专利摘要

专利摘要

本发明旨在使作用在试件上的多个激励力与作用在动圈组件上的安培力之间的幅值比尽可能为常数、相位差尽可能为0°，且使各个激振器之间的耦合作用尽量得到减弱。为此，本发明通过根据所要测得的第j阶模态频率ω_j，调整主配重(7)与微调配重(8)，使主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量，使之满足 (i＝1,2；j＝1,2)，从而实现了使作用在试件上的多个激励力与作用在动圈组件(3)上的安培力之间的幅值比尽可能为常数、相位差尽可能为0°，并尽可能减弱各个激振器之间的耦合作用，从而达到了通过控制输入电流来控制输出力而有效激励试件的目的。

权利要求

1.一种用于模态试验的多激振系统，用于激励二自由度系统(12)，所述二自由度系统(12)由以下参数表征：

二自由度系统(12)的质量M_si，

二自由度系统(12)的外部阻尼C_si，

二自由度系统(12)的支撑刚度K_si，

二自由度系统(12)的耦合阻尼C_s，

二自由度系统(12)的刚度K_s，

其特征在于包括：

两个激振器，其中第i个激励器位于第i个激励点，i＝1,2，

其中每个激振器包括：

激振器动圈组件(3)，

工作台面(1)，

支撑弹簧(2)，

主配重(7)，

微调配重(8)，

紧固螺栓(9)，

激振杆(10)，

其中，

动圈组件(3)与工作台面(1)连接在一起，定位在一个磁场(5)中，

当动圈组件(3)通入电流后，将会产生安培力，使工作台面(1)运动，该运动通过激振杆(10)给试件施加一个激励力，

支撑弹簧(2)用于支撑工作台面(1)，

主配重(7)与微调配重(8)通过紧固螺栓(9)相连，组成可调配重，用来改变激振器阻抗特性，使之与试件阻抗匹配，

其中，

m_pi为第i个激励点处的主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量，

m_ei是第i个激励点处的激振器动圈组件(3)与工作台面(1)的总质量，

c_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧(2)的等效阻尼，

k_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧(2)的等效刚度，

设二自由度试件的第一、二阶模态的角频率分别为ω₁和ω₂，当采用相位共振法测量第j阶模态时，其中j＝1,2，即作用在动圈上的安培力的角频率为ω_j，

第i个激励点处的主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量m_pi满足：

其中i＝1,2；j＝1,2。

2.一种用于模态试验的多激振系统的力输出调节方法，该多激振系统用于激励二自由度系统(12)，

所述二自由度系统(12)由以下参数表征：

二自由度系统(12)的质量M_si，

二自由度系统(12)的外部阻尼C_si，

二自由度系统(12)的支撑刚度K_si，

二自由度系统(12)的耦合阻尼C_s，

二自由度系统(12)的刚度K_s，

所述多激振系统包括两个激振器，其中第i个激励器位于第i个激励点，i＝1,2，

其中每个激振器包括：

激振器动圈组件(3)，

工作台面(1)，

支撑弹簧(2)，

主配重(7)，

微调配重(8)，

紧固螺栓(9)，

激振杆(10)，

所述力输出调节方法的特征在于包括：

把动圈组件(3)与工作台面(1)连接在一起，定位在一个磁场(5)中，

使动圈组件(3)通入电流，产生安培力，从而使工作台面(1)运动，该运动通过激振杆(10)给试件施加一个激励力，

用支撑弹簧(2)支撑工作台面(1)，

使主配重(7)与微调配重(8)通过紧固螺栓(9)相连，组成可调配重，用来改变激振器阻抗特性，使之与试件阻抗匹配，其中，

m_pi为第i个激励点处的主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量，

m_ei是第i个激励点处的激振器动圈组件(3)与工作台面(1)的总质量，

c_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧(2)的等效阻尼，

k_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧(2)的等效刚度，

当二自由度试件的第一、二阶模态的角频率分别为ω₁和ω₂时，当采用相位共振法测量第j阶模态时，其中j＝1,2，作用在动圈上的安培力的角频率为ω_j，使第i个激励点处的主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量m_pi满足：

其中i＝1,2；j＝1,2。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模态试验的多激振系统及其力输出调节方法。

背景技术

如今模态试验已经成为解决工程中振动问题的重要手段，在机械、航空、航天、土木、建筑、造船、化工等工程领域被广泛应用。

模态试验的目的是测量系统的模态参数，即共振频率、阻尼系数和模态振型。这些模态参数描述了系统的振动特性。模态试验研究的一个重要环节是给结构施加一个动态激励力。激励力可以加在结构的单一个作用点上，也可以同时加在多个点上。施加激励力的目的是使结构在所选定的频率范围内振动起来，并要求所施激励力是可以测量的，结构对激励力的响应也是可以测量的。显然，激励力是模态实验过程的重要组成部分：它使结构产生振动，这是通过模态试验研究任何物体的动态特性的必要条件。

采用相位共振法，在各个固有频率上依次施加正弦激励力，调整激励力频率和幅值直至激励出一个正则模态(处于共振状态时，所有力和响应为单相位，且激励力和响应有90°相位偏移，结构特性基本上与一个单自由度系统相同)。

当前的趋势是采用多输入试验方案。多输入可以更好地把输入能量分配到整个试件上(这对于大试件是很重要的)。这种办法可以最大限度地减小因激励力点刚好选在某阶模态节点上而使该阶模态激不出来的机会。对于具有重根的结构而言(如圆桶，圆盘或方板等对称结构)，只有采用多输入测量才能检测出这些重根，并且需要各个激振器之间具有不同的幅值和相位关系，以便于更好地激励出相应模态。

电磁激振器是一种将电能转化为机械能的装置，是模态试验中常用的激励源。图1示出了电动激振器的基本结构，其中：动圈组件(3)与工作台面(1)连接在一起，定位在磁场(5)中。当动圈组件(3)通入电流后，将会产生安培力，从而使工作台面(1)运动，通过激振杆(10)等(见图2)，给试件提供一个激励力。支撑弹簧(2)起到支撑工作台面(1)的作用。

发明内容

在模态试验中，希望作用在试件上的多个激励力与作用在动圈组件上的安培力之间的幅值比尽可能为常数、相位差尽可能为0°；为此，利用安培力与输入电流之间成简单的正比关系，似乎可以通过控制输入电流来控制输出力，达到有效激励试件的目的，但是，由于以下因素往往无法做到这点：

1)激振器和试件之间阻抗不匹配，激振器的输出激励力与动圈上作用的安培力之间的特性在整个频率范围内并不是平坦的；

2)多激振器同时作用在弹性试件上，会产生耦合作用，进而相互影响。

所以，在模态试验中，需要解决的问题包括：如何使作用在试件上的多个激励力与作用在动圈组件上的安培力之间的幅值比尽可能为常数、相位差尽可能为0°，以及尽可能减弱各个激振器之间的耦合作用，从而达到了通过控制输入电流来控制输出力而有效地激励试件的目的。

本发明旨在使作用在试件上的多个激励力与作用在动圈组件上的安培力之间的幅值比尽可能为常数、相位差尽可能为0°，且使各个激振器之间的耦合作用尽量得到减弱。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于模态试验的多激振系统，用于激励二自由度系统，所述二自由度系统由以下参数表征：

二自由度系统的质量M_si，

二自由度系统的外部阻尼C_si，

二自由度系统的支撑刚度K_si，

二自由度系统的耦合阻尼C_s，

二自由度系统的刚度K_s，

其特征在于包括：

两个激振器，其中第i个激励器位于第i个激励点，i＝1,2，

其中每个激振器包括：

激振器动圈组件，

工作台面，

支撑弹簧，

主配重，

微调配重，

紧固螺栓，

激振杆，

其中，

动圈组件与工作台面连接在一起，定位在一个磁场中，

当动圈组件通入电流后，将会产生安培力，使工作台面运动，该运动通过激振杆给试件施加一个激励力，

支撑弹簧用于支撑工作台面，

主配重与微调配重通过紧固螺栓相连，组成可调配重，用来改变激振器阻抗特性，使之与试件阻抗匹配，

其中，

m_pi为第i个激励点处的主配重、微调配重、紧固螺栓、激振杆的总质量，

m_ei是第i个激励点处的激振器动圈组件与工作台面的总质量，

c_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧的等效阻尼，

k_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧的等效刚度，

设二自由度试件的第一、二阶模态的角频率分别为ω₁和ω₂，当采用相位共振法测量第j阶模态时，其中j＝1,2，即作用在动圈上的安培力的角频率为ω_j，

第i个激励点处的主配重、微调配重、紧固螺栓、激振杆的总质量m_pi满足：

其中i＝1,2；j＝1,2。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于模态试验的多激振系统的力输出调节方法，该多激振系统用于激励二自由度系统，

所述二自由度系统由以下参数表征：

二自由度系统的质量M_si，

二自由度系统的外部阻尼C_si，

二自由度系统的支撑刚度K_si，

二自由度系统的耦合阻尼C_s，

二自由度系统的刚度K_s，

所述多激振系统包括两个激振器，其中第i个激励器位于第i个激励点，i＝1,2，

其中每个激振器包括：

激振器动圈组件，

工作台面，

支撑弹簧，

主配重，

微调配重，

紧固螺栓，

激振杆，

所述力输出调节方法的特征在于包括：

把动圈组件与工作台面连接在一起，定位在一个磁场中，

使动圈组件通入电流，产生安培力，从而使工作台面运动，该运动通过激振杆给试件施加一个激励力，

用支撑弹簧支撑工作台面，

使主配重与微调配重通过紧固螺栓相连，组成可调配重，用来改变激振器阻抗特性，使之与试件阻抗匹配，其中，

m_pi为第i个激励点处的主配重、微调配重、紧固螺栓、激振杆的总质量，

m_ei是第i个激励点处的激振器动圈组件与工作台面的总质量，

c_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧的等效阻尼，

k_ei(i＝1,2)是第i个激励点处的支撑弹簧的等效刚度，

当二自由度试件的第一、二阶模态的角频率分别为ω₁和ω₂时，当采用相位共振法测量第j阶模态时，其中j＝1,2，作用在动圈上的安培力的角频率为ω_j，使第i个激励点处的主配重、微调配重、紧固螺栓、激振杆的总质量m_pi满足：

其中i＝1,2；j＝1,2。

附图说明

图1是一种典型的现有技术激振器的构造示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的模态试验系统的示意图。

图3是配重装置的具体形式。

图4A显示的是根据本发明的一个模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时第一激励点的激励力f₁与安培力F₁之间的传递函数H₁₁的频响曲线对比。

图4B显示的是根据本发明的上述模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时第二激励点的激励力f₂与安培力F₁之间的传递函数H₂₁频响曲线对比。

图4C显示的是根据本发明的上述模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时的激励力f₁与安培力F₂之间的传递函数H₁₂频响曲线对比。

图4D显示的是根据本发明的上述模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时的激励力f₂与安培力F₂之间的传递函数H₂₂频响曲线对比。

附图标记说明：

1—工作台面 2—支撑弹簧 3—动圈组件

4—磁芯 5—磁通路径 6—壳体

7—主配重 8—微调配重 9—紧固螺栓

10—激振杆 11—力传感器 12—二自由度试件

具体实施方式

如图2所示，是根据本发明的一个实施例的一种用于模态试验系统的示意图，其中，主配重(7)与微调配重(8)通过紧固螺栓(9)相连，组成可调配重，用来改变激振器阻抗特性，使之与试件阻抗匹配。

图3是用2个激振器激励二自由度系统(12)的示意图。M_si(i＝1,2)是二自由度系统(12)的质量，C_si(i＝1,2)、K_si(i＝1,2)分别是二自由度系统(12)外部阻尼与支撑刚度，C_s、K_s分别是二自由度系统(12)耦合阻尼、刚度。

m_ei(i＝1,2)、c_ei(i＝1,2)、k_ei(i＝1,2)分别是激励点i(i＝1,2)处的激振器动圈组件(3)与工作台面(1)的总质量、支撑弹簧(2)等效刚度和等效阻尼。m_pi(i＝1,2)为激励点i(i＝1,2)处的主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量。

F_i(i＝1,2)是激励点i(i＝1,2)处的激振器动圈组件(3)通入电流I_i(i＝1,2)时产生的安培力，F_i(i＝1,2)与I_i(i＝1,2)具有简单的正比关系；f_i(i＝1,2)是作用在激励点i(i＝1,2)处的激励力；x_i(i＝1,2)是激励点i(i＝1,2)处移动的位移。

激振器输出激励力f＝[f₁ f₂]^T与作用在激振器动圈组件(3)上的安培力F＝[F₁F₂]^T之间的关系可以用式(1)与式(2)的传递函数表示

f＝HF (1)

其中传递函数

设二自由度试件的第一、二阶模态的角频率分别为ω₁和ω₂，当采用相位共振法测量第j阶模态时(j＝1,2；即作用在动圈上的安培力的角频率为ω_j)，为保证激励力能够跟踪激励电流，需将调整配重，将主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量调整为

若忽略激振器的阻尼，即c_ei≈0(i＝1,2)，以角频率ω_j(j＝1,2)对试件进行激励时，则此时式(2)变为式(4)

根据式(4)可知，激励点1、激励点2输出的激励力f＝[f₁ f₂]^T与作用在激振器动圈组件(3)上的安培力F＝[F₁ F₂]^T近似相等，且多激振器之间没有耦合，即：达到了作用在试件上的多个激励力与作用在动圈组件(3)上的安培力之间的幅值比尽可能为常数、相位差尽可能为0°的目的。

算例：

设试件的参数为M_s1＝M_s2＝1kg,K_s1＝K_s2＝10kN/m,C_s1＝C_s2＝3N/(m/s),K_s＝30kN/m,C_s＝3N/(m/s)，试件的一阶固有频率为15.91Hz。激励点i(i＝1,2)处的激振器参数为m_e1＝m_e2＝0.5kg,k_e1＝k_e2＝15kN/m,c_e1＝c_e2＝3.5N/(m/s)。在模态试验中，若想测量试件的一阶模态的固有频率与振型，则可以根据式(3)，计算出m_p1＝m_p2＝1kg，即调整激励点i(i＝1,2)处的激振器的主配重(7)、微调配重(8)，使激励点i(i＝1,2)处的主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量m_p1、m_p2为1kg。

图4A－图4D是总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重的激励力f与安培力F之间的传递函数矩阵频响曲线对比。其中，图4A显示的是根据本发明的一个模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时第一激励点的激励力f₁与安培力F₁之间的传递函数H₁₁的频响曲线对比；图4B显示的是根据本发明的上述模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时第二激励点的激励力f₂与安培力F₁之间的传递函数H₂₁频响曲线对比；图4C显示的是根据本发明的上述模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时的激励力f₁与安培力F₂之间的传递函数H₁₂频响曲线对比；图4D显示的是根据本发明的上述模拟算例中总配重m_p1＝m_p2＝1kg与未加配重时的激励力f₂与安培力F₂之间的传递函数H₂₂频响曲线对比。

如图4A－图4D所示，在加配重的情况下，在一阶共振频率15.91Hz附近，激励点i(i＝1,2)处的激励力与相应的安培力之间的传递函数矩阵的特性具有明显的改善，主要体现在两方面：①力跟踪效果变好，H₁₁、H₂₂中的幅频曲线、相频曲线变为平坦，幅值比近似为常数，相位差在0°附近；②在一阶共振频率15.91Hz附近，H₁₂、H₂₁的幅频曲线小于未配重情况，说明激振器之间的耦合作用比未配重时减弱。

本发明的优点和有益效果包括：根据所要测得的模态频率，通过调整主配重(7)与微调配重(8)，使主配重(7)、微调配重(8)、紧固螺栓(9)、激振杆(10)的总质量，满足式(3)，则可以实现使作用在试件上的多个激励力与作用在动圈组件(3)上的安培力之间的幅值比尽可能为常数、相位差尽可能为0°，并尽可能减弱各个激振器之间的耦合作用，从而达到了通过控制输入电流来控制输出力而有效地激励试件的目的。

一种用于模态试验的多激振系统及其力输出调节方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。