公路运输模态试验分析

1引言

在导弹公路运输机动发射中，导弹-运输车构成一个整车系统，对于整车而言，仅对车身、底盘、导弹等单方面研究，只能从局部说明引起的原因，并不能代表整车的固有特性，而整车的固有特性是各部件相互作用、耦合后的综合体现，因此必须从整车出发对整车的固有特性进行测量和研究，寻找可能引起振动的原因。模态参数识别方法有敲击法模态参数识别和环境激励下的模态识别方法，针对特种车辆而言，这两种方法在工程应用都有各自的局限性，传统的敲击法模态参数识别需要对结构施加激励，对具有强非线性结构（如汽车板簧）而言，其缺点是不能保证激励力是否有足够的能量将结构的低频响应激起；环境激励（包括路障冲击试验和跑车试验）则无需外加激励，依靠结构在实际工作状态下的振动响应信号识别结构的模态参数，更能反应结构在实际工作状态下的结构特性。针对某型特种车辆，分别采用敲击法模态试验、路障冲击试验和跑车试验三种方法对特种车辆模态参数进行识别，解决了导弹公路运输模态试验方法的正确应用问题，可为相关领域内导弹公路运输模态试验的研究提供参考。

2环境激励模态参数识别

2.1环境激励频响函数估计和频率的识别

当环境激励为白噪声或者是宽带随机谱时,可利用式（2）估计频响函数。由于特种车辆属于典型的低频振动结构，在环境激励下，其自振频率主要依据结构响应各测点的自功率谱峰值处的频率作为结构的主频率。

2.2振型的识别

式（4）、（5）对所有的频率值成立，而式（6）只是在若干个频率附近iω=ω（i=1,2,…，n）时成立，iω是模态圆频率，ic为模态阻尼比，式（4）、（5）与式（6）对于互相之间无论是相关的还是不相关的输入都是成立的。所以，在任意随机激励下，结构响应信号的互谱与自谱的峰值之比即可近似为振型之比。

3模态试验

3.1敲击法模态试验

本试验共布置28个测点，只测量垂向（Z向）加速度信号，试验状态为8个轮胎着地。试验采用单点激励多点响应的方法，敲击车尾部。试验模型主要有三部分：弹头、起竖壁和运输车架构成，测点具体布置以及1号和15号加速度传感器实际测点位置。试验时，采用橡胶头力锤，量级为25T，进行10次敲击，由于车辆为低频结构，所关心的频率范围为20Hz以内，故设置分析频率为20Hz，低通频率20Hz，采样率51.2Hz，每帧点数为1024点/帧，20秒/帧，共采样10帧。最后得到Z向第9测点频响函数如图4所示。由敲击试验识别出的整车模态振型如图5～7所示。图中X正方向为车尾，X负方向为车头，黑色线代表整车结构未变形，彩色线代表振型的变形。各阶固有频率所对应的振型说明如表1所示。

3.2路障冲击试验

路障冲击试验主要是为了避免敲击试验对车辆激励能量过小，不能将所有的频率激出，同时也为了能够更加真实的得到车辆在实际工作状态下的固有特性，所以进行了路障冲击试验。如图8所示，路障最高处为120mm的一个阶梯台阶，使特种车辆第一桥的左前轮沿台阶爬到最高处，再从最高处落下。台阶由普通砖和水泥块组成。测量过程中，采样频率设为500Hz，低通滤波频率为100Hz。从测得的时域信号中截取第1、23测点的时域信号如图9～10所示。在频域中，对时域信号进行傅里叶变换，得到部分测点的频谱图如图11所示。在频域中从频谱图可以看出，主要的频率有2.822Hz和3.83Hz，在这些频率处整车所受到的冲击能量比较大。根据识别出的振型结果来看，由路障冲击试验识别出的固有频率比敲击法识别出的固有频率偏低，其中2、3阶固有频率分别降低了15%和0.8%。

3.3跑车试验

跑车试验中，将所有仪器设备固定到驾驶室当中，电源由12V，64AH的直流蓄电池供给，测量Z向加速度信号。试验车主要在柏油马路上行驶，车速为20km/h，采样频率为500Hz，低通滤波频率为100Hz。跑车试验第1测点的时域信号如图12所示，28个测点数据经过FFT变换后的位移频谱。在频域中从频谱图可以看出，柏油路面跑车试验主要的频率有1.2Hz和2.347Hz，在这些频率处整车所受到的随机振动能量比较大。其中2.347Hz频率处受到的振动能量最大。根据跑车试验数据，应用环境激励模态识别方法，识别出的模态振型如图14～16所示，环境激励下各阶固有频率所对应的振型。通过跑车试验识别出的模态参数可以看出：跑车状态下识别出的固有频率比敲击法识别出的固有频率偏低，1至3阶固有频率分别降低了55%、29%和9%。在跑车状态下，由于车和弹体不是一个完整的整体结构，再加上路面的起伏所致，导致了较大的非线性，使得不同测试方法的结果相差很大。

4结论：路障冲击试验识别出的2、3阶固有频率分别降低了15%和0.8%，跑车状态下识别出的1～3阶固有频率分别降低了55%、29%和9%；在跑车状态下，由于车和弹体不是一个完整的整体结构，再加上路面的起伏所致，导致了较大的非线性，使得不同测试方法的结果相差很大。从整车的振型来看，板簧的非线性对整车固有特性起着重要的作用。所以在导弹运输的研究中，采用敲击法识别出的结果不能够满足实际工作状态的振动分析，应当以环境激励识别出的结果作为设计依据，而敲击法识别出的振型可以作为环境激励识别振型的参考。通过本文的研究解决了导弹公路运输模态试验方法的正确应用问题，可为相关领域内导弹公路运输模态试验的研究提供参考。