——我用激振器方法對一根簡單梁進(jìn)行試驗，可得到的模態(tài)看起來似乎有些不對？是哪里有問題？

——我們來考慮一下激振器頂桿的問題。

對于試驗?zāi)B(tài)分析，在設(shè)置激振器和“頂桿”或“推力桿”的連接裝置的過程中，如果不注意，激振器試驗會出現(xiàn)一些特別的問題。圖1為用激振器對一個簡單的懸臂梁做模態(tài)試驗時的安裝示意圖，使用頂桿的目的是僅允許軸向力傳遞到結(jié)構(gòu)上去，通過力傳感器測量拉壓型載荷的大小。

圖1 經(jīng)典激振器試驗配置

頂桿的作用是傳遞軸向力的同時盡可能減小橫向力被傳遞到系統(tǒng)上，從理論上講，我們可以通過分離體圖知道有多大的力通過激振點傳遞給結(jié)構(gòu)，因而頂桿及激振器都不會影響被測結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。假設(shè)頂桿完全沒有橫向剛度，對于系統(tǒng)的總體動態(tài)特性沒有影響。這是極其重要的，因為力傳感器僅僅測量所施加的軸向載荷，如果有任何其他的載荷（橫向載荷或者彎矩載荷）產(chǎn)生，力傳感器也并不能測量這些載荷。

下面來描述一下測量的過程，如圖1所示，對一根彈性相當(dāng)強(qiáng)的梁進(jìn)行激振器測試。然而，由于頂桿相對較短，頂桿的轉(zhuǎn)動剛度可能會影響梁的彈性模態(tài)。

讓我們觀察已進(jìn)行的一些測量，圖2為由長度較短的頂桿作用在結(jié)構(gòu)上得到的頻響函數(shù)。長度較短的頂桿引起的轉(zhuǎn)動剛度的影響將更顯著，特別是對于測試下的柔性梁。模態(tài)測試得到的前兩個峰為梁的經(jīng)典第1階和第2階彎曲模態(tài)。然而，接下來的兩個峰卻顯示為兩個本質(zhì)上相同的經(jīng)典第3階彎曲模態(tài)。得到的頻響函數(shù)僅僅是處于測試下的柔性梁，而不是頂桿。

接下來的測試（以及包括頂桿本身上的測量結(jié)果）表明這兩個峰實際上是調(diào)諧的減振器效應(yīng)引起的。頂桿與結(jié)構(gòu)第3階模態(tài)振型同相位，而與結(jié)構(gòu)的第4階模態(tài)振型反相位。力傳感器僅僅測量激振器沿軸向傳遞給結(jié)構(gòu)的載荷，而沒有測量與梁轉(zhuǎn)動剛度相關(guān)的轉(zhuǎn)動效應(yīng)，它由頂桿引入，但在安裝位置，相對于梁而言，頂桿看起來像一根轉(zhuǎn)動的彈簧。為了證實這種想法，在結(jié)構(gòu)的第二次試驗中用了一根更長的頂桿。長頂桿有效地減少了作用到被測結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)動剛度效應(yīng)。

圖3為使用長頂桿時的頻響函數(shù)。顯然，這次的頻響函數(shù)更干凈并且與期望的梁振型一致，簡單進(jìn)行模態(tài)分析就可以看到前三階模態(tài)對應(yīng)于常規(guī)的懸臂梁的模態(tài)振型。

圖2 短頂桿得到的FRF

圖3 長頂桿得到的FRF

顯然，因配置的頂桿不同，結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)所對應(yīng)的頻率有明顯的移動。引起頻率變化的原因有很多，可能是質(zhì)量荷載的影響、頂桿的影響和不同的測試設(shè)置的影響等。（這些測量結(jié)果是由別人提供的，所以我不清楚實際的試驗設(shè)置——但是影響非常明顯）。第3個峰是迥然不同的，由于調(diào)諧式減振器的原因，可以清晰地觀察到主峰有分叉，測量得到的響應(yīng)幅值也明顯偏?。ㄒ娬{(diào)諧減振器理論）。

對于測試系統(tǒng)，如果這個推力桿充當(dāng)了調(diào)諧減振器，則圖4展示了可能產(chǎn)生的預(yù)期振型。（同樣，這些測量結(jié)果也是別人提供的，此處用來說明預(yù)計存在的影響）。顯然，推力桿越短，在結(jié)構(gòu)連接點上，推力桿的轉(zhuǎn)動效應(yīng)越明顯。如果推力桿恰好具有跟主結(jié)構(gòu)的某階模態(tài)相同的頻率，那么，這種耦合無疑會產(chǎn)生如圖2所示的頻響函數(shù)。

圖4 頂桿調(diào)諧效應(yīng)

（備注：振型沒有歸一；草繪振型是為了顯示頂桿轉(zhuǎn)動剛度與被測結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)）

顯然，激振器頂桿的長度對準(zhǔn)確測量頻響函數(shù)起著非常重要的作用。如果頂桿太短，那么在測得的頻響函數(shù)中可以看到剛度強(qiáng)化效應(yīng)，對于這種情況，很容易看到調(diào)諧減振器效應(yīng)。這種調(diào)諧吸振器效應(yīng)不一定在每一個推力桿使用中都會發(fā)生，但在特定的試驗中會出現(xiàn)。

圖5為長、短頂桿得到的兩個頻響函數(shù)的重疊圖。兩個測量結(jié)果進(jìn)行比較，表明兩種測量得到的系統(tǒng)各階模態(tài)均存在明顯差異。

圖5 FRF比較

我希望這一點討論已經(jīng)把關(guān)于激振器頂桿影響的問題解釋清楚了。如果您有關(guān)于模態(tài)分析的任何其它問題，歡迎垂詢。

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