使用ODS FRF方法分析叶轮的动态特性

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Dynamic Characteristics of Impeller Using ODS FRF M ethodWANG Xue-lin ， ZHANG Lan-zhu -， CHEN Xue-dong ， Yue-ping ， CHEN Qi ruing。

(1.Key Laboratory of Pressurized Systems and Safety，Ministry oJ Education，School of Mechanicaland Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China)Abstract：Based on the ODS，the dynamic characteristic of the fan impeller is obtained using ODS FRFmethod，and traditional experimental modal method (impact hammer testing)is also done on the sameimpeller for comparison. The compared results show that the result by the ODS FRF method is moredesirable than that by the traditional impact modal method。

Key words：ODS FRF method；dynamic characteristics；experimental modal analysis；impact hammertesting传统试验模态分析是通过测量结构中各个部位在特定激励下的振动输 出响应 ，用模态分析理论及相应的计算软件分析处理所记录的激励信号和响应信号 ，获得频响函数 ，从而得到结构的动态特性 (固有频率、阻尼 比、模态振型)l1]。随着快速傅 里叶变化(Fast Fourier Transform，FFT)的发 展，传 统 的模态试验变得简便快捷，基本可以获得满意的结果。

同时，随着被测对象的质量、体积越来越大，又产生了新的问题 ：测试人员发现传 统的人为激励方式有时很难有效激振，即使能够有效激励，其激振仪器费用也极其昂贵 ；或者测试现场因各种原 因无法进行激励或者有效测量激励信号等。

因此 ，Ole Dossingl2 于 1987年提 出 了工作 振型(Operational Deflection Shape，0DS)的概念 ，它表示了被测量系统在工作状态下的某个特定时刻或频率 ，结构上两点或多点之间的相对振动 ，或-个点收稿 日期 ：2012-10-22基金项 目：国家 自然科学基金(5l275171)；教育部基本科研经费作者 简介：王学林 (1988-)，男 ，上海人，硕士生 ，主要研究方 向为结构动力学。

通信联系人 ：章兰珠 ，E-mail：lzzhang###ecust.edu.en第 3期 王学林，等：使用 ODS FRF方法分析叶轮的动态特性相对于其他所有测量 点的振动状态 。同时他 还指出，ODS中还包 含了被测 量系统 的动态特性 ，相 比传统方法得到的模态振型更容易测量，从而使系统的振动 特性 可 视 化变 得 简便 。1997年 ，Richard-son3 又对工作振型进行了深人 的研究 ，指出了工作振型同模态振型之间的区别 和联系 ，以及从试验 中获得工作振型的方法 。Richardson同时把工作振型同自然激励联系在-起，这是因为两者都需要同时测得多点的响应 ，在激励信号未知的情况下 ，仅使用响应点的振动响应信 号进行分析 ，获得系统的模态信息。

DS可在不进行任何分析的情况下，根据所测响应的时域波形 ，观察结构在各个时刻的变形情况；或根据工作振型频率响应函数(Operational Deflec-tion Shape Frequency Response Function，ODSFRF)、自互功率谱，观察结构在各个不同频率时的振型，此时的振型含有各阶模态的影响↑几年，有越来越多的研究人员开始利用 ODS研究结构的振动特性。在未知激励的情况下 ，ODS FRF是分析工作状 态 下 结 构 振 型 的理 想 方 法 。Kromulski和Hojanl4 通过直接测量相应 ODS数据 (信号分析法)和在模态模型的基础上施加假设激励(系统分析法)，获得 了玉米分离器 的工作振型 ，两种方法所得出的结果类似，并在最终结论部分提 出了相干系数的好坏对模态数据的影响。西北机电工程研究所的王宝元等l5 应用 ODS测试方法 ，对履带式 自行火炮工作状态下的模态进行了提取，并与在发动机停止时使用锤击法获得的模态参数进行了对比，结果表明，基于环境激励的模态分析方法在 自行火炮上的应用是有效的，并将该方法应用 到了后续 的轮式火炮的测试上 ]。郑伟娟等 发现某半挂牵引车在公路上行驶时，其动力传动系统出现较大振动，此时发动机的转速约为 1 850 r/rain；当车辆停在原地并使发动机从怠速开始升速至 同转速时 ，动力总成也同样出现较大的振动和噪声 ，为此对该动力总成进行了振动 DS分析，同时进行 了模态试验对 比分析 。

通过分析发现，在 92.5 Hz时动力 总成发生了明显的弯曲共振，而通过传统的锤击法模态测试，识别出该动力总成的第 1阶共振频率，两者的频率和振型非秤近，同时也证明了 ODS的正确性。

虽然在上述文献的研究中 ，证 明了 ODS方法数据的正确性，但它是通过操作者主观选取峰值，并且无法计算出阻尼比，对于上述 的大 中型结构的部分动态参数获取影响不大；但是对于中小型结构以及具有复杂重根模态的结构 ，ODS方法在该方面的应用和试验较少 。

本文将采用 DS频域分析方法，对风机叶轮进行试验模态分析，激励方式为激振器敲击，不记录激励力信号，只记录固定参考点和移动点 的响应信号。

通过 ODS FRF识别得到叶轮的动态参数 。为了验证该方法的有效性 ，同时采用传统 的移动锤击法对同-试验对象进行试 验模态分析 ，同样得到了模态参数 。对 比结果表明 ，ODS FRF分析方法 比锤击测试模态分析结果更 为理想 ，能够从试验数据 中成功提取出叶轮的重根模态 。

1 ODS FRF理论基础结构上任意-点z的响应傅氏谱F- )可用 i点的激励力傅氏谱 F， (jaD和结构 系统的传递 函数H ( 叫)表示为F (20)： H f(如 )F/ (20) (1)若在结构上另取- 固定参考点 Y，Y点的响应谱F (. )也可以由式(1)表示。

假设各阶模态振型对参考点 处的影响很小，则该点的系统集总传递函数H ( )也会较校参考点响应谱 F (jco)中，结构本身动力学特性的分量较小 ，从而使环境激励 F，( ∞)分量变大♂合之前的假设 ，F ( )可以近似表示为F (如 )≈ /(如 ) (2)其中 口代表常数。

则传递率a ( )可近似表达为∞)- ≈ F(丽jo)CC可 (3)这样可以将直接测试的量 (j co)近似认为是结构的集总传递函数，利用传统的模态参数分析方法来识别结构的模态参数。在实际操作中，计算基于 ODS方法的频响函数是在每个输出响应点与固定参考响应点之间进行的，即用参考点的响应信号代替激励信号。为了减小信号平均后与输入输出信号不相关的噪声影响、以及确保正确的相位信息，经常使用自互功率谱来计算，即：oDs ccu - - -(4)其中： ，(co)-F (co)F ( )为移动响应信号与参考点响应信号的互功率谱；G ( )-F (叫)F (叫)为参考点信号的自功率谱。