軸類(lèi)零件扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試方法研究

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)軸類(lèi)零件扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試方法研究學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)部（系）：機(jī)械與電氣工程學(xué)部專業(yè)年級(jí)：09級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：職稱或?qū)W位：教授2013年5月27日目錄TOC\o"1-3"\h\u27490摘要 331881關(guān)鍵詞 320190Abstract 410926KeyWords 4128681.緒論 5205121.1課題概述 519511.1.1課題背景 5248581.1.2研究目的及意義 5315391.2軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 615261.2.1軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀 6134291.2.2軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 7283711.3扭振測(cè)試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 760381.4論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 9228862.軸類(lèi)扭振測(cè)量方法分析 10216612.1接觸測(cè)量法 105652.2非接觸測(cè)量法 12143742.3調(diào)制解調(diào)法 14176192.4本章小結(jié) 1449263.模態(tài)分析基本理論 1527743.1理論模態(tài)分析基本理論 15314773.1.1背景概述 15265223.1.2模態(tài)理論分析 15260053.2試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論 16284373.2.1背景概述 1668303.2.2模態(tài)激振方法 1721163.2.3模態(tài)分析系統(tǒng) 18215833.3試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析步驟 19163743.4本章小結(jié) 1989904.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 2017934.1試驗(yàn)方案 20297504.1.1試件的設(shè)計(jì)思想 20243654.1.2基于MSC-Nastran轉(zhuǎn)軸模態(tài)仿真分析 22202114.1.3仿真分析結(jié)果 22215864.2模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng) 23210084.3模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程 24193204.3試驗(yàn)結(jié)果與分析 28293804.4本章小結(jié) 29163895.總結(jié)與展望 30219565.1全文總結(jié) 3018425.2工作展望 306482參考文獻(xiàn) 3113414致謝 33軸類(lèi)零件扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試方法研究摘要扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問(wèn)題普遍存在于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中。對(duì)于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，扭振的破壞性很強(qiáng)，不僅影響機(jī)械運(yùn)行的平穩(wěn)性，而且極易引起機(jī)械的結(jié)構(gòu)松散和疲勞斷裂，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。隨著機(jī)械的大型化、高速化發(fā)展，軸類(lèi)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，使得扭振問(wèn)題愈發(fā)突出。但是到目前為止，扭振測(cè)試技術(shù)還不是很成熟，傳統(tǒng)的扭振測(cè)量?jī)x器大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析功能有限、價(jià)格比較昂貴等問(wèn)題，導(dǎo)致扭振測(cè)試精度及測(cè)試效率受到限制，因此需要利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)開(kāi)發(fā)新型扭振測(cè)試系統(tǒng)。為檢測(cè)軸類(lèi)零件扭振時(shí)的動(dòng)態(tài)性能,本文采用有限元分析和模態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)軸類(lèi)進(jìn)行振動(dòng)研究。首先利用MSC-Nastran軟件對(duì)被測(cè)軸進(jìn)行模態(tài)仿真分析,求解得出前2階固有扭振頻率和相應(yīng)的主振型；然后選用錘擊激勵(lì)法對(duì)被測(cè)軸進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證該測(cè)試方法的可靠性。對(duì)誤差原因進(jìn)行分析研究,為軸類(lèi)零件的進(jìn)一步動(dòng)力學(xué)研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。本文的研究結(jié)果具有較大的工程實(shí)際意義，對(duì)于實(shí)際軸系的扭振檢測(cè)和研究具有一定的參考價(jià)值,為今后測(cè)試和研究大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸類(lèi)的扭振特性及實(shí)現(xiàn)扭振故障診斷、抑制與消除等提供理論與技術(shù)支持。關(guān)鍵詞:主軸；扭振測(cè)試；模態(tài)分析；錘擊法StudyonthetorsionalvibrationtestofshaftpartsAbstractTorsionalvibrationproblemscommonlyarefoundinvariousrotatingmachinery.Itishighlydestructiveespeciallyforlargerotatingmachinery,itcouldnotonlyaffectmachines’runningstability,butalsoeasilycausefatiguefractureandstructurelooseandevenseriousproductionaccidents.Withthedevelopmentofmaximizationandhi-speedoperationoftherotatingmachinery,unitshaftsystembecomesmoreandmorecomplex,makingtorsionalvibrationproblemsbecomeincreasinglyprominent.However,uptonow,torsionalvibrationmeasurementtechnologyisstillimmature,thereareproblemsinmostofthemeasuringinstrumentsinpracticalapplicationatpresent,suchascomplexstructures,limitedanalysiscapabilities,higherrequirefortestconditions,etc.,resultthatit’sdifficulttoimprovethetestaccuracyandtestefficiency,andthustoapplytheexistingmaturetechnologytodevelopnewtypeoftorsionalvibrationtestsystemisnecessary.Forthedynamicperformancetestofshaftparts’torsionalvibration,thispaperadoptedfiniteelementmethodandtheexperimentalstudyonthespindlevibration.MSCNastran-modalanalysiswascarriedoutonthemodalsimulationanalysisofthemeasuredshaft,thenthefirsttwoordernaturalvibrationfrequencyandthecorrespondingmainvibrationmodeareestablished.Hammeringmethodisusedtoanalysisthedynamicresponseofspindle,throughcomparativeanalysisoftestdataandFEMresults,verifytherationalityoffiniteelementmodel,anddiscussthecauseoftheerror,whichprovidesanimportantbasisforfurtherresearchandoptimizationofdynamicdesignforshaftparts.Theresultofthisresearchisprovidedwithgreatsignalityofpracticalengineeringprovidingthetheoreticalandtechnicalsupportfortestingandstudyingtorsionalvibrationoflargerotarymachineandachievingtorsionalvibrationon-linemonitoring,faultdiagnosisandsoon.KeyWords:Shaft;Torsionalvibrationtest;Modalanalysis;Hammeringmethod1緒論1.1課題概述1.1.1課題背景旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域中的使用已經(jīng)很普遍了，軸類(lèi)是其核心部件，被廣泛應(yīng)用于工程車(chē)柴油機(jī)、船舶推進(jìn)裝置、汽輪發(fā)電機(jī)組中，在電力、航海、航空、機(jī)械化工等領(lǐng)域中起著十分重要的作用。軸類(lèi)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈性連續(xù)體，具有無(wú)窮多階扭振固有頻率，很容易受到交變扭振作用而產(chǎn)生扭振，因此軸類(lèi)的扭振問(wèn)題不容忽視。首先，隨著機(jī)械向大型化、輕量化（相對(duì)剛度變?。┑姆较虬l(fā)展，其軸類(lèi)部件的柔度不斷加大，使固有頻率呈下降的趨勢(shì)。柔性激勵(lì)因素引發(fā)軸類(lèi)自激振動(dòng)，如汽輪機(jī)的蒸汽激勵(lì)、內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣波動(dòng)、直升飛機(jī)的螺旋槳空氣擾動(dòng)、大型鼓風(fēng)機(jī)的空氣擾動(dòng)等因素容易激勵(lì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，從而導(dǎo)致扭振的產(chǎn)生。其次，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，化工機(jī)械中的進(jìn)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，紡織機(jī)械中的高速紗錠等）越來(lái)越復(fù)雜。舉發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸類(lèi)來(lái)說(shuō)，隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，以及為確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所采取的相應(yīng)措施都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子軸類(lèi)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，誘發(fā)各種形式的扭振，甚至引發(fā)共振。最后，機(jī)械轉(zhuǎn)子軸類(lèi)常常工作在高速狀態(tài)下，并且是汽輪機(jī)、渦輪壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等重要設(shè)備的核心部件，它們的運(yùn)行狀況好壞非常關(guān)鍵，一旦轉(zhuǎn)子軸類(lèi)發(fā)生故障，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是災(zāi)難性的后果。據(jù)調(diào)查，在很多大型低速回轉(zhuǎn)機(jī)械的故障中，最主要形式之一是主傳動(dòng)軸的損壞，它破壞性非常大，而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)又是引起主軸損壞的主要因素之一。扭振產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力使軸類(lèi)各斷面受到交變的剪切應(yīng)力,導(dǎo)致軸類(lèi)材料的疲勞積累,輕則引起較大的噪聲并加速零件的磨損,從而縮短其工作壽命。重則形成裂紋、切口,并逐漸擴(kuò)散,導(dǎo)致軸類(lèi)的斷裂和崩潰,其后果往往是毀滅性的惡性事故,損失極為慘重[1].如1972年日本海南電廠的一臺(tái)66萬(wàn)千瓦汽輪發(fā)電機(jī)組，在試車(chē)過(guò)程中因?yàn)榘l(fā)生異常振動(dòng)而導(dǎo)致全機(jī)損壞，長(zhǎng)達(dá)51米的主軸斷裂飛散，聯(lián)軸節(jié)及汽輪機(jī)葉片飛散在百米之外；1986年4月前蘇聯(lián)切爾若貝利核電站四號(hào)機(jī)組發(fā)生發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)而造成核泄漏，導(dǎo)致2000多人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)30億美元[2]。類(lèi)似的災(zāi)難性的故障，給各國(guó)在如何測(cè)量大型機(jī)械轉(zhuǎn)子軸類(lèi)的扭振及故障診斷等方面，提出了一個(gè)嚴(yán)峻的課題。因此，本課題以此為背景，對(duì)轉(zhuǎn)子軸類(lèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行深入分析研究,尋求新的扭振測(cè)試方法,以克服傳統(tǒng)測(cè)量方法的固有弊端，具有極其重大的理論和實(shí)踐意義。1.1.2研究目的及意義機(jī)械振動(dòng)是指機(jī)械或機(jī)構(gòu)在它的靜平衡位置附近往復(fù)彈性運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。扭轉(zhuǎn)振動(dòng),是其基本的振動(dòng)形式之一[3]。大多數(shù)軸類(lèi)都用來(lái)傳遞扭矩,外加負(fù)載或者驅(qū)動(dòng)力矩的變化會(huì)引起軸的扭振,扭振產(chǎn)生的根本原因是軸自身并非絕對(duì)剛體，而存在彈性。因而在以平均速度旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，軸的各彈性部分間會(huì)由于各種原因而產(chǎn)生不同大小和不同相位的瞬時(shí)速度波動(dòng)，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸沿旋轉(zhuǎn)方向來(lái)回扭動(dòng)，形成扭振。但是與測(cè)量橫向振動(dòng)相比,測(cè)量扭振要困難的多，一方面，扭振振動(dòng)表現(xiàn)形式不明顯，使得扭振造成的疲勞破壞具有較大的隱晦性；另一方面，扭振信號(hào)信噪比很差,加上橫縱向振動(dòng)的干擾,使扭振信號(hào)的采集和分析處理比較困難。目前隨著機(jī)械的大型化和高速化，生產(chǎn)設(shè)備的精度、安全性要求，扭振問(wèn)題也日趨突出，成為影響機(jī)械設(shè)備性能和壽命的重要因素。截至目前，測(cè)量技術(shù)還不是很成熟，信號(hào)采集與分析的改進(jìn)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改善。特別是在適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、提高測(cè)量精度等方面，還有待深入研究[4]。同時(shí)，扭振測(cè)試也是各種機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研究、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全和優(yōu)化裝置等工作中必不可少的內(nèi)容。此外，扭振測(cè)試可用于檢驗(yàn)加工、裝配過(guò)程中，各工序、各部件是否存在缺陷和錯(cuò)誤。而通過(guò)大量扭振測(cè)試，還可以積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使原有的理論不斷完善，進(jìn)而指導(dǎo)新的設(shè)計(jì)。最后，扭振測(cè)量結(jié)果為軸類(lèi)狀態(tài)分析和故障診斷提供可靠的信息。扭振測(cè)試獲得的信號(hào)中，包含了豐富的轉(zhuǎn)軸工作的狀態(tài)信息，通過(guò)這些狀態(tài)信息，研究人員可以判斷轉(zhuǎn)軸的工作狀態(tài)是否正常，是否存在故障和其它問(wèn)題，深入了解故障的機(jī)理，為故障的預(yù)防、診斷和排除提供可靠信息。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)軸類(lèi)扭振固有特性的研究，可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)知軸類(lèi)的扭振特性，從而及時(shí)修改結(jié)構(gòu)或者對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生；即使軸類(lèi)出現(xiàn)故障時(shí)，也可盡快的發(fā)現(xiàn)事故原因，并及時(shí)處理由于振動(dòng)造成的故障，防止災(zāi)害事故發(fā)生，這對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)與診斷具有非常重要的意義。1.2軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀從國(guó)外文獻(xiàn)來(lái)看，有些系統(tǒng)在特定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下會(huì)出現(xiàn)過(guò)度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象，1965年Draminsky[5]首次對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了研究。1987年HestermannandStone[6]等人開(kāi)發(fā)了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)疊加模態(tài)技術(shù)，并將之用于預(yù)測(cè)內(nèi)燃機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性。從國(guó)外扭振測(cè)試產(chǎn)品角度來(lái)講，世界上第—臺(tái)扭振測(cè)量?jī)x－蓋革爾扭振測(cè)量?jī)x[7]，是1916年德國(guó)人發(fā)明的。它模仿慣性式速度傳感器,設(shè)計(jì)巧妙，從信號(hào)獲取到記錄全部采用機(jī)械結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)測(cè)量,但是安裝麻煩，測(cè)試?yán)щy，數(shù)據(jù)精度低，易磨損。到1968年后，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始對(duì)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸類(lèi)的扭振進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)探索。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組扭振固有頻率的理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，從而評(píng)估軸類(lèi)的疲勞壽命，并開(kāi)發(fā)了一系列的扭振監(jiān)測(cè)儀器，但此類(lèi)儀器測(cè)試設(shè)備繁多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合在工業(yè)中推廣應(yīng)用。20世紀(jì)70年代后，國(guó)外相繼研發(fā)出了一批電子扭振儀，如美國(guó)本特利[8]公司生產(chǎn)的TVSC型，英國(guó)AEDL公司生產(chǎn)的TV型，日本公司生產(chǎn)的DP-840型。到20世紀(jì)90年代后，數(shù)字式扭振測(cè)量?jī)x開(kāi)始問(wèn)世，如比利時(shí)西門(mén)子公司的QTV扭振測(cè)量模塊。此類(lèi)儀器充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，并且可以保證扭振和其它振動(dòng)及聲學(xué)測(cè)量通道即時(shí)、同步地采集數(shù)據(jù)。此外，它有良好的精度，測(cè)量設(shè)置的操作十分容易，但此類(lèi)儀器硬件較多，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的要求高，價(jià)格昂貴，所以應(yīng)用不廣[9-10]。1.2.2軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀從國(guó)內(nèi)發(fā)表的文獻(xiàn)可知,1981年陳之炎[11]對(duì)內(nèi)燃機(jī)軸類(lèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行了初步的研究，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)作了較為詳盡的分析，指出了傳統(tǒng)分析方法的利弊，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。1997年，張建勛、羅德?lián)P[12]利用希爾伯特變換技術(shù)對(duì)扭振信號(hào)進(jìn)行幅、相解調(diào)，將其用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的檢測(cè)和分析。由于整個(gè)解調(diào)過(guò)程是數(shù)字化的.因而具有精度高、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)等一系列傳統(tǒng)模擬方法所不可比擬的優(yōu)點(diǎn),并摒棄了復(fù)雜、昂貴而精度有限的扭振傳感器.2003年太原理工大學(xué)機(jī)電所的熊曉燕[13]提出了一種高分辨率扭振測(cè)量方法及信號(hào)的相應(yīng)調(diào)制解調(diào)方式.該方法簡(jiǎn)單可靠,精度較高，而且在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。2008年楊建國(guó)、胡旭鋼[14]依據(jù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測(cè)量原理，在深入研究扭振信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)出了基于Lab-view扭振測(cè)量虛擬儀器。并選擇柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)比西門(mén)子公司的QTV扭振測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了測(cè)量?jī)x的計(jì)算精度，測(cè)量誤差可滿足工程扭振測(cè)量的要求，不但減少了硬件設(shè)備，而且測(cè)量成本也大大降低。2009年清華大學(xué)的張敏杰、郭丹[15]設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)效應(yīng)的轉(zhuǎn)子扭振振動(dòng)測(cè)量及相應(yīng)的信號(hào)提取方法。該方法對(duì)硬件性能要求不高，利用信號(hào)的幅值提取扭振，算法簡(jiǎn)單。而且能更好的消除軸向振動(dòng)和部分橫向振動(dòng)。具有精確性良好，安裝簡(jiǎn)單，操作方便的特點(diǎn)。從扭振測(cè)試產(chǎn)品角度來(lái)講，國(guó)內(nèi)也有一些廠家研發(fā)和生產(chǎn)測(cè)試扭振的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的有上海生產(chǎn)的成套DTV-88型、東南大學(xué)研制出的NZ-T型以及清華大學(xué)研制的DK-IIA型等。此類(lèi)監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算、處理、分析、輸出等功能，但要求被測(cè)軸上安裝有嚴(yán)格的等分機(jī)構(gòu)，且其準(zhǔn)確精度直接受到測(cè)量基準(zhǔn)的影響。1.3扭振測(cè)試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)轉(zhuǎn)軸扭振機(jī)理的深入研究,扭振測(cè)量?jī)x器的發(fā)展大致經(jīng)歷了[1.16.17]機(jī)械式、模擬電路式、數(shù)字電路式等發(fā)展階段。這些儀器滿足了不同時(shí)期生產(chǎn)的要求,保障了社會(huì)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，為此后高級(jí)的扭振測(cè)試儀器的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。雖然都是扭振測(cè)試儀，但是不同階段的扭振裝置有著不同的形式和特點(diǎn)。1.機(jī)械式扭振儀機(jī)械式扭振儀以蓋格爾扭振儀（世界上第—臺(tái)扭振測(cè)量?jī)x）為代表，是最早測(cè)量扭振的設(shè)備。它模仿慣性式速度傳感器測(cè)量原理,設(shè)計(jì)十分巧妙,可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量,從信號(hào)獲取到記錄全部采用機(jī)械結(jié)構(gòu)。測(cè)量時(shí),用皮帶將被測(cè)軸與扭振儀的皮帶輪相聯(lián),使扭振傳遞到頭架上,飛輪以頭架的平均角速度旋轉(zhuǎn),皮帶輪以頭架的瞬態(tài)角速度旋轉(zhuǎn),二者之間用蝶形彈簧聯(lián)接,它們之間的相對(duì)角位移用杠桿測(cè)量并放大后去推動(dòng)記錄筆。此類(lèi)扭振儀測(cè)試原理簡(jiǎn)單，使用方便。但也因軸的扭振是通過(guò)皮帶傳遞的,皮帶的彈性振動(dòng)會(huì)引起失真，所以測(cè)試精度不高。此外，機(jī)械式測(cè)量記錄系統(tǒng),響應(yīng)帶寬非十分有限。由于蝶形彈簧軟度的限制,頻率很低的扭振不能測(cè)量,高轉(zhuǎn)速、高頻率扭振信號(hào)測(cè)試的要求也無(wú)法滿足。所以應(yīng)用不廣現(xiàn)在只用于中、低速柴油機(jī)的扭振測(cè)試中。2.模擬式扭振儀模擬式扭振儀根據(jù)傳感器和被測(cè)轉(zhuǎn)軸接觸與否,分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N.接觸式扭振儀，如丹麥的DISA、英國(guó)的G318、上海內(nèi)燃機(jī)所的SZN-1型電感調(diào)頻式電子扭振儀等，是將傳感器(應(yīng)變計(jì),壓電式加速度計(jì)等)安裝在被測(cè)軸上,獲取信號(hào)后通過(guò)集流環(huán)或者無(wú)線電發(fā)訊方式傳給儀器。模擬式扭振儀(如英國(guó)AE公司生產(chǎn)的TVI-5型、美國(guó)本特利公司的扭振儀等)一般采用的是測(cè)齒法原理，通過(guò)測(cè)量角速度的變化量而達(dá)到測(cè)量扭振的目的。由于模擬扭振儀采用模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)和分析處理,所以抗干擾能力差,對(duì)低頻、低扭角（<0.1°）測(cè)試?yán)щy，現(xiàn)已很少使用。3.數(shù)字式扭振儀此類(lèi)扭振儀器無(wú)論在測(cè)量精度和抗干擾能力上都比模擬電路式扭振儀有顯著的進(jìn)步。它又可分為大型扭振監(jiān)測(cè)設(shè)備和經(jīng)濟(jì)型扭振監(jiān)測(cè)設(shè)備兩類(lèi)。第一類(lèi)為大型扭振監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括TSA(扭應(yīng)力分析系統(tǒng))和TVMS(扭振監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。它的特點(diǎn)是整合與扭振有關(guān)的多種信號(hào),如汽輪機(jī)電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)等,然后通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算程序或電子摸擬線路,進(jìn)行轉(zhuǎn)軸受力計(jì)算,獲得有關(guān)截面的扭角、振幅、應(yīng)力等扭振特性，再配以大容量的數(shù)據(jù)檔案存儲(chǔ)系統(tǒng),和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī),就構(gòu)建了一個(gè)大范圍的扭振信息綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如美國(guó)GE公司和電力研究所所研制的TMS、德國(guó)KWU公司開(kāi)發(fā)的TSA等。此類(lèi)系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)若干發(fā)電廠內(nèi)若干機(jī)組的扭振情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算軸類(lèi)疲勞壽命消耗，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷功能，性價(jià)比較高，但這類(lèi)扭振監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)配件多且價(jià)格昂貴，不適合中國(guó)企業(yè)的實(shí)際。第二類(lèi)為經(jīng)濟(jì)型扭振監(jiān)測(cè)設(shè)備，它主要用于監(jiān)測(cè)扭振位移,并以此作為測(cè)試機(jī)組固有頻率、扭振致因和扭振阻尼的理論依據(jù)。這種類(lèi)型的扭振裝置的測(cè)量原理也可歸結(jié)為測(cè)齒法。如上海生產(chǎn)的成套DTV-88型、東南大學(xué)研制出的NZ-T型以及清華大學(xué)研制的DK-IIA型等扭振測(cè)量?jī)x都屬于這種類(lèi)型。此類(lèi)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便,使用16位單片機(jī)即可完成包括數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、運(yùn)算處理、實(shí)時(shí)譜分析、數(shù)字顯示、輸出等功能。但測(cè)量精度不是很高，難以滿足高精度的測(cè)量要求。4.激光扭振儀基于多普勒效應(yīng)的激光扭振測(cè)量?jī)x是近幾年國(guó)外研制成功的。這類(lèi)扭振測(cè)量?jī)x主要由光學(xué)感應(yīng)頭、信號(hào)處理和信號(hào)分析三大部分組成，其原理是當(dāng)激光束照射到軸的表面時(shí),該表面的線速度就會(huì)使散射光產(chǎn)生多普勒頻移,頻移量的瞬間值即表征了軸的瞬時(shí)角速度,分離出其中的直流分量,即可得到軸的扭振信號(hào)。這類(lèi)測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是不需專門(mén)建立測(cè)量基準(zhǔn),測(cè)點(diǎn)容易設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)扭振的絕對(duì)測(cè)量,但不足之處在于受到轉(zhuǎn)軸的橫向振動(dòng)及其截面的圓度誤差的直接影響,測(cè)量精度很難提高，而且測(cè)試設(shè)備復(fù)雜昂貴,難于大范圍推廣使用?？傊?和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比,無(wú)論是在轉(zhuǎn)軸扭振機(jī)理的研究方面，還是在測(cè)扭儀的研發(fā)上,國(guó)內(nèi)還存在不小的差距。因此在較短的時(shí)間里，如何縮短和先進(jìn)國(guó)家的差距，盡快的開(kāi)發(fā)和完善我國(guó)新型的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試儀器,以促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,是機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域的一項(xiàng)迫切任務(wù)。1.4論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本文的主要任務(wù)是根據(jù)現(xiàn)有的扭振測(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法，研制與建立扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測(cè)試方法，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，采用壓電加速度計(jì)對(duì)被測(cè)軸進(jìn)行扭振測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證該測(cè)試方法的可靠性。論文結(jié)構(gòu)安排如下：第一章緒論。首先介紹了課題研究背景和研究目的及意義，接著介紹了軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后分析了扭振測(cè)試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章軸類(lèi)扭振測(cè)量方法分析。詳細(xì)闡述了目前使用的軸類(lèi)扭振的接觸測(cè)量法、非接觸測(cè)量法以及調(diào)制解調(diào)分析法，并比較它們之間的異同。第三章模態(tài)分析的基本理論。簡(jiǎn)要介紹了理論模態(tài)分析、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論和模態(tài)激振方法。然后闡述了試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的組成和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析步驟，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和試驗(yàn)方案的制定奠定了理論基礎(chǔ)。第四章被測(cè)軸扭振實(shí)驗(yàn)研究。簡(jiǎn)要介紹了有限元分析步驟，并應(yīng)用MSC-NASTRAN軟件對(duì)實(shí)測(cè)軸進(jìn)行仿真分析，得到理論計(jì)算結(jié)果。利用自己設(shè)計(jì)的扭振測(cè)試裝置和比利時(shí)的LMSTest.Lab(模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試與分析系統(tǒng))，進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出結(jié)論。第五章結(jié)論與展望。對(duì)所做的工作進(jìn)行總結(jié)并對(duì)今后的深入研究工作提出展望。

2軸類(lèi)扭振測(cè)量方法分析測(cè)量扭振就是要測(cè)取旋轉(zhuǎn)軸由交變角速度變化引起的角速度變化量或測(cè)點(diǎn)處的扭角及頻率變化規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的測(cè)量扭振的方法主要有兩大類(lèi)：接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量[16]。前者是將傳感器（應(yīng)變片,加速度計(jì)）等安裝在被測(cè)軸上,測(cè)量信號(hào)通過(guò)集流環(huán)抑或無(wú)線電發(fā)訊方式送至記錄或分析儀器。后者采用“測(cè)齒法”,即利用軸上的等分結(jié)構(gòu)（如碼盤(pán)、齒輪等）測(cè)量角速度的波動(dòng)量而達(dá)到測(cè)量扭振目的。2.1接觸測(cè)量法接觸測(cè)量法是將傳感器安裝在轉(zhuǎn)子上利用傳感器直接感受轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)信號(hào)，再通過(guò)無(wú)線電發(fā)送方式傳到接收端，經(jīng)過(guò)分析獲得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的特征。其典型的應(yīng)用是把應(yīng)變片貼在軸上或在軸上沿軸截面切向安裝壓電式加速度計(jì)。以應(yīng)變片為例，其測(cè)量裝置如圖2-1所示，將應(yīng)變片互成90°粘貼在待側(cè)軸上，并連接成電橋。當(dāng)扭振發(fā)生時(shí)，應(yīng)變片作為敏感元件,來(lái)測(cè)量剪應(yīng)變,剪應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況就反映了被測(cè)件的扭振信息。圖2-1應(yīng)變片測(cè)量法應(yīng)變片測(cè)量法具有較寬的頻響范圍和較高的靈敏度，但也存在不足之處：首先是需要在待測(cè)軸上安裝傳感器和信號(hào)傳輸裝置,但是常常受到安裝位置限制，不得不破壞被測(cè)軸的固有結(jié)構(gòu)。其次是在較高速度條件下工作時(shí)，測(cè)試精度難以保證，而且傳感器的維護(hù)以及信號(hào)傳輸比較困難。特別對(duì)于一些大型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)軸表面線速度很非常高，若長(zhǎng)時(shí)間工作，大部分傳感器將會(huì)失效，測(cè)量誤差也會(huì)增加，同時(shí)電滑環(huán)的引出信號(hào)不穩(wěn)定也會(huì)影響測(cè)量精度。再次是應(yīng)變片的布置要能消除軸的橫向振動(dòng)的干擾,并能實(shí)現(xiàn)溫度影響的自動(dòng)補(bǔ)償。但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，相應(yīng)的處理電路搭建并不容易實(shí)現(xiàn)。此外，也可用壓電式加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量簡(jiǎn)圖如下圖2-2所示,在被測(cè)軸上安裝一個(gè)與之同速旋轉(zhuǎn)的安裝盤(pán)，在安裝盤(pán)上對(duì)稱布置兩個(gè)完全相同的加速度計(jì)，并保持轉(zhuǎn)軸截面的切線方向和加速度計(jì)的敏感方向一致，且二者到轉(zhuǎn)軸的中心的距離相等。圖2-2加速度計(jì)測(cè)量法當(dāng)扭振發(fā)生時(shí)，安裝在軸上的同速旋轉(zhuǎn)的盤(pán)也將產(chǎn)生同步的振動(dòng)。扭振信號(hào)可以看做是不同頻率和幅值的簡(jiǎn)諧分量的疊加，因此被測(cè)角位移為：(2-1)式中：—幅值；—角頻率；—初始相位；一對(duì)加速度計(jì)對(duì)稱安裝，在切向方向的扭振信號(hào)相同，但在徑向方向，由彎曲振動(dòng)引起的測(cè)量誤差恰好大小相等，方向相反。設(shè)為第i個(gè)頻率分量的彎曲振動(dòng)對(duì)扭振產(chǎn)生的瞬態(tài)值,則傳感器1測(cè)得的角位移為：(2-2)而傳感器2所測(cè)得角位移為：(2-3)將式（2-1）和式（2-2）相加可得到總的扭振信號(hào)：(2-4)從式（2-4）可以看出，采用對(duì)稱安裝傳感器的方法，不但可以實(shí)現(xiàn)彎、扭解藕測(cè)量，而且使輸出信號(hào)幅值擴(kuò)大兩倍，因此測(cè)量精度大大提高。對(duì)于上述兩種方式，信號(hào)的傳輸問(wèn)題是一個(gè)共同的難點(diǎn).電荷信號(hào)微弱，不易傳輸，如何準(zhǔn)確地從被測(cè)軸上提取出傳感器的輸出信號(hào),是測(cè)量的關(guān)鍵?？傊?，接觸測(cè)量法都需要在軸上安裝傳感器等測(cè)量裝置,常常受到旋轉(zhuǎn)軸類(lèi)結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的限制，特別是一些回轉(zhuǎn)設(shè)備（如大型的汽輪機(jī)組）不允許停車(chē)安裝傳感器，給實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扭振帶來(lái)了困難，此時(shí)非接觸測(cè)量法就顯示出它的優(yōu)越性。2.2非接觸測(cè)量法非接觸測(cè)量包括測(cè)齒法，激光測(cè)量法。其中測(cè)齒法用的最廣泛，分為相位差法、頻率計(jì)數(shù)法，脈沖時(shí)序計(jì)數(shù)法。它借助于安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪、碼盤(pán)或均勻分布的黑白反光帶，利用光電式或磁電式傳感器感應(yīng)出脈沖序列。脈沖序列的幅值和相位都可能攜帶軸的扭振信息,通過(guò)相應(yīng)后續(xù)處理即可提取出扭振信息。對(duì)于測(cè)齒法，其測(cè)量精度受軸上等分結(jié)構(gòu)的分度誤差影響較大。誤差很大時(shí)，測(cè)試信號(hào)就會(huì)嚴(yán)重失真，因而必須對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分度誤差補(bǔ)償，才能獲得真實(shí)的扭振信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)法可以減小上述誤差的影響，使測(cè)量精度提高。其測(cè)量裝置如圖2-3所示：圖2-3脈沖計(jì)數(shù)法在待測(cè)軸的一端安裝或利用現(xiàn)成的等分齒盤(pán)，在軸的另一端選定一個(gè)突齒或凹槽作為鑒相點(diǎn)，將電渦流式傳感器安裝在齒盤(pán)和鑒相點(diǎn)旁，就可感應(yīng)出脈沖時(shí)序信號(hào)。設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器，由脈沖觸發(fā)啟動(dòng)，記錄齒盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)值。當(dāng)轉(zhuǎn)軸平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)值正常記錄齒盤(pán)的分度信息；當(dāng)扭振發(fā)生時(shí)，因瞬時(shí)轉(zhuǎn)速不同，計(jì)數(shù)值發(fā)生改變，其差值大小反映了瞬時(shí)角速度的變化程度，此時(shí)平均角速度與扭振角速度的疊加即為轉(zhuǎn)軸角速度：（2-5）采樣多組脈沖信號(hào)，并對(duì)其做相應(yīng)的信號(hào)處理，就可提取軸的扭振角速度信息。采用側(cè)齒法測(cè)量扭振時(shí)，一般來(lái)說(shuō)信號(hào)的解調(diào)方法不同。這取決于使用傳感器,若用電渦流式傳感器,則扭振信息存在于脈沖的相位中,利用調(diào)頻法經(jīng)鑒相器解調(diào)后得到扭振信號(hào)；若用電磁感應(yīng)式速度傳感器,則扭振信息存在于信號(hào)的幅值和相位信息中，利用調(diào)幅法即可得到扭振信號(hào)。然而,二者都有局限性，前者假定等分機(jī)構(gòu)的間距嚴(yán)格等分,不存在分度誤差；后者假定輪齒不存在齒廓誤差,而這兩項(xiàng)誤差是影響測(cè)量精度的主要因素，實(shí)際測(cè)量中是無(wú)法消除的，故要提高測(cè)量精度,需要改進(jìn)和發(fā)展上述方法。數(shù)字式脈沖相位解調(diào)法[18]能消除上述兩項(xiàng)主要誤差,是一種很好的改進(jìn)措施。測(cè)齒法在測(cè)量過(guò)程中不會(huì)干擾軸的正常運(yùn)行，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，因此在實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛。但側(cè)齒法要求軸上安裝有專有的等分結(jié)構(gòu)，故對(duì)于無(wú)法安裝齒盤(pán)且自身不帶有等分結(jié)構(gòu)的軸類(lèi)就無(wú)法應(yīng)用測(cè)齒法進(jìn)行測(cè)量。激光測(cè)量法是一種利用多普勒效應(yīng)測(cè)量扭振的方法，其測(cè)量原理如圖2-4所示：在系統(tǒng)中,激光的波長(zhǎng)為632.18nm。圖2-4測(cè)試系統(tǒng)光路圖激光經(jīng)分光鏡分成強(qiáng)度相等的兩束光,其中的透射光束2直接到達(dá)被測(cè)軸表面B點(diǎn),反射光束經(jīng)反射鏡、平面鏡成為與透射光2完全平行光束1,并到達(dá)被測(cè)表面A點(diǎn).這兩束平行光分別在A,B兩點(diǎn)被散射,其中一部分散射光沿原路返回,成為圖中虛線表示的后向散射光束1'和2’,兩束光再經(jīng)過(guò)透鏡處理，由光電探測(cè)儀進(jìn)行接收。根據(jù)多普勒頻移原理,兩束光在A,B兩點(diǎn)發(fā)生的頻移值分別為：(2-6)(2-7)式中,,分別為轉(zhuǎn)軸A,B兩點(diǎn)的線速度在x方向的分量,,,ω為角速度,“+,-”號(hào)取決于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向,λ為激光波長(zhǎng),為轉(zhuǎn)軸在x方向的平動(dòng)分量,γ為兩平行光束平面與轉(zhuǎn)軸橫截面的夾角,,為旋轉(zhuǎn)軸A,B兩點(diǎn)速度矢量與水平方向的夾角,,為旋轉(zhuǎn)軸A,B兩點(diǎn)的半徑。d為兩平行光束之間的距離,由圖可知是一個(gè)常量。差頻為:（2-8）測(cè)試系統(tǒng)光路圖2-4中的旋轉(zhuǎn)軸不僅存在轉(zhuǎn)動(dòng),而且還存在平動(dòng)。由式(2-8)可以看出,差頻僅僅與旋轉(zhuǎn)角速度ω成正比,與軸的平動(dòng)分量和橫截面形狀均無(wú)關(guān)。所以,實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)的分離,且測(cè)量的結(jié)果不受激光光斑在軸截面輪廓上位置的影響,這是其他扭轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法比擬的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。但這種測(cè)試設(shè)備價(jià)格昂貴、對(duì)環(huán)境要求苛刻。而且激光扭振儀只能完成單通道的測(cè)量，要進(jìn)行多通道的測(cè)量時(shí)必須同時(shí)使用多套儀器，成本將成倍增加，實(shí)際工程測(cè)量中幾乎不大可能使用?？偟膩?lái)說(shuō)，非接觸測(cè)量法不需要在軸上安裝特殊裝置,而是利用軸上已有的等分結(jié)構(gòu),測(cè)量準(zhǔn)備工作較少,測(cè)量過(guò)程也不干擾軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。它適合扭振的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)之用,將成為大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振測(cè)量和監(jiān)測(cè)的主要方法。但是也存在一些不足，軸上已有的等分齒形結(jié)構(gòu)一般齒數(shù)較少,軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周得到的脈沖數(shù)也較少,不能測(cè)到小幅度的扭振。2.3調(diào)制解調(diào)法調(diào)制解調(diào)法可以說(shuō)是間接測(cè)量法的一種。當(dāng)實(shí)際的工作環(huán)境或是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝傳感器時(shí)，采用一種間接的測(cè)量方法來(lái)獲取扭振信息就很有必要了。只要測(cè)得與扭振相關(guān)的物理量，再用調(diào)制解調(diào)分析方法即可獲取所需要的扭振信息。尤其在故障診斷中，解調(diào)分析技術(shù)比其實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)更有優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)方法更簡(jiǎn)單，更準(zhǔn)確.1982年RnadallRB使用高通絕對(duì)值分析解調(diào)方法成功解決了齒輪調(diào)制性故障的診斷問(wèn)題；此后ChenYangbo和FengQing研究了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的希爾伯特變換，即先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)把一列時(shí)間序列數(shù)據(jù)分解，然后經(jīng)過(guò)希爾伯特變換獲得頻譜信號(hào)的處理方法。到1997年張建勛、羅德?lián)P利用希爾伯特變換技術(shù)對(duì)扭振信號(hào)進(jìn)行幅、相解調(diào)，將其用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的檢測(cè)和分析，將測(cè)試信號(hào)變?yōu)榻馕鲂盘?hào),而后將其幅值和相位調(diào)制分量分解出來(lái)[19-21]。近年來(lái)，希爾伯特變換(HTF)技術(shù)常常被用在信號(hào)分析中，它是將一個(gè)一維時(shí)域函數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的一個(gè)二維時(shí)域解析函數(shù)。在特定條件下，這個(gè)解析函數(shù)的相角和模就代表了原時(shí)間函數(shù)的相位特性及包絡(luò)特性，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的幅值和相位解調(diào)。與傳統(tǒng)模擬方法相比，此方法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等一系列無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),適用于有高精度要求的扭振測(cè)試中。2.4本章小結(jié)無(wú)論是接觸式測(cè)量法還是非接觸式測(cè)量法或者調(diào)制解調(diào)法，都有其適用的場(chǎng)合，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也比較鮮明。本章詳細(xì)介紹了現(xiàn)有的四種不同的測(cè)量方法，并一一分析了它們的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，為下文進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)及試驗(yàn)分析提供了理論依據(jù)。3模態(tài)分析基本理論模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。這個(gè)分析過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模態(tài)(理論模態(tài))分析；如果通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。3.1理論模態(tài)分析基本理論3.1.1背景概述模態(tài)分析的基礎(chǔ)是在機(jī)械阻抗和導(dǎo)納的概念上發(fā)展起來(lái)的。近十余年來(lái)，隨著振動(dòng)理論、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)及自動(dòng)控制理論的日益成熟,模態(tài)分析理論吸收其中的有關(guān)營(yíng)養(yǎng)，結(jié)合自身內(nèi)容，逐漸形成了一套獨(dú)特的理論，對(duì)模態(tài)分析和參數(shù)識(shí)別的發(fā)展提供了理論依據(jù)。控制理論中的傳遞函數(shù)概念的引入，極大地推動(dòng)了模態(tài)分析理論的發(fā)展。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)在頻域中識(shí)別模態(tài)參數(shù)的重要依據(jù)，反映系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系。因此，分析傳遞函數(shù)的特性，并建立它與模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，是模態(tài)分析理論中的重要內(nèi)容。振動(dòng)模態(tài)分析[22]，就是利用系統(tǒng)固有模態(tài)的正交性，以系統(tǒng)的各階模態(tài)向量所組成的模態(tài)矩陣作為變換矩陣，對(duì)選取的物理坐標(biāo)進(jìn)行線性變換，使得振動(dòng)系統(tǒng)以物理坐標(biāo)和物理參數(shù)所描述的、相互耦合的運(yùn)動(dòng)方程組能夠變成一組彼此獨(dú)立的模態(tài)方程。因?yàn)樽鴺?biāo)變換是線性變換，所以模態(tài)分析又可看做是模態(tài)疊加。而各階模態(tài)的響應(yīng)則決定了各階模態(tài)在疊加中所占的比重。實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)均可看做是為有阻尼的多自由度系統(tǒng)。對(duì)多自由系統(tǒng)而言，不僅分析的復(fù)雜性增加了，而是還具有單自由度系統(tǒng)所沒(méi)有的特性。實(shí)際結(jié)構(gòu)的阻尼特性是十分復(fù)雜的。然而截至目前，還沒(méi)有一種完備而有效的阻尼模型，能夠比較真實(shí)且準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的阻尼特性。現(xiàn)有的各種阻尼模型都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)提出來(lái)的。即便如此，我們依然利用已有的阻尼模型分析問(wèn)題。本文所使用的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，即通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試來(lái)獲得機(jī)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并以之建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而識(shí)別模態(tài)參數(shù)，建立以模態(tài)參數(shù)表示的運(yùn)動(dòng)方程這樣一個(gè)過(guò)程。在實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，由于阻尼的分散性，各點(diǎn)的振動(dòng)除了振幅不同外，振動(dòng)相位也相異。這就使系統(tǒng)的特征頻率及特征向量成為復(fù)數(shù)，從而形成所謂的“復(fù)模態(tài)”。復(fù)模態(tài)的性質(zhì)與實(shí)模態(tài)不同,后者是前者的一個(gè)特例。因此在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中，復(fù)模態(tài)比實(shí)模態(tài)更具有一般性。3.1.2模態(tài)理論分析在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中結(jié)構(gòu)固有頻率和固有振型是動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分析的基礎(chǔ)。在無(wú)阻尼自由振動(dòng)的情況下,結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型可轉(zhuǎn)化為特征值和特征向量的問(wèn)題。要研究轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)特性，首先要建立該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。一般地，多自由度的動(dòng)力學(xué)的通用方程為（3-1)式中:[M]—質(zhì)量矩陣；[C]—阻尼矩陣；[K]—?jiǎng)偠染仃?；?duì)于模態(tài)分析，F(xiàn)(t)=0,[C]一般忽略，則上式變?yōu)槿缦滦问剑?-2）由于彈性體的自由振動(dòng)可分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)振動(dòng)的疊加，即位移為正弦函數(shù)，故可令其解為（3-3）將式（3-3）代入式（3-2）得到特征方程：（3-4）上式為經(jīng)典的特征值問(wèn)題，此方程的根為，即特征值，i的范圍從1到自由度的數(shù)目，相應(yīng)的特征向量（振型）為。從式（3-4）解得（3-5）其開(kāi)方為結(jié)構(gòu)的自然固有頻率。3.2試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.2.1背景概述模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析也就是模態(tài)分析的試驗(yàn)過(guò)程，是終合運(yùn)用線性振動(dòng)理論、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別方法等手段進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的目的是對(duì)已知結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別與評(píng)價(jià)，了解結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及所存在的問(wèn)題，為驗(yàn)證和修改結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的分析模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。我們常常把振動(dòng)系統(tǒng)的各階固有頻率、振型，模態(tài)質(zhì)量、剛度和阻尼等作為表征模態(tài)的特征參數(shù)，并把系統(tǒng)各階模態(tài)參數(shù)的求取作為模態(tài)分析的主首要任務(wù)。但結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性主要由少數(shù)的前幾階模態(tài)決定，而且階數(shù)越低影響越顯著，所以模態(tài)試驗(yàn)時(shí)一般只需識(shí)別前幾階模態(tài)即可。因此，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是十分必要的。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題的一個(gè)主要方面是對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的輸入和輸出來(lái)確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而建立系統(tǒng)的分析模型。其內(nèi)容分為系統(tǒng)識(shí)別和參數(shù)識(shí)別兩大類(lèi)。按系統(tǒng)輸入輸出個(gè)數(shù)分類(lèi)，參數(shù)識(shí)別可分為：?jiǎn)屋斎?單輸出（SISO）、單輸入/多輸出（SIMO)、多輸入/多輸出（MIMO),此類(lèi)方法主要是利用結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕的構(gòu)件。對(duì)一些超大型結(jié)構(gòu)件，常常采用另一種實(shí)驗(yàn)方法，也就說(shuō)通常所說(shuō)的工作模態(tài)分析方法（OMA），這是一種不需要激勵(lì)信號(hào)的模態(tài)試驗(yàn)方法[23]。模態(tài)分析是一門(mén)綜合性技術(shù)，廣泛應(yīng)用與各個(gè)工程結(jié)構(gòu)和各種工程部門(mén)。如航空、機(jī)械、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。歸結(jié)起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：（1）獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生當(dāng)外界激勵(lì)力的頻率等于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象，使系統(tǒng)最大限度地從外界吸收能量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，甚至是嚴(yán)重毀壞。工程設(shè)計(jì)人員可利用模態(tài)分析結(jié)果，設(shè)法使機(jī)械結(jié)構(gòu)工作在固有頻率范圍內(nèi)，避免發(fā)生共振。（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建立有限元模型時(shí)，在邊界條件的處理和力學(xué)模型的簡(jiǎn)化上，往往與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差較大，用模態(tài)分析的參數(shù)對(duì)有限元模型進(jìn)行修改，使其更能符合實(shí)際，提高有限元分析的精度。（3）應(yīng)用模態(tài)疊加法求結(jié)構(gòu)響應(yīng)，確定動(dòng)強(qiáng)度和疲勞壽命任何線性結(jié)構(gòu)在已知外部激勵(lì)作用下的響應(yīng)是可以通過(guò)每個(gè)模態(tài)的響應(yīng)疊加而成的。所以模態(tài)分析可以應(yīng)用于建立結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及疲勞壽命的估計(jì)服務(wù)。（4）控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲結(jié)構(gòu)噪聲是由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的。結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，各階模態(tài)對(duì)噪聲的“貢獻(xiàn)”各不相同，對(duì)其貢獻(xiàn)較大的幾階模態(tài)成為“優(yōu)勢(shì)模態(tài)”。抑制或調(diào)整優(yōu)勢(shì)模態(tài)便可降低噪聲。（5）識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。某些結(jié)構(gòu)在工作時(shí)所承受的載荷很難測(cè)量，此時(shí)可通過(guò)實(shí)測(cè)響應(yīng)和由模態(tài)分析所得到的模態(tài)參數(shù)來(lái)加以識(shí)別。此方法在航空、航海及核工程中應(yīng)用較廣[24]。3.2.2模態(tài)激振方法實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的激振方法常用的有三種：正弦激振、隨機(jī)激振和瞬態(tài)激振。正弦激振屬于單頻激振，使用歷史長(zhǎng)，技術(shù)成熟，測(cè)試精度高，但測(cè)試速度低，激振設(shè)備復(fù)雜。隨機(jī)激振屬于寬屏激振技術(shù)范疇，它又分為純隨機(jī)激勵(lì)和偽隨機(jī)激勵(lì)，此類(lèi)設(shè)備比較復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間很長(zhǎng)，但可以用總體平均的方法消除非線性因素的影響。由于隨機(jī)激振在很寬的頻率范圍內(nèi)不會(huì)引起共振響應(yīng)，所以可以在機(jī)器工作時(shí)進(jìn)行測(cè)試而不影響它的正常運(yùn)行和對(duì)它的控制。本實(shí)驗(yàn)采用瞬態(tài)激勵(lì)法。它又可分為錘擊法、階躍法和快速正弦掃描法三種。錘擊法使用帶力傳感器的力錘對(duì)結(jié)構(gòu)施加力，由裝在結(jié)構(gòu)上傳感器測(cè)量瞬態(tài)響應(yīng)，測(cè)試信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后送入數(shù)據(jù)采集裝置，最終傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析處理。此方法的優(yōu)點(diǎn)是激振設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)試效率高，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。但激振力的大小很難控制，且激振力的能量有限。所以在保證上限激振頻率足夠高的前提下，應(yīng)盡量延長(zhǎng)脈沖波持續(xù)時(shí)間。為此，設(shè)備有可更換的各種硬度的錘帽（用鋼、鋁、塑料等制成，安裝在力傳感器頂部）以供使用。階躍法用能高速切割的繩索、能高速泄放的油缸對(duì)結(jié)構(gòu)突加或突泄常力來(lái)激出結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，常用于測(cè)試太陽(yáng)能電池板之類(lèi)的脆性結(jié)構(gòu)?？焖僬覓呙璺ǖ脑硎窃趲酌牖蚴畮酌氲臅r(shí)間內(nèi)，將信號(hào)發(fā)生器的頻率從低頻掃到高頻，并經(jīng)功率放大器放大后，傳輸至激振器激勵(lì)被測(cè)結(jié)構(gòu)。此方法的特點(diǎn)是：力的頻譜在測(cè)試頻率范圍內(nèi)基本是平直的，輸入結(jié)構(gòu)的能量比前兩種方法大得多。綜合考慮瞬態(tài)激勵(lì)法的三種激勵(lì)方式的優(yōu)缺點(diǎn)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，本文選用錘擊法為實(shí)驗(yàn)的激振方法[25]。3.2.3模態(tài)分析系統(tǒng)隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)和振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了各種高精度、多功能的模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)。以計(jì)算機(jī)為主體結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性試驗(yàn)分析系統(tǒng)主要由三部分組成：激勵(lì)系統(tǒng)；測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集、處理和分析系統(tǒng)。如圖3-1所示：圖3-1模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)激勵(lì)系統(tǒng)用于激起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和激振器。信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。常用的激勵(lì)信號(hào)有正弦、隨機(jī)、瞬態(tài)和周期等。由于信號(hào)源提供的信號(hào)相當(dāng)微弱，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常利用功率放大器將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大，使之能推導(dǎo)激振器。測(cè)量系統(tǒng)主要包括傳感器、試調(diào)放大器和連接設(shè)備。壓電式傳感器是最常用的傳感器。在載荷識(shí)別時(shí)，也常用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，然后預(yù)估載荷。試調(diào)放大器的作用是放大傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)，以便送至分析儀進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于測(cè)量、處理和分析傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)。包括傳遞函數(shù)（頻率響應(yīng)函數(shù)）分析儀及數(shù)字信號(hào)分析儀，后者為目前模態(tài)分析最常用的的分析儀器[22.26.27]。3.3試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析步驟試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析一般分為以下四個(gè)步驟：第一步：建立測(cè)試系統(tǒng)所謂建立測(cè)試系統(tǒng)就是為了確定實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選擇激振方式，選擇力傳感器和響應(yīng)傳感器，并對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。第二步：測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)這是試驗(yàn)?zāi)B(tài)的關(guān)鍵一步，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響模態(tài)測(cè)試的結(jié)果。在激振力作用下，被測(cè)系統(tǒng)一旦被激振起來(lái)，就可通過(guò)測(cè)試儀器測(cè)量得到激振力或響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，就可以得到系統(tǒng)頻響函數(shù)的平均估計(jì)。第三步：進(jìn)行模態(tài)參數(shù)估計(jì)即利用測(cè)量得到的頻響函數(shù)或時(shí)間歷程來(lái)估計(jì)模態(tài)參數(shù)，包括：固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等。第四步：模態(tài)模型驗(yàn)證它是對(duì)第三步模態(tài)參數(shù)估計(jì)所得結(jié)果的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，它是對(duì)模態(tài)試驗(yàn)成果評(píng)定以及進(jìn)一步對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的必要過(guò)程。3.4本章小結(jié)在本章內(nèi)容中，首先介紹了理論模態(tài)分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基本理論和模態(tài)激振方法；然后介紹了模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及其分析步驟，為后續(xù)測(cè)試系統(tǒng)的建立、試驗(yàn)方案的制定提供了理論依據(jù)。4扭轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析前面章節(jié)介紹了試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基本理論和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)，包括模態(tài)激振方法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的組成和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析步驟。本章在結(jié)合基本理論的基礎(chǔ)上，對(duì)自己設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)分析，對(duì)試驗(yàn)方案、試驗(yàn)系統(tǒng)、試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果進(jìn)行逐一闡述。4.1試驗(yàn)方案4.1.1試件的設(shè)計(jì)思想測(cè)扭裝置的設(shè)計(jì)是建立轉(zhuǎn)軸扭振測(cè)量方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。測(cè)扭裝置的作用是感受被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào),并將微弱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為較大幅度的扭振信號(hào)供計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。測(cè)扭裝置所產(chǎn)生的扭振信號(hào)應(yīng)在頻率上與轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)保持一致,在幅值上是扭振信號(hào)的比例放大,即該信號(hào)能夠直接放映轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的特征,這是能否準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)軸扭振的關(guān)鍵所在。所以筆者在設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到真實(shí)且較強(qiáng)的扭振信號(hào)，在轉(zhuǎn)軸上布置了一個(gè)盤(pán)，起到放大扭振信號(hào)的作用。盤(pán)是鋁制的，質(zhì)量?jī)H有0.16kg,相比于19.85kg的轉(zhuǎn)軸，其附加質(zhì)量非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，使整體測(cè)扭裝置結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，便于試驗(yàn)。圖4-l是測(cè)扭裝置總體結(jié)構(gòu)圖。測(cè)扭裝置主要包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)盤(pán)、激振棒等。1-被測(cè)軸2-盤(pán)3-激振棒圖4-1總體結(jié)構(gòu)圖(1)轉(zhuǎn)軸測(cè)扭裝置的軸是一根長(zhǎng)900mm,直徑為60mm的鋼軸。如圖4-2所示,此次試驗(yàn)的主要目的是找出轉(zhuǎn)軸的前幾階扭振頻率和振型。圖4-2轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)(2)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)盤(pán)的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示：圖4-3轉(zhuǎn)盤(pán)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤(pán)是一個(gè)內(nèi)徑為60mm,外徑為100mm,厚度為12mm的鋁質(zhì)圓環(huán)。轉(zhuǎn)盤(pán)的一側(cè)開(kāi)有通槽，并在通槽的上下兩邊鉆了通孔和螺紋孔，以便于轉(zhuǎn)盤(pán)在轉(zhuǎn)軸上既可以軸向移動(dòng)又可以周向固定。(3)激振棒激振棒屬于激勵(lì)系統(tǒng)，用于激起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。其結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)見(jiàn)圖4-4。圖4-4激振棒結(jié)構(gòu)圖4.1.2基于MSC-Nastran轉(zhuǎn)軸模態(tài)仿真分析模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的重點(diǎn)內(nèi)容，主要用于確定設(shè)計(jì)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，包括固有頻率和模態(tài)振型。由于模態(tài)分析不是本文的研究重點(diǎn)，所以此處只對(duì)基于MSC-Nastran的仿真作簡(jiǎn)單介紹。其分析步驟可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，建立正確的有限元分析模型是對(duì)研究問(wèn)題求解的前提條件。其中，建立正確的動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文中所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，要建立精確完整的動(dòng)力學(xué)模型相當(dāng)困難。因此，需要針對(duì)分析的目的正確簡(jiǎn)化模型是分析過(guò)程中極為重要的一步，本文中設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化原則為：在不影響模型精度的基礎(chǔ)上，將零部件上的一些細(xì)節(jié)特征進(jìn)行壓縮處理，可以壓縮模型上的修飾特征，如圓角、棱角、小的槽和定位孔等。根據(jù)以上簡(jiǎn)化原則，采用六面體單元對(duì)光軸和轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，光軸總共劃分了1620個(gè)六面體單元;盤(pán)總共劃分了72個(gè)六面體單元。其三維實(shí)體模型如圖4-5。圖4-5軸-盤(pán)有限元實(shí)體模型本文中，軸采用的材料是45鋼；盤(pán)采用的材料是鋁，其具體參數(shù)如表4-1所示。表4-1材料參數(shù)材料密度（kg/m3)泊松比彈性模量(Mpa)45鋼78000.302.10e+11鋁27000.337.0e+104.1.3仿真分析結(jié)果模態(tài)分析關(guān)心結(jié)構(gòu)的固有特性，與外界載荷無(wú)關(guān)，與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，是進(jìn)一步分析振動(dòng)分析的基礎(chǔ)[28]。通過(guò)模態(tài)分析獲得各階固有頻率和振型，為下文的模態(tài)分析提供參考依據(jù)。在模態(tài)提取方法中,與其他方法相比，Lanczos法具有求解精度高,計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文采用BlockLanczos法求解轉(zhuǎn)軸的前2階扭振固有頻率和振型,如表4-2所示。表4-2前2階固有頻率和振型階數(shù)頻率陣型11730.923359.34.2模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由3部分組成[29]，即激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。如圖4-6所示。圖4-6模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)錘擊激勵(lì)脈沖對(duì)應(yīng)一定頻率范圍成分,是一種寬頻帶的快速激勵(lì)方法。試驗(yàn)采用單點(diǎn)激振多點(diǎn)拾振的錘擊法進(jìn)行信號(hào)采集,即一個(gè)輸入力信號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)輸出加速度傳感器感應(yīng)信號(hào)。本文中數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)使用的是比利時(shí)的LMSTest.Lab模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試與分析系統(tǒng)；力錘激振系統(tǒng)使用的是美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的086C04型脈沖力錘；拾振系統(tǒng)使用的是美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的356A16型ICP三向加速度傳感器。4.3模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程在試驗(yàn)時(shí)為了更多的排除外界因素對(duì)軸-盤(pán)試件模態(tài)測(cè)試的干擾，本文采取把軸-盤(pán)試件用鋼絲繩懸掛起來(lái)，來(lái)模擬軸-盤(pán)系統(tǒng)試件的自由幾何邊界條件，如圖4-7所示。圖4-7軸-盤(pán)試件的懸掛一般希望把鋼絲繩在光軸上懸掛的位置選擇在振幅較小的位置，最佳懸掛點(diǎn)應(yīng)該是某階振型的節(jié)點(diǎn)處。本文采用是數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)為L(zhǎng)MSTest.Lab模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試與分析系統(tǒng)，在進(jìn)行模態(tài)分析試驗(yàn)時(shí)，先要在此系統(tǒng)中建立好測(cè)試模型。測(cè)試模型由許多個(gè)測(cè)試點(diǎn)構(gòu)成，測(cè)試點(diǎn)的多少與分布應(yīng)該根據(jù)實(shí)體模型和試驗(yàn)需要來(lái)決定。一般情況下，比較好的方法是把測(cè)試點(diǎn)在試件上按照某種程度地均勻分布，同時(shí)可以在感興趣的區(qū)域多布置幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)越多，越能充分表征結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)屬性。不過(guò)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的過(guò)度增多對(duì)表征結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)屬性并沒(méi)有太大的改善，反而增加了測(cè)試的困難和任務(wù)量，同時(shí)測(cè)試點(diǎn)不應(yīng)該靠近節(jié)點(diǎn)，這樣的測(cè)試點(diǎn)得到的信息才會(huì)有更高的信噪比。本文在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試件共布置了45個(gè)測(cè)點(diǎn)，前八個(gè)測(cè)試位置之間均勻分布，間隔100mm,最后一個(gè)位置因?yàn)閷?shí)測(cè)時(shí)的裝夾問(wèn)題所以與前面不同。其LMS模態(tài)測(cè)試模型如圖4-8所示。圖4-8LMS模態(tài)測(cè)試模型建立好了模態(tài)試驗(yàn)的測(cè)試模型之后，下一步就是進(jìn)行試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置和激勵(lì)點(diǎn)的選擇。激勵(lì)點(diǎn)選擇的原則是以能有效激起各階模態(tài)，若激振點(diǎn)正好落在某階模態(tài)的反節(jié)點(diǎn)或者附近，則激勵(lì)力就能有效地激起該階的模態(tài)[30]。在進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)前試件整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性是未知的，所以本文通過(guò)先選定幾個(gè)激振點(diǎn)進(jìn)行錘擊激振實(shí)驗(yàn)，然后測(cè)量若干個(gè)頻響函數(shù)，再觀察由哪個(gè)激振點(diǎn)激振所得到的頻響函數(shù)不丟失重要模態(tài)，以此點(diǎn)為最佳激振點(diǎn)。最后本文選取了激振棒試件的根部端點(diǎn)為激勵(lì)點(diǎn)，如圖4-9所示。圖4-9模態(tài)測(cè)試時(shí)激振點(diǎn)選擇好錘擊點(diǎn)后就對(duì)試驗(yàn)中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了保證錘擊力為脈沖力，對(duì)錘擊的輸入信號(hào)加矩形窗，從而提高激勵(lì)信號(hào)的信噪比，測(cè)試頻率的范圍比較寬，可滿足一般結(jié)構(gòu)幾階到十幾階的振型及相應(yīng)的固有頻率[31]；對(duì)響應(yīng)信號(hào)加指數(shù)窗，這樣能夠加速振動(dòng)的衰減，同時(shí)避免了頻響函數(shù)的泄露，提高頻響函數(shù)的精度。本文試驗(yàn)采用鋁制錘頭，靈敏度設(shè)置為0.25mV/N；帶寬取5120Hz，采樣頻率即為取10240Hz，譜線數(shù)取5120，此時(shí)頻率分辨率為0.5Hz。此外，為了減少外界噪聲的干擾而引起的誤差，測(cè)試過(guò)程中我們采用了多次采集取平均值的辦法，使頻響函數(shù)曲線盡可能的光滑。本文在測(cè)試時(shí)選取3次錘擊對(duì)頻響函數(shù)取平均；而且在錘擊時(shí)使激振力錘的錘頭盡量與敲擊表面垂直，同時(shí)錘擊力的大小控制好，太大會(huì)過(guò)載太小信號(hào)分析困難[32]。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖4-10所示。a實(shí)驗(yàn)試件和傳感器b數(shù)據(jù)處理裝置c力錘d數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖4-10轉(zhuǎn)-盤(pán)試件現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖完成整個(gè)軸-盤(pán)扭振試驗(yàn)45個(gè)點(diǎn)的錘擊模態(tài)測(cè)試之后，用LMS軟件包自帶的數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)ModalAnalysis進(jìn)行模態(tài)分析，圓盤(pán)夾持在不同位置處測(cè)試得到FRF頻率峰值有偏移，其FRF函數(shù)頻譜圖如4-11所示，圖4-11加窗后FRF函數(shù)（力譜/響應(yīng)譜）在本次實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)件的扭振模態(tài)是所關(guān)心的，因此，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)只取X、Y方向的數(shù)據(jù)，由有限元仿真分析結(jié)果可知1階扭振頻率1730.9Hz，2階扭振頻率3359.3Hz，3階扭振頻率5164.5Hz（超出測(cè)試設(shè)置帶寬），根據(jù)測(cè)試結(jié)果取定分析頻帶為1240.04~3826.68Hz，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的穩(wěn)態(tài)振型圖：圖4-12穩(wěn)態(tài)振型圖4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)轉(zhuǎn)-盤(pán)裝置進(jìn)行模態(tài)特性試驗(yàn)后,錘擊脈沖激勵(lì)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到主軸前2階扭振頻率及振型。由穩(wěn)態(tài)圖得到實(shí)驗(yàn)關(guān)心的2階扭振固有頻率如下表所列：表4-3扭振固有頻率固有頻率（Hz）阻尼比1753.1550.87%3422.1750.80%其前兩階扭振仿真模態(tài)及測(cè)試模態(tài)振型如表4-4所示。表4-4仿真模態(tài)及測(cè)試模態(tài)振型仿真模態(tài)測(cè)試模態(tài)振型由試驗(yàn)得出的前2階扭振頻率與理論分析得出的固有頻率相近,數(shù)值相比一階略高，二階略低。計(jì)算值與試驗(yàn)值比較,相對(duì)誤差均在5%以內(nèi),如表4-5所示。表4-5扭振固有頻率計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果比較階數(shù)計(jì)算頻率/Hz試驗(yàn)頻率/Hz相對(duì)誤差/%1階1730.91753.151.32階3359.33422.751.9由上可見(jiàn)其相對(duì)誤差較小，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法可靠,精度達(dá)到工程要求。出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差的可能原因:（1）在建立有限元模型時(shí)采用了很多簡(jiǎn)化和理想的假設(shè),其中軸與盤(pán)之間的配合剛度問(wèn)題和在建立模型過(guò)程中對(duì)槽口和螺紋孔、光孔等的省略,都能影響主軸動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量,使其固有頻率上下波動(dòng)。（2）建模時(shí)材料的彈性模量、質(zhì)量密度、邊界條件的設(shè)置等參數(shù)取值的準(zhǔn)確性都會(huì)影響模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。（3）測(cè)試前，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置、激勵(lì)方向、力錘材質(zhì)等導(dǎo)致錘擊脈沖無(wú)法激勵(lì)出全部固有頻率,部分振型不能完全識(shí)別。(4)在測(cè)量時(shí),加速度傳感器本身的誤差和安裝誤差也對(duì)此實(shí)驗(yàn)有很大影響,此外，錘擊的力度及熟練程度也對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。4.4本章小結(jié)本章首先闡述了模態(tài)試驗(yàn)試件的設(shè)計(jì)思想，然后利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行建模仿真；其次是模態(tài)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備，最佳錘擊點(diǎn)的選擇以及相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置；最后進(jìn)行試驗(yàn)，獲得實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)；將其經(jīng)過(guò)處理后得到的前2階扭振頻率以及相應(yīng)振型與仿真結(jié)果相比較，誤差較小，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。5總結(jié)與展望5.1全文總結(jié)本文是在搜索、查閱大量關(guān)于扭振測(cè)試方法文獻(xiàn)、論著的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)現(xiàn)有的扭振測(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法，將模態(tài)試驗(yàn)分析方法應(yīng)用于軸類(lèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測(cè)試中，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用LMSTest.Lab（模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)），對(duì)被測(cè)軸的扭振信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，經(jīng)驗(yàn)證該測(cè)試方法是可行的，且測(cè)試精度較高。為此本人做了如下工作：（1）闡述了課題的背景及研究目的意義，對(duì)軸類(lèi)扭振測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和扭振測(cè)試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要的介紹。（2）對(duì)軸類(lèi)扭振測(cè)量方法進(jìn)行分析。詳細(xì)地比較了接觸測(cè)量法、非接觸測(cè)量法以及調(diào)制解調(diào)分析法的優(yōu)缺點(diǎn)和使用場(chǎng)合。（3）簡(jiǎn)要闡述了理論模態(tài)分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基本理論。然后介紹了模態(tài)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的組成和模態(tài)分析步驟。（4）合理的設(shè)計(jì)并加工了軸、盤(pán)試件，并應(yīng)用MSC-NASTRAN軟件對(duì)實(shí)測(cè)軸進(jìn)行仿真分析;選擇合理的錘擊點(diǎn)和參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)，得到了整體結(jié)構(gòu)的前幾階扭振模態(tài)振型以及對(duì)應(yīng)的固有頻率。把模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果相比較，得到了比較好的結(jié)果。5.2工作展望對(duì)動(dòng)力機(jī)械軸類(lèi)扭振的分析和測(cè)量是一個(gè)理論性和工程實(shí)踐性都很強(qiáng)的綜合性研究課題，它涉及機(jī)電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)和材料工藝等眾多學(xué)科和領(lǐng)域，需要進(jìn)行大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究。本文利用有限元模態(tài)分析技術(shù)和模態(tài)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)軸類(lèi)零件的扭振測(cè)試方法做了一定的研究，但是由于實(shí)際條件及時(shí)間的限制，此次研究工作尚有不足之處，有些方面還需要做進(jìn)一步的探索，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）在測(cè)試的過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤(pán)需要在被測(cè)軸上軸向移動(dòng)。但是每次裝夾的力度多少有些差異，從而造成整個(gè)裝置的剛度有所變化，所以轉(zhuǎn)盤(pán)夾持在不同位置時(shí)測(cè)試得到FRF頻率峰值有偏移，這一點(diǎn)需要繼續(xù)改善。（2）對(duì)于試驗(yàn)者來(lái)說(shuō)，錘擊力的大小不易控制，易造成隨機(jī)誤差，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性.所以該敲擊水平有待于進(jìn)一步提高。（3）本文僅實(shí)現(xiàn)了軸類(lèi)扭振的測(cè)量，并沒(méi)有考慮彎曲振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及它們的耦合作用。從發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，實(shí)現(xiàn)彎扭縱的一體化測(cè)量，并將其分離開(kāi)來(lái)單獨(dú)分析研究將是未來(lái)的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]桑波,趙宏,譚玉山.激光多普勒扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的研究[J].中國(guó)激光,2003(8).[2]黃文虎，夏松波，劉瑞巖.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，1996:1-4.[3]雷繼堯.壓電角加速度式扭振遙測(cè)系統(tǒng)的研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào).1985(9).[4]王艷南.基于虛擬儀器旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系振動(dòng)測(cè)試研究[J].2010(5).[5]Draminski,P.Extendedtreatmentofsecondaryresonance[J].Shipbuild.MarineEng.Int.1965,88.[6]Johnston,P.R.andShusto,L.M.Analysisofdieselenginecrankshafttorsionalvibrations[J].SAESpec.Pub