1 概述
sjt-1型三軸精密角運(yùn)動(dòng)臺(tái)要求其每個(gè)框軸、任意兩框軸或三個(gè)框軸同時(shí)作精密角運(yùn)動(dòng)，并要求在作角運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)、中和外框軸的振動(dòng)頻率可分別達(dá)到25hz、20hz和15hz．為此要求對(duì)臺(tái)體結(jié)構(gòu)作動(dòng)力學(xué)分析，以便得到需要的固有頻率、振型、質(zhì)量、剛度和阻尼．
sjt-1型三軸臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)采用u-o-o結(jié)構(gòu)，即u形外框繞鉛垂軸（外框軸）旋轉(zhuǎn)，o形中框繞俯仰軸（中框軸）旋轉(zhuǎn)，o形內(nèi)框繞橫滾軸（內(nèi)框軸）旋轉(zhuǎn)．三軸均能無(wú)限旋轉(zhuǎn)．其外形如圖1所示．
圖1 sjt-1型三軸臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)示意圖
2 結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)
2.1模態(tài)試驗(yàn)的目的
試驗(yàn)的目的是測(cè)試結(jié)構(gòu)臺(tái)體的內(nèi)、中和外框軸系的模態(tài)參數(shù)，其中包括各階相應(yīng)的頻率、振形、質(zhì)量、剛度和阻尼．
2.2 試驗(yàn)原理
試驗(yàn)時(shí)，將響應(yīng)傳感器加速度計(jì)置于各個(gè)框架上的測(cè)點(diǎn)位置，用力錘激勵(lì)試件．激勵(lì)和響應(yīng)的電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器調(diào)適放大成電壓信號(hào)后，通過抗混低通濾波器的低通濾波，再被模/數(shù)轉(zhuǎn)換（a/d）采樣．然后，采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)法，使用變時(shí)基采樣及傳函分析技術(shù)來(lái)測(cè)量和分析傳遞函數(shù)矩陣的某一行．zui后，采用復(fù)模態(tài)單自由度模型進(jìn)行曲線擬合，從而得到結(jié)構(gòu)的各階振型及其相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)．
試驗(yàn)基本原理圖見圖2．
圖2 試驗(yàn)原理圖
2.3 試驗(yàn)方法
模態(tài)試驗(yàn)的目的是測(cè)量足夠的傳遞函數(shù)，使其包含所需要分析的全部模態(tài)參數(shù)及模態(tài)振型的信息．為此我們需要測(cè)量傳遞函數(shù)矩陣任何一行（單點(diǎn)響應(yīng)多點(diǎn)激勵(lì)法）或任何一列（單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)法）．結(jié)合sjt-1型三軸精密角運(yùn)動(dòng)臺(tái)軸系的結(jié)構(gòu)特征，本試驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的測(cè)試方法，采用錘擊法產(chǎn)生激勵(lì)脈沖．
測(cè)點(diǎn)的選取應(yīng)能表征三個(gè)軸系結(jié)構(gòu)的整體模態(tài)振型特征．鑒于本軸系的結(jié)構(gòu)特征，在各個(gè)框架上布置響應(yīng)傳感器，通過各個(gè)框架的模態(tài)振型來(lái)反映實(shí)際的相應(yīng)軸系的模態(tài)振型．激勵(lì)點(diǎn)的選取應(yīng)保證能夠激發(fā)所有我們感興趣的模態(tài)．內(nèi)、中和外框軸系的幾何模型見圖3．
圖3 內(nèi)、中、外框軸系幾何模型
試驗(yàn)時(shí)，使用尼龍錘頭激振．由于尼龍錘頭激勵(lì)信號(hào)的實(shí)際帶寬為1.5khz，而我們?cè)O(shè)置的分析頻帶和采樣頻率分別為：1khz和2khz，所以在測(cè)試過程中，采用了低通濾波器對(duì)原信號(hào)進(jìn)行低通濾波，限制信號(hào)帶寬以防止頻率混迭．另外，在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí)，改變以往的等時(shí)基采樣，而采用變時(shí)基（vtb法）傳函分析技術(shù)，將振動(dòng)響應(yīng)的采樣率設(shè)置成脈沖激勵(lì)采樣率的8倍．
為了減小隨機(jī)誤差，提高頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)試精度，測(cè)試時(shí)采取了以下措施：對(duì)于力信號(hào)加力窗函數(shù)，對(duì)振動(dòng)響應(yīng)加指數(shù)窗；使用帶有統(tǒng)計(jì)平均處理的公式計(jì)算頻率響應(yīng)函數(shù)．此外，由于復(fù)模態(tài)理論更客觀地反映各軸系結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)特性和框架鑄件結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性，所以在曲線擬合時(shí)，采用復(fù)模態(tài)單自由度模型．
2.4 試驗(yàn)結(jié)果
通過模態(tài)動(dòng)畫顯示，得出如下結(jié)果．
內(nèi)、中和外框軸系的一階扭振模態(tài)頻率分別為309hz、234hz和110hz．
3 框軸軸系有限元分析計(jì)算結(jié)果與建模分析依據(jù)
內(nèi)、中框架為矩形結(jié)構(gòu)，可視為單一的板殼問題，建模時(shí)主要采用線性三角形和四邊形薄殼單元．內(nèi)上、下軸和中左、右軸可視為梁?jiǎn)卧畠?nèi)上、下軸與內(nèi)框架的連接用一組約束方程固聯(lián)。同樣，中左、右軸與中框架的連接也用一組約束方程固聯(lián)．中框軸系與內(nèi)框軸系建模時(shí)主要不同點(diǎn)在于中框建模時(shí)必須并入內(nèi)框軸系模型．
外框軸系的建模，首先建立單一外框軸系的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，然后加入中框軸系模型，再通過彈簧單元的連接以形成外框軸系的動(dòng)力學(xué)模型．
通過以上的建模，采用動(dòng)力學(xué)的svi方法，可得出內(nèi)、中和外框軸系的一階扭轉(zhuǎn)頻率分別為271hz、156hz和124hz．
4 框架軸系頻響測(cè)試結(jié)果
內(nèi)、中和外框軸系頻響測(cè)試結(jié)果，分別見表1、表2和表3．
表1 內(nèi)框軸系頻響測(cè)試結(jié)果 hz
水平 45° 垂直
水平 265 267 270
垂直 280 280 280
表2 中框軸系頻響測(cè)試結(jié)果 hz 水平 45° 垂直
水平 155 153.7 150
45° 151.3 152 168.8
垂直 161.3 147.5 150
表3 外框軸系頻響測(cè)試結(jié)果 hz 水平 45° 垂直
水平 93.8 103.5 99.5
45° 104
垂直 108 105
5 結(jié)論
試驗(yàn)測(cè)試計(jì)算結(jié)果見表4．
表4 各種方法所得結(jié)果比較hz 有限元 模態(tài)試驗(yàn) 頻響測(cè)試 系統(tǒng)要求
內(nèi)框軸系 271 309 265～280 250
中框軸系 156 234 147.5～161.3 200
外框軸系 124 110 93.8～108 150
由表4可得如下結(jié)論：
① 有限元計(jì)算值、模態(tài)試驗(yàn)值和頻響測(cè)試值基本上相符合．這說(shuō)明模態(tài)試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果是可信的，對(duì)進(jìn)一步研究臺(tái)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型有重要價(jià)值．
② 所得的框架軸系的一階固有頻率基本滿足sjt-1三軸精密角運(yùn)動(dòng)臺(tái)電氣系統(tǒng)的要求．
③ 三種方法差值所產(chǎn)生的原因是復(fù)雜的，有待去進(jìn)一步研究．