LMS Test.Lab在超重训练设备模态分析试验中的运用

1 前言
    航天员超重训练设备是一台以大型载人离心机为主体，能够模拟飞船上升段和返回段超重过载环境以及其他超重过载环境的综合训练设备。为保障超重训练设备各系统均处于良好协调运转状态，开展了设备全面诊断维修、系统升级和保养等工作。通过研究超重训练设备在不同条件下受到激励作用后的共振情况，对航天员超重训练设备在维修前进行了模态试验，通过试验结果分析找出所存在的故障，为超重训练设备结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计维修提供了依据。经过维修后再次对航天员超重训练设备进行模态分析与关键旋转部件进行振动检测分析，将维修前后的动力学特性数据进行分析比较，评价维修后超重训练设备的动力特性。
2 试验模态分析的基本原理
    模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的，近十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理、数理统计及自动控制理论中的有关内容，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析即参数识别技术的发展奠定了理论基础。自动控制理论中的传递函数（或频率响应函数）概念的引入，对模态分析理论的发展起了很大的推进作用。通过传递函数，我们可以得到机械结构振动的固有频率以及机械结构各部分的响应变形，而固有频率和振型一起构成机械的振动模态。人们把通过测量求取振动模态并由此进一步分析机械动态特性的方法称为模态分析。
3 试验要求及仪器设备
3.1 试验要求
    航天员超重训练设备主要包括长臂、叉头、驱动舱、配重舱、转轴、吊舱及动力系统等。超重训练设备长臂（旋转半径）为8m，最大过载值16g，自重9T。在试验中需要测量超重训练设备的固有频率及振型，主要是垂向（Z）和侧向（Y）的一阶振型。
3.2 试验仪器设备
    本试验采用比利时LMS公司的LMS scadas 305多通道动态数据采集系统及LMS Test.lab模态分析软件，试验原理框图见图1。

图1 试验原理框图

4 试验方法及过程
    2006年7月我们进行了维修前的试验测量，找出超重训练设备所存在的故障并制定维修方案，2006年12月维修后我们又进行了一次验收测量。两次试验均采用锤击法模态测试进行，试验工况一致。
4.1第一次测量（维修前）
    沿超重训练设备臂架纵向（X向）轴线布置14个测量点，每个测量点上同时测量侧向（Y向）和垂向（Z向）振动。试验采用锤击法模态测试，激励位置和方向为9号测量点附近垂向（Z向），具体安装坐标见表1；在试验过程中发现：座椅与座舱地板在导轨连接处存在较大的安装间隙，在配重块放置的座舱地板上和放置在座椅内时的模态固有频率测试结果相比较存在较大的差异。

表1 模态试验测量点安装位置坐标

表2 超重训练设备模态测试结果