF Setup 工作簿Channel Parameters
 
可选的安全特征避免了结构长期暴露在不安全的激励大小中。 当结构过载后，测试将按照“Averaged Parameters—>Advanced”里面具体的设置来执行。
 
  • 采集参数（Acquisition Parameters）
利用“Acquisition Parameters”来定义测试需要的分析带宽和频率分辨率（图21）以及平均次数。
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     图21 采集参数设置（Acquisition parameters setup）
 
注意：根据选择的信号源的类型不同，用户可以设置的参数也不一样。例如，周期平均次数只有当采集模式是周期（periodic）时才可见。

“Acquisition Control”方法必须根据信号类型选择（如猝发随机Burst Random信号要求猝发Burst采集模式）. 如果选择不正确，软件不允许进行测试。在下方会显示红色错误并提示应该选择何种采集模式，如图22，信号类型为Burst Random，但是采集模式是用的默认的Free Run，则下方会提示错误：“Output1:Signal Type “Burst Random” only allowed for acquisition mode “Burst””， 将Mode设置为Burst, 则报错消失，下方变为绿色）

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图22 信号类型必须和采集模式一致

最后，当使用非周期信号时，需要加窗函数，一般为汉宁窗（Hanning） （注意： uniform窗相当于不加窗）
 
  1. MIMO FRF Measure测试
下图就是测试界面（图23）
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图23 Measure工作簿执行测试

  按照下面的步骤进行测试：
  1. 点击进入下方的MIMO FRF Measure工作簿
  2. 在Run区域可以直接修改测试名称
  3. 点Arm按钮进入准备状态，系统现在可以随时开始测试
  4. 点击Start按钮开始测试
  5. 在Response栏的右侧下拉菜单选择需要在线监控的通道以及函数
  6. 测试完成后，测试状态栏会显示“Normal End”
 
  1. Validate数据验证
Overview栏用来预览当前和之前的测试数据（FRF, Coherence，Autopower等）
另外几何显示（Geometry Display）栏可以用来查看是否所有的频响都采集到，没有缺失的测点，如图24。
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图24  Validate数据验证

在验证频响质量合格后，可以用来进行模态分析，通过Tool---Add ins---Modal Analysis来进行曲线拟合获取模态频率、阻尼和模态阵型
 
 

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