航空振动测试

基于多普勒原理的激光测振技术，能有效帮助航空航天工程师
加快产品投入市场速度和降低成本。

航空航天振动测量
结构性测试是航空产品在设计、开发和制造过程中不可或缺的一部分，它是确保最终产品在性能、质量、安全性和可靠性方面的一个重要步骤。

随着航空航天产业的发展，航空产品的类型越来越多，结构测试的复杂性也不断提高，产品开发和设计改进团队要求更有效的模态测试方法来增加生产力，同时还需与有限元分析模型保持精确相关(如负载分析、声辐射等等)。

传统接触式模态测试方法，需要对加速度计及进行粘贴、布线，属于劳动密集型的测试方法；而当目标结构很复杂和大量被测量点时，测量成本会迅速增加。

NVH特性
为了争取更多的商业飞机订单，航空航天制造商需要在两个重要领域寻求竞争优势：燃油经济性和提高旅客舒适度。

因此，如今的航天工程师们比以往更关心振动噪声测量，通过减少飞机内部噪音可增加旅客舒适度。

此外，城市空中交通发展飞快，减少飞机外部噪音可提高飞机的接受度。

Polytec 激光测振仪是航空公司提高他们最新飞机NVH特性的必不可少的工具。

颤振检定
空军理工学院（AFIT）使用PSV- 400 – 3D扫描式激光测振仪测量无人机和其它复杂航天器的振动特性，它的使用提高了对飞机的颤振分析结果，显著减少测试时间和数据后处理分析。

航空发动机测试
制造出环境友好的和更强大的航空引擎将引擎设计推到新的极限。

激光测振仪可精确解释最难也是最重要的任务，即与寿命相关的振动现象。

详见第12页。

地面振动测试
对于一架新的飞机而言，地面振动测试(GVT)花费会非常昂贵，可采用与有限元模型(FE)相关的模态分析来获取测试数据，在做负载分析时可防止结构失效和进行颤振鉴定，为用户节省大量的财力和人力。

飞行器结构部件测试
飞行器上的仪器、设备经常置身于机体振动、发动机噪声、气流扰动，以及起飞、着陆或加速等引起的冲击振动等动态环境中，为保证机载仪器、设备的安全运行，提高系统的可靠性，机载仪表、仪器、部件和设备在装机前大都需要进行振动和冲击试验，考核合格后，方可正式装机。

飞行器结构部件的振动分析可以得出其运动学和动力学数据，确定其固有频率以及设计出完整的模态模型。

详见第7页采用3-D扫描式激光测振仪测试A320飞机。

MEMS和PCB测试
激光测振仪是印刷电路板和微机电传感器和致动器振动测试的首选设备。

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材料测试
材料的分层和开裂是常见缺陷，这会大大降低航空产品的性能。

找到局部缺陷，非线性激光测振仪（详见第9页）和兰姆波检测仪都成功地用于无损检测(NDT)。

最好的飞行
多功能全场扫描式激光测振仪，采用非接触式测量方法，无任何附加质量影响，具有高空间分辨率和高频率分辨率的优点。

在Polytec的扫描式激光测振仪的帮助下，航天开发工程师和科学家们可以同时降低测试时间和振动测试的复杂性，Polytec 激光测振仪已成为航天开发、质量控制和飞机健康监控等非接触振动测量的黄金标准。

航空结构振动测试
真空环境下的振动测试
图1：4m×6m可充气通信天线模型
图2：真空室内四象限膜的正方形太阳帆（边长20m）
美国国家航空和宇宙航行局（NASA）多年来致力于发展轻型空间结构，以减少航天器发射成本及开发出全新的独特理念。

例如，近年来受到追捧的碟形通信天线（图1），其在太空中充气至30米后固定，具有高速数据通信能力。

另一个轻型结构的例子是为航天器提供推动力的太阳帆。

太阳帆以太阳光光压为推进动力，是一种独特的推进方式，它超越了对反应物料的依赖。

其工作原理是：利用太阳帆将照射过来的太阳光（光子）反射回去，由于力的作用是相互的，太阳帆在将光子“推”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力，从而推动飞船前进。

太阳帆不但要有较小的自身荷载，而且也要具备近乎完美的反射面。

由于单个光子所传送的动量非常小，为了拦截大量的光子，太阳帆必须有一个大的表面积。

为满足美航局的未来航天推进需求，ATK公司、SRS科技和NASA兰利研究中心组成的工作小组，在美航局航天推进办公室（ISP）的指导下，开发出可展开太阳帆的构型（图2）。

在地面上进行太阳帆模拟测试，工程师们面临的有三大挑战：
-- 太阳帆表面积大，厚度比纸还薄
-- 不能忽略大气中的空气质量影响，要求在真空环境下测试
-- 模态测试时，测量点密度高，要求将太阳帆表面分成若干个区域进行测量。

本文讨论的是我们面临的唯一难题：真空环境下的太阳帆的模态测试。

图3：真空室
图4：置于密封加压罐内的PSV-400全场扫描式激光测振仪
真空环境
Polytec扫描式激光测振仪是模态测试的首选工具。

为保护激光扫描头不受真空环境影响，工作人员将其置于一密封加压罐内，激光从加压罐的一个窗口射出，并配备强制空气冷却系统防止测振系统过热。

与专门开发的扫描反射镜系统（SMS）一起，在真空室内60米远处对太阳帆进行全场模态测量。

图5：真空室内的扫描反射镜系统(SMS)
如图5所示，SMS系统安装在真空室顶部、测试样品的中间，测振仪安装在真空室内一扇门的门框上，SMS系统的静态反射镜将激光束导向两个正交的动态反射镜上。

完全自动化测试
软件采用专门开发的目标跟踪算法，激光束在测量每个网格点前均再次自动聚焦，以保证信号质量最优。

激光系统的初始校准、目标跟踪处理、以及整个数据采集过程均是系统自动完成的。

系统在扫描的同时测量反射光强度，软件通过计算反射光强度值矩阵的质心和相应的反射镜角度值来得出太阳帆角度定位。

当调试完激光与SMS系统后，第二步通过SMS系统使得激光与太阳帆上的被测点对应，第三步由软件逐步读取目标定位，完成整个数据采集和存储过程。

该完全自动化的测试程序非常严格，多数情况下测试耗时可能会超过5小时。

在本次测试之前，测振系统和SMS系统被证实其测试距离可达85米（甚至更远），远远超出本次实验的60米测试距离。

太阳帆激励
图6：四象限膜的正方形太阳帆的磁激励系统
为了提高太阳帆航天器的有效荷载能力，要求太阳帆超大、超轻、超薄。

选择太阳帆材料时需要考虑空间环境的影响，拉伸使薄膜平整，形成近乎完美的反射面。

太阳帆动力学测试所采用的激励方法是在太阳帆的支撑杆的各端部安装电磁铁（每端部2个，共8个），安装的侧视图如图6所示。

电磁铁被安装在带有线性驱动器的垂直位移台上，以便精确定位。

为保证正常工作，安装在支撑杆上的电磁铁控制在5mm以内，在每个电磁铁旁均安装微型摄像头，要求两者对齐，并保证适当的间隙尺寸。

为保证真空环境下太阳帆的安全，各支撑杆的端部安装的其中一个电磁铁用于阻止垂直和横向运动。

当电磁铁被断电后，弹簧在将其拉离被测表，支撑杆可恢复自由移动。

测量时，各支撑杆端部的另外一个电磁铁同时受到激励。

为减少测试时间，太阳帆每个四分之一象限内定义5个测量点，每个支撑杆的端部定义2个测量点。

从四分之一象限测试到整个太阳帆测试，由于太阳帆结构不变，四分之一象限内5个测量点的低空间分辨率可以与44个测量点的高空间分辨率的测试结果相差不大。

太阳帆动力学测试
图7：太阳帆系统的一阶模态（0.5Hz）
如图7所示，太阳帆系统的主模态，在频率为0.5Hz时所有象限同相摆动。

在这阶模态下，所有的支撑杆围绕着轴线螺旋式运动。

图8：太阳帆薄膜的一阶模态（0.69Hz）
一阶太阳帆薄膜模态，低的支撑杆参与，在0.69Hz时的呼吸模态。

在该模态下，太阳帆四分之一象限的支撑杆围绕自身轴线承受一阶弯曲（见图8）。

通过太阳帆其它主导高阶模态还发现，四分之一象限内的支撑杆承受一阶弯曲，但其中轴线则承受二阶或三阶弯曲，这些测试结果对于结构分析模型的更新优化至关重要。

结论
与有限元分析结合起来，激光测振仪让太阳帆系统的模态测试变得很简单。

而且，通过对每个象限模态的拼接组合，确定了整个太阳帆薄膜的高阶模态。

本文描述的方法论可被进一步用于其他轻型结构的测试，如基于通信天线的技术开发等。

鸣谢
我们要感谢美国国家航空航天局批准发布这篇文章。