一种测量结构弯扭组合振动中弯曲波、扭转波分离的方法与流程

本发明属于机械振动测量领域，尤其涉及一种测量截面对称结构弯扭组合振动中弯曲波、扭转波分离的方法。

背景技术：

模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法了解结构在某一段易受影响的频域范围内各阶主要模态特性，就可以预测结构在此频域范围内外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

弯曲振动是结构振动里面影响最大的因素，扭转振动是轴类最基本的振动形式。对弯曲振动来说，一般是结构振动中影响最大的因素，分析弯曲的模态是当下研究结构振动时首要的任务。同时机械、电气、动力或负荷等方面短暂的冲击和瞬变过程，会造成所传递的扭矩发生短暂或持续的波动，从而导致旋转轴系产生扭转振动。扭振产生的扭转应力使轴系各断面受到交变的剪切应力，导致轴系材料的疲劳积累，轻则引起较大的噪声并加速零件的磨损，从而缩短其工作寿命。重则形成裂纹、切口，并逐渐扩散，导致轴系的断裂和崩溃，其后果往往是毁灭性的恶性事故，损失极为惨重。当结构发生弯扭组合振动时，单独地分析弯曲振动和扭转振动十分必要，但是从现在的研究来看很少有方法能将二者的振动响应分离开来。本发明方法通过利用传感器得到结构的响应端关于轴心对称的两个点的位移振动信号(这个信号可以是瞬态的振动响应信号也可以是稳态的振动信号)做加减的后处理就可以得到分离开的只包含弯曲振动成分的弯曲振动响应信号和只含有扭转振动的扭转振动响应信号。稳态的信号可以直接做传输比得到其频响曲线，而对于瞬态的信号选取分离后短时间的瞬态信号做快速fft变换，能够完美的将分离出来的弯曲和扭转频响曲线做出来。而在国内现有的技术方法中，更多的是关于应变、位移、纯弯曲、纯扭转的测量和研究，至于在结构产生弯扭组合振动时能单独研究弯曲振动和扭转振动的方法基本没有。本发明方法具有创新性和实用性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种测量截面对称结构弯扭组合振动中弯曲波、扭转波分离的方法。

本发明测量结构弯扭组合振动中弯曲波、扭转波分离的方法包括如下步骤：

1)在被测结构上选取一正截面作为所需测量的响应位置；在正截面上选择两处测量点，所述的两处测量点的连线过正截面的几何中心；且两处测量点与几何中心的距离相等；

2)利用位移传感器，测量出步骤1)中选取好的两处测量点的位移响应的信号；

3)将测到的两个位移响应信号相加处理得到纯弯曲振动的位移信号，将测到的两个位移响应信号相减处理得到纯扭转振动的位移信号(即等效的扭转角信号)；

4)当结构受到稳态激励载荷时，将测到的信号经过步骤3)处理后，直接利用分离出的纯弯曲振动的位移信号和纯扭转振动的位移信号得到结构弯曲和扭转的频响曲线；

当结构受到的是瞬态的偏心激励或者是随机激励载荷时，将测到的信号经过步骤3)处理后，利用快速傅里叶变换(fft)得到分离后的弯曲和扭转的频响曲线。

优选的，所述的正截面为对称截面。被测位置的正截面为对称截面时，不光可以分离得到弯曲振动和扭转振动的频响特性，还能实时测出扭转和弯曲的实际的变化情况。

优选的，利用现有的位移传感器，接触式的(如光纤光栅传感)或者非接触式如(如电涡流位移传感器、多普勒激光位移传感器等)，均可作为本发明所述的位移传感器。

优选的，所述的测量点布置在所述被测结构的表面，本发明方法无需在被测结构打孔或进行其他破坏被测结构的操作。

所述的步骤3)中，由弯曲振动可知，当两根光纤的连线垂直于弯曲波传播的方向时，它们有相同的位移振幅，所以s1和s2测到的位移信号都是一样大小的弯曲振动的信号。但是，扭转振动的时候s1和s2测到的信号是等大反向的位移信号。当这个梁振动同时包含弯曲和扭转振动的组合是，s1测到的信号是“弯曲振动位移+扭转振动位移”，而s2测到的信号是“弯曲振动位移–扭转振动位移”，将s1和s2测到的信号相加处理得到纯弯曲振动的位移信号，s1和s2测到的信号相减处理得到纯扭转振动的位移信号。

所述的步骤4)中，如果是结构受到的稳态激励载荷，则将测到的信号经过4的步骤后，直接将分离出的数据取对数处理就可以很快地画出结构弯曲和扭转的频响曲线。如果结构受到的是瞬态的偏心激励或者是随机激励载荷，测到的信号经过4的步骤后，经过快速傅里叶变换(fft)后可以得到分离后的弯曲和扭转的频响曲线。

本发明与现有技术方法相比，具有的有益效果是：

1)现有测量技术和方法一般是单独的去测量研究简单结构的纯弯曲或者纯扭转，对于实际中发生弯扭组合振动的结构几乎没有方法能够去单独研究，本发明公开的方法，步骤原理简单，可操作性强，且可以有效的分离出结构中弯曲和扭转振动。

2)现有实验测量技术或者方法一般只能单一的确定了一类传感器，就只能用这一类，有特殊性，本发明所需要的是位移传感器，至于类型没有限制，可以是接触式的也可以是非接触式的传感器。

附图说明

图1为本发明弯扭组合振动弯曲波和扭转波分离的原理图：(a)弯扭分离原理；(b)弯曲振动特性模态；(c)扭转振动特性模态。

图2案例一简单纯铝轴受偏心稳态激励结构图；

图3案例一(a)未使用本发明方法分离前结构频响；(b)使用发明方法处理后(实线是弯曲振动频响，虚线是扭转振动频响)。

图4案例二瞬态振动中弯扭组合振动弯曲和扭转分离的实验架设图。

图5案例二分离后稳态的频响和瞬态的fft对比：(a)弯曲稳态频响曲线；(b)扭转稳态频响曲线；(c)弯曲瞬态fft频响；(d)扭转瞬态fft频响。

具体实施方式

如图1所示，利用结构弯曲振动和扭转振动的特点，即弯曲振动时(见图1(b))，当测量的两点连线垂直于弯曲波传播的方向时，它们有相同的位移振幅，所以s1和s2测到的位移信号都是一样大小的弯曲振动的信号。但是，扭转振动时(见图1(c))，同样情况下s1和s2测到的信号是等大反向的位移信号。当这个梁振动同时包含弯曲和扭转振动的组合是，s1测到的信号是“弯曲振动位移+扭转振动位移”，而s2测到的信号是“弯曲振动位移–扭转振动位移”，后续只要对两个信号进行简单的加减处理就可以分离出结构的弯曲和扭转振动响应信号。

案例一：

如图2所示，本实施案例为用有限元仿真案例，选取一根纯铝的轴作为被测结构，一端固定，另一端给竖直方向上稳态的正弦力激励，在靠近固定端选取对称的两个点作为测量点，来验证本发明方法的正确性，过程如下：

1)在有限元里面建立圆轴的模型(见图2)，定义铝的材料属性，在一端施加固定边界，另一端自由，并选取两个关于轴心对称的点作为测量点。

2)在另一端在图2所示蓝色的点上施加竖直方向上稳态的正弦力激励，计算后导出测量的两个点的位移信号。

3)将得到的位移响应信号其中一组信号取对数画出频响得到图3(a)，可以看出图3(a)中频响比较乱，基本不能分清弯曲或扭转。

4)将得到的位移信号做相加处理后得到信号取对数画出图3(b)中的实线弯曲振动频响曲线，相减处理后得到信号取对数画出图3(b)中的虚线扭转振动频响曲线。

图3是结果的示意图，由图3的对比可以看出，图3(a)中的信息很混乱，针对弯扭组合振动的结构，要直接分析其模态特性，是不可能的。而图3(b)中利用本发明方法成功分离出了单独的弯曲、扭转频响。通过对结构做特征频率分析(即自由振动分析)，通过与分离后的结果对比，验证用本发明方法确实分离出了弯曲和纯扭转的振动频响。证明了本发明的简单，效果显著。

实例二

如图4所示，本实施案例是利用光纤光栅传感系统研究声子晶体弯扭组合振动分离的瞬态实验，包括创新设计的一套自解调单光纤光栅的位移传感装置，其中有宽带光源、单光纤传感器、示波器、电荷放大器、6061纯铝梁做成的声子晶体、固定支座、压电薄膜和一些光环行器等。

通过压电薄膜采集钢珠偏心激励信号，偏心激励信号通过电荷放大器放大后接入示波器进行显示；利用光纤光栅传感得到测量点的位移响应；经过光电二极管转换成电信号，电信号在示波器上显示，由示波器上导出激励信号、包含弯曲振动和纯扭转振动的位移信号。实验过程如下：

1)加工一根纯铝梁声子晶体，如图4实验装置所示，将其固定在支座上，做成悬臂的声子晶体梁；

2)在梁末端上下面均贴上压电薄膜(pvdf)，用来记录钢珠偏心撞击梁的碰撞载荷历程，同时在梁表面靠近固定端处选取需测量位置正截面上过几何中心直线上的两个测量点连上两个单光纤传感器；

3)利用钢珠偏心撞击在梁末端的压电薄膜上，在示波器上记录撞击的载荷历程信号和测量点1和2的瞬态响应信号，存档；

4)将得到1和2的瞬态响应信号进行加减处理，分别得到纯弯曲的瞬态信号和纯扭转的瞬态信号，取得到的弯曲瞬态信号和扭转瞬态信号前10ms的响应做快速傅里叶变换，得到分离完成的弯曲和扭转频响曲线，如图5所示。

5)同时将压电薄膜测到的激励信号导入有限元分析模型进行瞬态分析，模型与实验对应，得到的响应经本发明方法做后处理以及快速傅里叶变换后，得到图5(b)中的有限元(fem)计算部分。

图5(a)和(c)分别是给梁纯弯曲的激励和纯扭转激励得到的频响曲线，而图5(b)和(d)是通过上述步骤得到的信号(包括有限元计算和实验)做fft得到的分离开之后的弯曲和扭转频响，对比可知，本发明方法从弯扭组合振动中完美的分离出了纯弯曲振动信号和纯扭转振动信号。在图5(b)和(d)中经过步骤5得到有限元计算的结果，同样的完美分离，并且与实验结果对应良好。证明了本发明方法的可靠性。