一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置及方法
【专利摘要】本发明属于振动测试【技术领域】，具体是一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置及方法；该装置包括：脉冲激励装置、振动台、功率放大器、数据采集分析仪、激光测振仪和上位机；硬涂层复合结构固定安装在振动台的台面上；脉冲激励装置的输出端连接数据采集分析仪的一个输入端，数据采集分析仪的另一个输入端连接激光测振仪的输出端，数据采集分析仪的一个输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接振动台，数据采集分析仪的另一个输出端连接上位机。该方法可有针对性地、高效地完成硬涂层复合结构振动参数的测试，用于定量评判硬涂层阻尼的减振效果，客观评价硬涂层复合结构的非线性刚度及阻尼特性。
【专利说明】一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于振动测试【技术领域】，具体涉及一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置及方法。
【背景技术】
[0002]硬涂层是由金属基和陶瓷基做成的涂层材料，具有较高硬度同时又可以耐高温、耐腐蚀，近年来的研究发现硬涂层还具有阻尼减振的效果。硬涂层阻尼减振尤其适用于航空发动机、燃气轮机、汽轮机、大型离心压缩机中的薄壁构件的减振。硬涂层涂敷在薄壁构件外表面，从而形成硬涂层复合结构。为了有效实施硬涂层阻尼减振，需要对硬涂层复合结构的刚度及阻尼参数进行有效测试，测试结果可用于硬涂层减振机理分析以及对涂层阻尼减振效果进行评价。
[0003]在硬涂层应用实践中，研究者们发现硬涂层复合结构的刚度及阻尼参数通常会随着激振力幅度的增加而改变，即表现出具有振幅依赖性的非线性特性。具体表现为:硬涂层复合结构的固有频率会随着激振力幅度的不同而改变，频响函数也不再对称于固有频率:在较大的激励幅度下还会表现出非线性跳跃现象。针对硬涂层复合结构这些特点，由经典线性振动理论所研发的商用振动测试系统已无法有效辨识出上述硬涂层复合结构的非线性刚度及阻尼。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置及方法。
[0005]本发明的技术方案是:
[0006]一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置，包括:脉冲激励装置、振动台、功率放大器、数据采集分析仪、激光测振仪和上位机；
[0007]所述硬涂层复合结构固定安装在振动台的台面上；
[0008]所述脉冲激励装置的输出端连接数据采集分析仪的一个输入端，数据采集分析仪的另一个输入端连接激光测振仪的输出端，数据采集分析仪的一个输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接振动台，数据采集分析仪的另一个输出端连接上位机。
[0009]所述脉冲激励装置和振动台均用于激励硬涂层复合结构使其发生振动。
[0010]所述激光测振仪用于获取硬涂层复合结构的振动响应信号，并将振动响应信号传送至数据采集分析仪。
[0011]所述功率放大器用于将数据采集分析仪输出的激励信号进行放大，并将放大后的激励信号传送至振动台。
[0012]所述数据采集分析仪用于采集脉冲激励装置的脉冲激励信号和激光测振仪获取的硬涂层复合结构的振动响应信号发送至上位机，还用于通过激光测振仪采集振动台激励硬涂层复合结构时的振动响应信号。[0013]采用所述的测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置来测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的方法，包括以下步骤:
[0014]步骤1:脉冲激励装置激励硬涂层复合结构使其产生振动，通过数据采集分析仪实时采集脉冲激励装置的脉冲激励信号并传送给上位机，同时，激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的振动响应信号通过数据采集分析仪传送给上位机；
[0015]步骤2:上位机对脉冲激励信号和振动响应信号进行快速傅里叶变换，并获得硬涂层复合结构的振动响应信号相对于脉冲激励信号的频响函数；
[0016]步骤3:根据获得的频响函数确定硬涂层复合结构的各阶固有频率初步值和各阶固有频率初步值对应的频响峰值；
[0017]步骤4:根据硬涂层复合结构的各阶固有频率初步值和各阶固有频率初步值对应的频响峰值采用半功率带宽法计算各阶模态阻尼比初步值，进而计算出各阶线性刚度；
[0018]步骤5:根据硬涂层复合结构的某阶固有频率初步值，选取判别扫频激励方向的频率范围，该频率范围包含当前阶固有频率初步值，在判别扫频激励方向的频率范围内，判断硬涂层复合结构的刚度非线性类型，进而确定扫频激励方向；
[0019]步骤5.1:在上位机中设定扫频激励幅度初始值和扫频速度，数据采集分析仪发出正弦扫频激励信号，该正弦扫频激励信号经功率放大器放大，放大后的正弦扫频激励信号发送至振动台，振动台按任意扫频激励方向以正弦扫频激励的形式激励硬涂层复合结构；
[0020]步骤5.2:在设定的激励幅度初始值下，激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的振动响应信号，并将振动响应信号通过数据采集分析仪发送给上位机；同时，上位机采用分时快速傅里叶变换方法获得频域响应曲线；
[0021]所述采用分时快速傅里叶变换方法获得频域响应曲线，具体按如下步骤进行:
[0022]步骤5.2.1 ;数据预处理:对硬涂层复合结构的振动响应信号采用最小二乘法进行平滑和零点修正处理，剔除振动响应信号中的噪声成分；
[0023]步骤5.2.2:划分时间段；将振动响应信号划分为若干时间段，把振动响应信号对应的振动响应数据转换为若干时间段内的振动响应数据；
[0024]步骤5.2.3 ;快速傅里叶变换:对每个时间段的振动响应信号进行快速傅里叶变换，并进行加窗处理，将各段的振动响应数据从时域转换到频域上；
[0025]步骤5.2.4:绘制频域响应曲线:在判别扫频激励方向的频率范围内，将每个时间段的快速傅里叶变换后的振动响应数据对应的频率作为X轴，不同时间段的振动响应的峰值作为I轴，经插值平滑处理后得到扫频激励对应的频域响应曲线；
[0026]步骤5.3:在上位机中按照线性递增或线性递减的方式，依次设置若干激励幅度，重复步骤5.1至步骤5.2，获得不同激励幅度下的频域响应曲线；
[0027]步骤5.4:在不同激励幅度下，频域响应曲线的响应峰值对应不同当前阶固有频率，根据当前阶固有频率随激励幅度的变化规律来判断硬涂层复合结构的刚度非线性类型，进而确定扫频激励方向:若随着激励幅度的增加，当前阶固有频率不断降低，则硬涂层复合结构为软式刚度非线性结构，需采用由高到低扫频激励方向的扫频激励；若随着激励幅度的增加，当前阶固有频率不断增大，则硬涂层复合结构为硬式刚度非线性结构，需采用由低到高扫频激励方向的扫频激励；[0028]步骤6:以步骤5中判别出的扫频激励方向，对硬涂层复合结构进行扫频激励，获得不同激励幅度下的硬涂层复合结构各阶次对应的频域响应曲线，进而获得不同激励幅度下的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值；
[0029]步骤6.1:根据硬涂层复合结构的各阶固有频率初步值，按照模态阶次划分出分别包含各阶固有频率初步值的扫频频率范围，每个阶次的扫频频率范围中包含该阶固有频率初步值；
[0030]步骤6.2:在上位机中重新设定激励幅度初始值，并设定扫频速度，设定的扫频速度小于最大扫频速度；
[0031 ] 所述扫频速度S满足下式:
[0032]S < Sm= ζη2/；
[0033]式中，S为扫频速度，Hz/s ；Sm为最大扫频速度，Hz/s ; ζη为第η阶的模态阻尼比初步值；fn为第η阶固有频率初步值，Hz ；
[0034]步骤6.3:以步骤5中判别出的扫频激励方向，激励硬涂层复合结构产生振动，激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的各阶扫频频率范围内的振动响应信号，并通过数据采集分析仪将各阶振动响应信号传送给上位机；
[0035]步骤6.4:按照线性递增或线性递减的方式，依次设置各阶次对应的若干激励幅度，在不同激励幅度下的激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的振动响应信号，并将振动响应信号通过数据采集分析仪发送给上位机；同时，上位机采用分时快速傅里叶变换方法获得各阶次对应的不同激励幅度下的频域响应曲线，进而获得硬涂层复合结构的不同激励幅度下的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值；
[0036]步骤7:根据步骤3确定的各阶固有频率初步值、步骤4计算出的各阶线性刚度和步骤6得到的不同激励幅度下的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值，计算硬涂层复合结构各阶固有频率下的非线性刚度和非线性阻尼；
[0037]步骤7.1:根据步骤3确定的各阶固有频率初步值、步骤4计算出的各阶线性刚度、步骤6得到的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值，获得第η阶固有频率对应的非线性刚度；
[0038]第η阶固有频率对应的非线性刚度ξ表示如下:
[0039]kn =ZcJl+ Φ( X))
[0040]式中，kn为第η阶固有频率对应的线性刚度，Φ⑴为第η阶固有频率对应的振动响应峰值函数，通过对第η阶固有频率初步值、不同激励幅度对应的第η阶固有频率和不同激励幅度下第η阶振动响应峰值的数据进行处理，采用多项式拟合方法获得；Χ为不同激励幅度下第η阶固有频率对应的振动响应峰值；
[0041]步骤7.2:判断第η阶固有频率下的硬涂层复合结构的刚度非线性的强度:若频域响应曲线对称轴的一侧的曲线出现陡峭的斜坡，则硬涂层复合结构为强刚度非线性结构；否则硬涂层复合结构为弱刚度非线性结构；
[0042]步骤7.3:根据步骤7.2判断获得的刚度非线性的强度结果，计算硬涂层复合结构的第η阶固有频率对应的非线性模态阻尼比，ξ (/ = 1，2，3)为不同强度的刚度非线性结构对应的非线性模态阻尼比；
[0043]若硬涂层复合结构为强刚度非线性结构且为硬式刚度非线性结构，则其对应的非线性模态阻尼比I公式如下:
【权利要求】
1.一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置，其特征在于:包括:脉冲激励装置、振动台、功率放大器、数据采集分析仪、激光测振仪和上位机: 所述硬涂层复合结构固定安装在振动台的台面上； 所述脉冲激励装置的输出端连接数据采集分析仪的一个输入端，数据采集分析仪的另一个输入端连接激光测振仪的输出端，数据采集分析仪的一个输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接振动台，数据采集分析仪的另一个输出端连接上位机。
2.根据权利要求1所述的测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置，其特征在于:所述脉冲激励装置和振动台均用于激励硬涂层复合结构使其发生振动。
3.根据权利要求1所述的测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置，其特征在于:所述激光测振仪用于获取硬涂层复合结构的振动响应信号，并将振动响应信号传送至数据采集分析仪。
4.根据权利要求1所述的测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置，其特征在于:所述功率放大器用于将数据采集分析仪输出的激励信号进行放大，并将放大后的激励信号传送至振动台。
5.根据权利要求1所述的测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置，其特征在于:所述数据采集分析仪用于采集脉冲激励装置的脉冲激励信号和激光测振仪获取的硬涂层复合结构的振动响应信号发送至上位机，还用于通过激光测振仪采集振动台激励硬涂层复合结构时的振动响应信号。
6.采用权利要求1所述的测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置来测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:脉冲激励装置激励硬涂层复合结构使其产生振动，通过数据采集分析仪实时采集脉冲激励装置的脉冲激励信号并传送给上位机，同时，激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的振动响应信号通过数据采集分析仪传送给上位机； 步骤2:上位机对脉冲激励信号和振动响应信号进行快速傅里叶变换，并获得硬涂层复合结构的振动响应信号相对于脉冲激励信号的频响函数； 步骤3:根据获得的频响函数确定硬涂层复合结构的各阶固有频率初步值和各阶固有频率初步值对应的频响峰值； 步骤4:根据硬涂层复合结构的各阶固有频率初步值和各阶固有频率初步值对应的频响峰值采用半功率带宽法计算各阶模态阻尼比初步值，进而计算出各阶线性刚度； 步骤5:根据硬涂层复合结构的某阶固有频率初步值，选取判别扫频激励方向的频率范围，该频率范围包含当前阶固有频率初步值，在判别扫频激励方向的频率范围内，判断硬涂层复合结构的刚度非线性类型，进而确定扫频激励方向； 步骤5.1:在上位机中设定扫频激励幅度初始值和扫频速度，数据采集分析仪发出正弦扫频激励信号，该正弦扫频激励信号经功率放大器放大，放大后的正弦扫频激励信号发送至振动台，振动台按任意扫频激励方向以正弦扫频激励的形式激励硬涂层复合结构；步骤5.2:在设定的激励幅度初始值下，激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的振动响应信号，并将振动响应信号通过数据采集分析仪发送给上位机；同时，上位机采用分时快速傅里叶变换方法获得频域响应曲线； 所述采用分时快速傅里叶变换方法获得频域响应曲线，具体按如下步骤进行:步骤5.2.1:数据预处理:对硬涂层复合结构的振动响应信号采用最小二乘法进行平滑和零点修正处理，剔除振动响应信号中的噪声成分； 步骤5.2.2:划分时间段:将振动响应信号划分为若干时间段，把振动响应信号对应的振动响应数据转换为若干时间段内的振动响应数据； 步骤5.2.3:快速傅里叶变换:对每个时间段的振动响应信号进行快速傅里叶变换，并进行加窗处理，将各段的振动响应数据从时域转换到频域上； 步骤5.2.4:绘制频域响应曲线:在判别扫频激励方向的频率范围内，将每个时间段的快速傅里叶变换后的振动响应数据对应的频率作为X轴，不同时间段的振动响应的峰值作为I轴，经插值平滑处理后得到扫频激励对应的频域响应曲线； 步骤5.3:在上位机中按照线性递增或线性递减的方式，依次设置若干激励幅度，重复步骤5.1至步骤5.2，获得不同激励幅度下的频域响应曲线； 步骤5.4:在不同激励幅度下，频域响应曲线的响应峰值对应不同当前阶固有频率，根据当前阶固有频率随激励幅度的变化规律来判断硬涂层复合结构的刚度非线性类型，进而确定扫频激励方向:若随着激励幅度的增加，当前阶固有频率不断降低，则硬涂层复合结构为软式刚度非线性结构，需采用由高到低扫频激励方向的扫频激励；若随着激励幅度的增加，当前阶固有频率不断增大，则硬涂层复合结构为硬式刚度非线性结构，需采用由低到高扫频激励方向的扫频激励； 步骤6:以步骤5中判别出的扫频激励方向，对硬涂层复合结构进行扫频激励，获得不同激励幅度下的硬涂层复合结构各阶次对应的频域响应曲线，进而获得不同激励幅度下的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值； 步骤6.1:根据硬涂层复合结构的各阶固有频率初步值，按照模态阶次划分出分别包含各阶固有频率初步值的扫频频率范围，每个阶次的扫频频率范围中包含该阶固有频率初步值； 步骤6.2:在上位机中重新设定激励幅度初始值，并设定扫频速度，设定的扫频速度小于最大扫频速度； 所述扫频速度S满足下式:
S < sm =C112,^ 式中，S为扫频速度，Hz/s ；Sm为最大扫频速度，Hz/s ; ζ n为第η阶的模态阻尼比初步值；fn为第η阶固有频率初步值，Hz ； 步骤6.3:以步骤5中判别出的扫频激励方向，激励硬涂层复合结构产生振动，激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的各阶扫频频率范围内的振动响应信号，并通过数据采集分析仪将各阶振动响应信号传送给上位机； 步骤6.4:按照线性递增或线性递减的方式，依次设置各阶次对应的若干激励幅度，在不同激励幅度下激光测振仪实时采集硬涂层复合结构的振动响应信号，并将振动响应信号通过数据采集分析仪发送给上位机；同时，上位机采用分时快速傅里叶变换方法获得各阶次对应的不同激励幅度下的频域响应曲线，进而获得硬涂层复合结构的不同激励幅度下的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值； 步骤7:根据步骤3确定的各阶固有频率初步值、步骤4计算出的各阶线性刚度和步骤6得到的不同激励幅度下的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值，计算硬涂层复合结构各阶固有频率下的非线性刚度和非线性阻尼； 步骤7.1:根据步骤3确定的各阶固有频率初步值、步骤4计算出的各阶线性刚度、步骤6得到的各阶固有频率及其对应的振动响应峰值，获得第η阶固有频率对应的非线性刚度； 第η阶固有频率对应的非线性刚度ξ表示如下:
【文档编号】G01N3/32GK103528901SQ201310507793
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】孙伟, 韩清凯, 李晖, 罗忠, 翟敬宇, 王娇 申请人:东北大学