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[摘 要]经过大量的研究表明，机械结构在运动状态下都会产生一定的振动现象，只要该机械结构存在着质量和弹性。振动现象的出现，能够影响到机械设备的正常运转，甚至可能毁坏设备，造成严重的后果。因此机械结构的振动现象需要引起人们的足够重视。本文针对这个问题，深入研究了机械结构的振动特征，并提出了相关设计方法与验证系统。
[关键词]机械结构 振动特征 设计方法 验证系统
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0042-01
随着社会经济的高速发展，机械结构振动特征设计越来越广泛地运用于各个领域之中，如汽车控制结构、建筑结构与宇航结构等等。一系列的研究实践表明，采用该设计方法，能够大大提高相关设备的稳定性，从而促使其在振动环境中正常运转而不受影响。笔者从机械结构振动特征设计的相关技术要求入手，提出了相应的计算方法及改善措施，并针对机械结构振动特征设计的试验验证系统进行了有力的论述。
一、 机械结构振动特征设计的相关技术要求
机械结构振动特征设计包括多方面的内容，大体上有计算机机械结构振动特征模态的系统和对振动特征模态进行试验的系统两个方面。为了分析研究机械结构的静态装置方式和动态变化，必须计算设计出相应的模块。只有这样，才能很好地计算机械结构的固有频率和结构类型方式，继而辅助机械结构的动态变化特征设计。对振动特征模态的试验验证主要采取的是锤击激励方法，充分利用变时基法，通过不同信号的采样来分析处理采样数据，并结合其他的一些方法来进行机械结构的设计，最终保证设计结果与相关设计要求相符，因此对相关人员提出了两个方面的技术要求。
一方面针对的是计算系统，另一方面则是针对试验系统。对计算机系统而言，需要充分考虑到常规的机械结构分析单元，例如板单元部分、梁单元部分和三维实体单元部分等，除此之外，还要考虑一些特殊的要求。第一，在静态和动态作用下，针对计算系统的分析能力提出了更高的要求；第二，需要对机械的固有频率及振动类型进行计算，还应及时对结构振动的模型和状态变化的灵敏度进行分析。针对系统的试验问题，由于试验系统的敏感性和辨识性非常重要，所以需要具体情况具体分析，有效调整信号功能和参数辨识功能，继而进行修正以及设计的改进。
二、 关于机械结构振动特征设计的计算方法及改善措施
（一）采用灵敏度分析方法来修改机械结构
在机械设备的最初设计阶段，相关人员并没有正确精确地认识到振动特征产生的影响，从而所形成的设计方案不能达到振动特征的要求，因此必须修改原始的设计方案。采用灵敏度分析方法能够很好地针对原始设计结构中带有的振动特征参数，进行相关的计算找出结构设计中的最敏感部位，从而修正改进敏感部位，最终以最小的修改方法来提高机械结构中固有频率的稳定性。采用灵敏度分析方法需要选择正确的方式，其计算方法必须依据矩阵中的特征值和一阶微分方程等知识，以便获取计算的精确性。
（二）采用窄频段拟合识别方法来识别机械结构频域内模态参数
由于机械结构振动特征设计的相关参数存在着数量大、来源不合理科学以及各个参数的衡量标准不一致等问题，因此会导致计算系统中产生所谓的病态矩阵，它十分不利于系统的稳定性和程序的可靠性。采用窄频段拟合识别的方法就能很好地解决这个问题。大体思路是，机械结构特征设计计算之前，需要对各个参数进行标准化处理，使之统一为无量纲，这样就能避免病态矩阵的产生，还能进一步识别出非主导模态，进而使参数识别的精确度得到提高，也是一种综合识别设计模态参数的高效方法。具体来说，首先要通过傅立叶函数得到频率响应函数，再通过分量分析计算方法来计算模态的初始频率，以便得到初始频率值，并在此基础上形成不同区间的频段，接下来运用频率连续细化的方法来分析这些频段，得到所对应频段的各个频率点值，最后通过多种拟合识别方法来识别计算所得到的窄频段模态参数。
（三）采用变时基法可以解决不同频率采样的难题
为了更好地完成机械结构振动特征的设计，必须仔细研究系统的频率响应机制，并建立可供计算修改的频率响应函数。目前，针对该函数的测量主要采取一种锤击激振法，然而在这种方法的使用过程中，由于锤击的激励信号频率和系统的加速响应信号频率不同，也就出现了不同频率采样的难题，于是变时基法被适时提了出来。在对频率响应函数进行进行测量时会出现两个不同的频率，因此变时基法的原理就必须采用两种不同的方法，针对不同的对象频率进行采样处理以得到最终结果。具体来说，变时基法要对激励脉冲信号采用较高的采样频率，对系统响应信号采用较低的采样频率，并将这两个采样频率加倍以得到变时倍数。在这方面，变时基法获取数据可以寻求FFT及频率连续细化技术的支持。
三、有关机械结构振动特征设计的试验验证系统论述
在完成机械结构振动特征的设计之后，需要对其进行一定的试验验证，目的是检验灵敏度分析法、窄频段拟合识别法和变时基法等设计方法是否能真正起到作用。试验验证需选择机械结构中具有典型性的板箱组合结构。此结构主要由两个质量板构成，放置的方式是在箱体的底部，通过支架来支撑质量大的板，而且通过焊接的方法将质量较小的板悬臂于箱体侧面，另外在箱体的侧面也要接一块薄板螺。安放好以上这些试验装置以后，要运用计算模态分析系统来预测估算试验装置的结构振动特征。依据灵敏性分析方法，得出的前2阶振动固定频率分别为65赫兹、145赫兹。以此振动特征能够判定，当试验装置处于4赫兹到100赫兹的正弦扫频环境中时，一旦当频率达到65赫兹左右，该装置就必定会发生共振反应。通过对试验装置进一步的模态计算分析，我们可以得出这样的结论：第一阶振动模态表现为在垂直方向上质量小的板所出现的振动类型，第二阶振动模态表现为在箱体侧面质量大的板所出现的振动类型。因此，为了提高试验装置的低阶固有振动频率，就必须在提高小质量板的垂直支撑强度基础之上，提高大质量板的侧向角度。只有如此，才能较好地对试验装置进行改良，从而得到新的试验装置，以便更准确地验证机械结构振动特征的设计效果。
运用同样的计算模态分析方法可以得到新试验装置的前2阶固有振动频率，它们分别是191赫兹和230赫兹，然后通过试验模态分析系统来检验新装置的振动特征，验证其是否能对试验装置进行正确有效的修改。具体方法是，首先通过变时基法来采样激励信号以及系统加速信号，接着通过窄频段拟合识别法来分析识别原始试验装置以及新试验装置的模态参数，得出原始试验装置的前2阶固有振动效率为76赫兹和155赫兹，而得出的新试验装置的固有振动频率分别为200赫兹和222赫兹。以上的结果表明，所做出的修改方案是正确可靠的，修改后的结构的确能够很好地提高固有振动频率的振动效果，而且使得机构结构的稳定性大大提高。
结束语
计算模块的设计与试验模块的验证是机械结构振动特征设计的两个主要方面，计算设计模块主要是分析研究机械结构的静态装置方式和动态变化过程，同时针对机械结构的固有频率和结构的振动类型、方式进行相关计算，并且对机械结构的动态变化特征设计起到一定的辅助作用。试验验证模块主要是通过锤击激励的方法，针对不同的信号采取变时基法分别进行采样，并处理分析其采样数据，同时运用灵敏度分析法和窄频段拟合识别法来验证机械结构的设计，通过这种反复验证修改的方式来达到最终的技术要求。
参考文献
[1] 丁大为.基于机械运行状态改善的机械结构振动特征设计[J]. 科技致富向导，2014，05：225.
[2] 庞君.机械结构振动特性设计及验证系统研制的论述[J]. 科技风，2013，18：115.
[3] 林爱弟.变压器绕组振动特征提取及其状态识别方法研究[D].浙江大学，2014.
[关键词]机械结构 振动特征 设计方法 验证系统
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0042-01
随着社会经济的高速发展，机械结构振动特征设计越来越广泛地运用于各个领域之中，如汽车控制结构、建筑结构与宇航结构等等。一系列的研究实践表明，采用该设计方法，能够大大提高相关设备的稳定性，从而促使其在振动环境中正常运转而不受影响。笔者从机械结构振动特征设计的相关技术要求入手，提出了相应的计算方法及改善措施，并针对机械结构振动特征设计的试验验证系统进行了有力的论述。
一、 机械结构振动特征设计的相关技术要求
机械结构振动特征设计包括多方面的内容，大体上有计算机机械结构振动特征模态的系统和对振动特征模态进行试验的系统两个方面。为了分析研究机械结构的静态装置方式和动态变化，必须计算设计出相应的模块。只有这样，才能很好地计算机械结构的固有频率和结构类型方式，继而辅助机械结构的动态变化特征设计。对振动特征模态的试验验证主要采取的是锤击激励方法，充分利用变时基法，通过不同信号的采样来分析处理采样数据，并结合其他的一些方法来进行机械结构的设计，最终保证设计结果与相关设计要求相符，因此对相关人员提出了两个方面的技术要求。
一方面针对的是计算系统，另一方面则是针对试验系统。对计算机系统而言，需要充分考虑到常规的机械结构分析单元，例如板单元部分、梁单元部分和三维实体单元部分等，除此之外，还要考虑一些特殊的要求。第一，在静态和动态作用下，针对计算系统的分析能力提出了更高的要求；第二，需要对机械的固有频率及振动类型进行计算，还应及时对结构振动的模型和状态变化的灵敏度进行分析。针对系统的试验问题，由于试验系统的敏感性和辨识性非常重要，所以需要具体情况具体分析，有效调整信号功能和参数辨识功能，继而进行修正以及设计的改进。
二、 关于机械结构振动特征设计的计算方法及改善措施
（一）采用灵敏度分析方法来修改机械结构
在机械设备的最初设计阶段，相关人员并没有正确精确地认识到振动特征产生的影响，从而所形成的设计方案不能达到振动特征的要求，因此必须修改原始的设计方案。采用灵敏度分析方法能够很好地针对原始设计结构中带有的振动特征参数，进行相关的计算找出结构设计中的最敏感部位，从而修正改进敏感部位，最终以最小的修改方法来提高机械结构中固有频率的稳定性。采用灵敏度分析方法需要选择正确的方式，其计算方法必须依据矩阵中的特征值和一阶微分方程等知识，以便获取计算的精确性。
（二）采用窄频段拟合识别方法来识别机械结构频域内模态参数
由于机械结构振动特征设计的相关参数存在着数量大、来源不合理科学以及各个参数的衡量标准不一致等问题，因此会导致计算系统中产生所谓的病态矩阵，它十分不利于系统的稳定性和程序的可靠性。采用窄频段拟合识别的方法就能很好地解决这个问题。大体思路是，机械结构特征设计计算之前，需要对各个参数进行标准化处理，使之统一为无量纲，这样就能避免病态矩阵的产生，还能进一步识别出非主导模态，进而使参数识别的精确度得到提高，也是一种综合识别设计模态参数的高效方法。具体来说，首先要通过傅立叶函数得到频率响应函数，再通过分量分析计算方法来计算模态的初始频率，以便得到初始频率值，并在此基础上形成不同区间的频段，接下来运用频率连续细化的方法来分析这些频段，得到所对应频段的各个频率点值，最后通过多种拟合识别方法来识别计算所得到的窄频段模态参数。
（三）采用变时基法可以解决不同频率采样的难题
为了更好地完成机械结构振动特征的设计，必须仔细研究系统的频率响应机制，并建立可供计算修改的频率响应函数。目前，针对该函数的测量主要采取一种锤击激振法，然而在这种方法的使用过程中，由于锤击的激励信号频率和系统的加速响应信号频率不同，也就出现了不同频率采样的难题，于是变时基法被适时提了出来。在对频率响应函数进行进行测量时会出现两个不同的频率，因此变时基法的原理就必须采用两种不同的方法，针对不同的对象频率进行采样处理以得到最终结果。具体来说，变时基法要对激励脉冲信号采用较高的采样频率，对系统响应信号采用较低的采样频率，并将这两个采样频率加倍以得到变时倍数。在这方面，变时基法获取数据可以寻求FFT及频率连续细化技术的支持。
三、有关机械结构振动特征设计的试验验证系统论述
在完成机械结构振动特征的设计之后，需要对其进行一定的试验验证，目的是检验灵敏度分析法、窄频段拟合识别法和变时基法等设计方法是否能真正起到作用。试验验证需选择机械结构中具有典型性的板箱组合结构。此结构主要由两个质量板构成，放置的方式是在箱体的底部，通过支架来支撑质量大的板，而且通过焊接的方法将质量较小的板悬臂于箱体侧面，另外在箱体的侧面也要接一块薄板螺。安放好以上这些试验装置以后，要运用计算模态分析系统来预测估算试验装置的结构振动特征。依据灵敏性分析方法，得出的前2阶振动固定频率分别为65赫兹、145赫兹。以此振动特征能够判定，当试验装置处于4赫兹到100赫兹的正弦扫频环境中时，一旦当频率达到65赫兹左右，该装置就必定会发生共振反应。通过对试验装置进一步的模态计算分析，我们可以得出这样的结论：第一阶振动模态表现为在垂直方向上质量小的板所出现的振动类型，第二阶振动模态表现为在箱体侧面质量大的板所出现的振动类型。因此，为了提高试验装置的低阶固有振动频率，就必须在提高小质量板的垂直支撑强度基础之上，提高大质量板的侧向角度。只有如此，才能较好地对试验装置进行改良，从而得到新的试验装置，以便更准确地验证机械结构振动特征的设计效果。
运用同样的计算模态分析方法可以得到新试验装置的前2阶固有振动频率，它们分别是191赫兹和230赫兹，然后通过试验模态分析系统来检验新装置的振动特征，验证其是否能对试验装置进行正确有效的修改。具体方法是，首先通过变时基法来采样激励信号以及系统加速信号，接着通过窄频段拟合识别法来分析识别原始试验装置以及新试验装置的模态参数，得出原始试验装置的前2阶固有振动效率为76赫兹和155赫兹，而得出的新试验装置的固有振动频率分别为200赫兹和222赫兹。以上的结果表明，所做出的修改方案是正确可靠的，修改后的结构的确能够很好地提高固有振动频率的振动效果，而且使得机构结构的稳定性大大提高。
结束语
计算模块的设计与试验模块的验证是机械结构振动特征设计的两个主要方面，计算设计模块主要是分析研究机械结构的静态装置方式和动态变化过程，同时针对机械结构的固有频率和结构的振动类型、方式进行相关计算，并且对机械结构的动态变化特征设计起到一定的辅助作用。试验验证模块主要是通过锤击激励的方法，针对不同的信号采取变时基法分别进行采样，并处理分析其采样数据，同时运用灵敏度分析法和窄频段拟合识别法来验证机械结构的设计，通过这种反复验证修改的方式来达到最终的技术要求。
参考文献
[1] 丁大为.基于机械运行状态改善的机械结构振动特征设计[J]. 科技致富向导，2014，05：225.
[2] 庞君.机械结构振动特性设计及验证系统研制的论述[J]. 科技风，2013，18：115.
[3] 林爱弟.变压器绕组振动特征提取及其状态识别方法研究[D].浙江大学，2014.