飞机地面共振试验-汉航NTS.LAB GVT

1 引言

一款新机型从设计到上市需要经历种种考验，其过程之艰辛，环节之复杂，往往会令人望而生畏。在新技术、新材料等行业的蓬勃发展带动下、在新形势的要求下，催生出一阵又一阵创新要求，航空行业更是如此。

 

飞行器的结构及系统的复杂程度日益增长，而留给开发人员的时间及预算并未随其而增长，对一款新品来说，上市时间尤为重要。这也就意味着，开发者必须在最短的时间内、以最低的成本，完成整个飞行器的验证，并要在满足开发需求的同时，保证其安全性及可靠性。一款飞机的问世，需要经历设计、制造、试验、试飞四个主要环节，在此期间需要对其进行多次验证，最终才能造就飞机的钢筋铁骨，确保其以一种强悍而又稳健的姿态翱翔于蓝天。而这些验证大多数情况下都在认证过程中进行推进的。在实际应用中，测试通常是验证系统是否满足认证需求、检验预测仿真模型准确性的重要手段。而全机地面共振试验（GVT）则是飞机首飞前必须完成的大型地面试验中的关键一环，同时也是验证、考察飞机动态特性及完善颤振分析模型的可靠手段与重要依据，在飞机研制过程中具有极其重要的意义！

 

工程技术人员往往结合飞机特点，并根据全机结构动力学特性指定适航符合项验证方案。其主要是对设计过程中的颤振仿真结果进行验证，以及降低飞行颤振测试的风险。通过开展地面共振试验，并将试验数据进行记录及多次对比，确定飞机主要固有模态（固有频率、振型和阻尼），并校对结构动力学模型用于振动和颤振特性分析，剔除虚假模态，从而给飞机设计人员提供有效数据参考，更好、更有效地保障飞机安全。

 

2 地面共振试验

地面共振试验又称纯模态试验，在试验过程中大多采用纯模态多点激振试验，在模态频率处采用单频激振，通过调谐激振力的个数和分布来补偿结构内部阻尼，最终激振出结构的某阶等效无阻尼模态（这是物理上分离模态的方法），此时结构正在处于某一阶模态的共振状态，进而可以直接测量结构的模态参数，即为“纯模态”试验。

2.1理论基础

多自由系统在简谐激振力的作用下，其运动微分方程为：

                                                                                   （1）

其中M、C、K分别为系统的质量、阻尼、刚度矩阵，分别为加速度、速度、位移和力矩阵。

 

令

                                                                                                   （2）

则其响应输出位移为：

                                                                                 （3）

其中式中，F为激振力，ω为圆频率，t为时间，X为响应输出位移矢量，Φ为相位角。

将（2）、（3）代入式（1）中，可得到如下式：

                                 （4）

                                 （5）

如果相位角（m为整数），则有

                                                                                                                     （6）

                                                                                             （7）

上式的物理意义为：如果激振力F适调满足式（6），则所对应的圆频率将满足式（7），而式（7）就是式（1）的无阻尼同构方程，此时方程的特征值和其解向量分别为系统的无阻尼固有频率和特征矢量（振型向量）。

 

在试验时，当激振力的大小和相位达到一定条件时，结构的振动达到相位共振，且呈现出某一固有振型的纯模态特征，即结构加速度（位移）响应的相位与激振力的相位差达90°，此时即可得到系统的模态频率和振型向量。

 

2.2 MIF模态指示函数

当结构受到外部正弦激励并按照某阶固有频率振动时，此时结构的惯性力与弹性力平衡，激振力与结构的阻尼力平衡，且响应的实部趋于零，结构呈现单一模态的相位特征。因此，通过反复调激振力与频率相结合，使结构上各个测点加速度响应呈上述特征，即相位共振，即可得到结构在某一固有频率下的振型。为更好地指示和识别模态，将所有响应相位归纳为一个总体目标函数，即MIF函数，并称此标量为模态指示函数，数学表达式如下：

                                                                                                （8）

其中X为测点加速度响应，ImX表示为测量点加速度响应的虚部，当结构呈共振状态时，此时所有响应点的实部趋于零，虚部呈极大值。即当MIF → 1 时，认为结构呈现单一的“固有频率模态”，即纯模态。然而，由于在实际结构中难以实现，在工程应用中会对该函数值进行控制，当MIF≥0.9时认为是优良模态。因此，在试验中要不断地改变激振频率以及激振力的大小，并不断地改变激励点的位置使其最佳，以使MIF值逐步达到最优值。

 

2.3 李萨如图（Lissajous）

李萨如图用于绘制激励点位置的力与响应加速度的关系，用于验证它们之间相位差。当相位差为90°，此时结构处于共振状态。在共振的情况下，李萨如图形会形成一个椭圆，其主轴与水平轴和垂直轴对齐，如下图所示。

 

图2 李萨如图：(a)表示相位差为90°；(b)表示相位差为0°

 

为了利用李萨如图更直观的判断共振状态，NTS.LAB提供‘偏移’选项，在处理的过程中将加速度响应的相位偏移90°，这样在共振时的李萨如图应该成为一条直线(闭合李萨如函数)，而不是一个椭圆。 

 

3 用NTS.LAB进行地面共振试验

对于飞机地面振动试验而言，激励方法和模态分析方法是试验的重要内容。在试验过程中，通常采用激振器对结构进行激励，使飞机发生微幅振动，同时使用各种传感器测试振动信号（一般为加速度信号），并对测试得到的振动信号进行分析，从而获得飞机的固有振动特性。飞机结构在不同激励频率下响应不同，通过记录结构响应，利用参数识别的方法即可获得结构的振动特性。

 

在进行地面共振试验前，工程师需要根据飞机的大小及特点来考虑以下问题：

Q1. 测试过程中如何合理的确定传感器的粘贴位置？

A1. 在开始纯模态试验，可根据有限元的模态仿真结果，将传感器合理的布置在振型相对运动较大的位置，避免布置在振型节点（线）位置，即振型的不动点，否则会造成某阶模态识别失败。

 

Q2. 安装激振器后，如何保证激振器能够以恰当的方式对结构进行激励？

A2. 激振器和试件之间用柔性杆连接，应保证加激振器后，试件的频响特性在摸态分析频段没有发生变化，各个激励力之间没有发生耦合作用。

 

Q3. 飞机悬挂方式是否会对试验结果造成影响？

A3. 支撑系统对纯模态试验的成功至关重要，小试件可用橡皮绳悬挂，大试件需用空气弹簧支撑。支撑系统的频率应低于试件第一阶模态频率的1/3。 

 

解决上述问题后，方可进入纯模态试验流程，实施方案如下：

1）采用多点宽带随机或正弦扫频的数学识别技术，快速完成结构模态试验任务，获得结构FRF函数和初步的各阶模态参数（含模态频率、振型、阻尼）；

2）根据上述各阶模态参数，在每一阶的模态频率处，微调力和频率，利用模态指示函数法，确定力值大小和频率，并确定结构的此阶模态参数； 

3）采用相位共振法即步骤2测试流程，对所有模态进行识别，输出最终所有的测试结果。

 

3.1 MIMO激振器法试验

首先利用汉航NTS.LAB MIMO 激振器法获取结构的模态参数，并将结果读入到NTS.LAB 纯模态试验界面中，初步获取各阶模态参数。

 

3.2 步进正弦试验

基于MIMO模态试验结果，在某阶频率附近进行步进正弦试验。在此阶段，软件记录整个步进正弦过程的MIF值和李萨如图，判断某阶模态纯度。当试验结束，在设置的步进正弦扫频区间内，可拖动光标寻找模态纯度最高所对应的频率，即MIF值最大的位置，并进入驻留正弦模块进一步细化频率和激振力。

 

3.3 驻留正弦

在获取最大MIF值所对应的频率后，在驻留正弦模块再次微调力和频率的大小，直至MIF达到最优，李萨如图经过处理为一条闭合的直线，此时保存该阶模态频率和振型。

 

3.4 模态阻尼

由于纯模态调谐不需要计算FRF函数，模态频率通过调谐直接获取，而其对应的振动状态即为该阶模态振型，也可直接测量得到，因此不需要模态参数拟合。而模态阻尼并不在上述过程中，因此需要额外计算。NTS.LAB纯模态模块提供三种方法获取模态阻尼，如下：

• 指数衰减法
• 单自由度法
• 力正交法

 

 

 

 

4 总结

无论是军机强度规范还是民机适航标准，都表明地面共振试验是各型号飞机首飞前必须完成的大型地面试验之一。其试验数据主要用于对飞机结构力学模型的确认，并通过修正后的分析模型，预计飞机的颤振特性和各种动态的响应，并为飞机的减震设计和飞行安全性评估等。提供理论依据。地面共振试验是飞机首飞前需要进行的“大考”之一，对于各型号飞机而言，通过地面共振试验具有里程碑的意义！

 

汉航NTS.LAB GVT地面共振测试系统是为解决工程技术人员在地面共振试验中工程师们所面临的难题及困扰而设计，能够在不影响测试结果准确性的条件下最大限度地缩短测试和分析时间。在试验过程中，该系统不仅能够实时获得飞机的模态参数，而且还可以同步对实验数据进行记录，确保试验数据的安全性和有效性。在试验结束后可导出测试报告，保证试验结果的可追溯性，为认证过程提供可靠的数据支撑。

 

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