基于LabVIEW的非线性振动仿真测试平台

基于虚拟仪器的振动测试

第31卷　第6期2007年12月

武汉理工大学学报(与工程版)

JournalofWuhanUniversityofTechnology

(TransportationScience&Engineering)

交通科学

Vol.31　No.6Dec.2007

基于LabVIEW的非线性振动仿真测试平台

林富生

1,2)

*

　黄其柏　詹志刚　孟　光

1)3)4)

(华中科技大学机械科学与工程学院1)　武汉　430074)

(武汉科技学院机电工程学院2)　武汉　430073)(武汉理工大学能源与动力学院3)　武汉　430063)

(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室4)　上海　200240)

摘要:在LabVIEW平台上设计了非线性振动仿真和测试分析系统.系统功能包括常用的时域、频域分析功能,还包括非线性分析所需的相轨图、分叉图、Poincare图、Lyapunov指数等模块.仿真数据可由几种方法生成,既可以在控制面板或在MATLAB节点中输入状态变量表示的函数来生成,也可以选择输入其他仿真程序生成的数据.实际测试时则从工程系统中采集数据.关键词:虚拟仪器;非线性振动;仿真;测试中图法分类号:O329;TP274;TH113.21

0　引　　言

工程实际中的非线性系统有很多,如裂纹转子系统、碰摩转子系统等,其相关研究也一直受到重视

[1-4]

1　模拟非线性系统

为了分析非线性系统的特征,本文选用Duff-ing方程和裂纹转子系统作为2个模拟测试对象.通过面板可以改变系统的关键参数,由计算机数

值求解,从而可以得到各类非线性现象的仿真数据.在此基础上,设计了非线性分析的仪器面板和相应的功能模块.Duffing方程为 (t)+Mx 　x(t)-x(t)+x3(t)= cos(t)(1)选择其中对响应影响大的 作为控制参数.

裂纹转子系统则如图1所示.

.非线性研究所常用的手段如相轨图、

Lissajous图、Poincare截面图、随转速变化的分叉图、Lyapunov指数、分数维计算等在常规仪器上比较难分析.由于一些条件的限制,又难以购买

到非线性分析所需要的仪器.LabVIEW的出现,为振动的仿真分析和现场故障诊断提供了良好的平台.目前的文献主要利用LabVIEW强大的数值处理和图形显示功能设计了一些传统振动测试仪器所具有的功能,如时域波形、频谱分析、瀑布图、轨迹图等[5-7],较少涉及到非线性分析的模块.本文针对这一情况,利用LabVIEW强大的非线性仿真分析功能,设计了相应的分析面板,再配以相应的数据采集卡,建立了便携式非线性仿真测试系统,为工程实际中的非线性振动测试提供了方便实用的平台.

图1　裂纹转子系统及动、静坐标系

　　收稿日期:2007-07-26

　　林富生:男,42岁,博士后,教授,主要研究领域为非惯性系转子动力学、旋转机械故障诊断专家系统

　*湖北省自然科学基金项目(批准号:2006ABA298);中国博士后科学基金项目(批准号:2005037195);国家重点实验室开放基金

(:

基于虚拟仪器的振动测试

1038

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2007年　第31卷

图中: 0为涡动初始角; 为裂纹法向与偏心方向的夹角,即裂纹角; 0为初始裂纹角;r为圆盘盘心的挠动;!为裂纹刚度变化角; 1为圆盘偏心方向

1, 1,与o3y3轴的初始夹角;#, ,%为旋转坐标系;#%1为平行于#, ,%的动坐标系.

参数,从而得到各种非线性分析所需要的数据.

为了消除数据中的暂态数据,略去前400r数据,储存后3000r数据.数据中包括X,Y方向的位移和速度.每转分为200点.用四阶龙格-库塔

法数值求解.

系统的量纲一运动方程为XY

XX(Kf(!)++-×YY2

2　仿真系统组成及功能

×

系统包括时域分析和频域分析的各种常用功

能,而且针对非线性振动的特点设计了相应的分析模块.系统功能包括时域波形、轨迹图、瀑布图、

(2)

频谱分析、相关分析、相轨图、Lissajous图、Poincare截面图、随转速变化的分叉图等.

本文采用3种方法来得到仿真数据:(1)用LabVIEW8.0版本的MATLAB节点,先在MATLAB中编制相应的非线性系统状态方程的函数,然后在LabVIEW中调用,再用四阶龙格——库塔法数值求解方程,得到响应数据;(2)用LabVIEW平台设计控制面板,在面板上输入用状态参数表示的函数,直接求解非线性方程;(3)利用其他平台如VISUALFORTRAN编程计算

,然后在LabVIEW平台中调用其生成的数据进行分析.

用MATLAB节点求解非线性系统Duffing方程的框图程序如图2[8]所示.Duffing系统的时域波形、相轨图和功率谱图参见图3[9].图中AX为位移X对应不同频率的幅值.

1-cos(2()+ ))sin(2()+ ))

XY=U

sin(2()+ ))1+cos(2()+ ))sincos- 0

式中:&为有裂纹时系统的量纲一粘性阻尼系数,&=c/2m cr,c为转轴及圆盘的粘性阻尼系数, cr为裂纹转子的临界转速, cr=

K /m,K 为裂纹

轴法向刚度;K为无裂纹时轴的刚度;(K 为裂纹法向刚度的变化量;(K为裂纹法向刚度变化比,(K=(K /K;)为量纲一时间,)= t;)r为量纲一涡动时间,)r= rt;U为量纲一不平衡参数,U=e/rv,rv为无裂纹时圆盘盘心的静挠度,e为圆盘质心的偏心距;X,Y,Z分别为圆盘盘心C在平行惯性坐标系O1X1Y1Z1内的量纲一位移.　　为模拟裂纹转子系统,这里假设转子转速、不平衡参数、裂纹引起的刚度变化比、裂纹角可变.通过LabVIEW中设计的仪器面板可以调整这些

图2　用MATLAB节点求解Duffing方程的框图程序

非线性系统的Poincare截面图、轨迹图以及随控制参数变化的响应分叉图如图4,5所示.可以通过控制面板调整参数得到不同的响应,再通过这些图来分析系统的非线性特性.

对小阻尼系统,从所测Poincare图中较难看到混沌吸引子的分维结构.所以,对混沌的识别还要辅之以其他方法,如功率谱与自相关等.如果振,

即经过一定时间后,自相关趋于零.因此本系统也设计了相应的谱分析和相关分析模块.从的自相关函数(图略)的衰减性与功率谱的宽频特性,可知其具有混沌振动性态[10].

为验证系统,用丹麦B&K公司的振动测试与分析系统PULSE以及2034数字信号分析仪对转子实验台进行了测试.测试时,用2只85811-01

基于虚拟仪器的振动测试

图3　Duffing系统的时域波形、相轨图和功率谱图(M=0.6, =0.9)

司生产的信号调理器采集调理之后输入到B.K.

2034的A和B两通道中,作信号处理可得到整机振动的自相关与功率谱.为了获得系统在某一方向响应的相轨图,同样将同一信号接到信号处理机的A和B两通道中,在测量时,设置2个通道间的时间差(应比激励的周期短得多)即通道间的时间延迟为信号处理机采样间隔的整数倍,再选取TIMECH.AVSB功能来得到Lissajous图.如时间延迟等于采样间隔,则可将相轨离散化为

Poincare图.其他分析也可类似进行.

最后,用涡流式位移传感器和PCI数据采集卡将转子实验台的振动数据传输到LabVIEW,使用LabVIEW的DAQ技术,完成高速数据采集和同步模拟,进而利用本文设计的仿真系统分析了裂纹转子系统的非线性特征.结果表明,基于Lab-VIEW的虚拟非线性振动仿真系统能够较好地满足实验分析的需要

.

图4　裂纹转子系统盘心响应轨迹和在X方向振动的Poincare图

( =0.432,U=0.01,(K=0.63, =150°,&=0.

012)

3　结　　论

本文在LabVIEW平台上设计的非线性振动仿真和测试分析系统不仅为非线性系统的仿真分析提供了平台,而且为在线测试分析以及故障诊断都提供了方便.系统功能较为齐全,既包括时

域、频域分析功能,又包括非线性分析所需的

图5　裂纹转子系统响应随转速变化的分叉图(U=0.02,(K=0.63, =150°,&=0.012)

Poincare图、分叉图等模块.转子台架系统实验证明了测试系统的可靠性与可行性.

基于虚拟仪器的振动测试

quencyEntropy.ChineseJournalofMechanicalEn-参考文献

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VirtualNonlinearVibrationSimulationand

TestSystemBasedonLabVIEW

LinFusheng1,2)　HuangQibo1)　ZhanZhigang3)　MengGuang4)(SchoolofMechanicalScience&Engineering,HUST,Wuhan430074)1)

(DepartmentofElectromechanicalEngineering,

WuhanUniversityofScience&Engineering,Wuhan430073)

2)

3)

4)

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WUT,Wuhan430063)

(StateKeyLabofVibration,ShockandNoise,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030)

Abstract

ThefunctionalmodulesofanonlinearvibrationsimulationandtestsystembasedonLabVIEWarepresented.ThesystemcancreatemanycommonnonlinearplotsincludingthePoincareMap,bi-furcationdrawing,Lyapunovexponentfigure,etc.Thedatacanbeinputbyrealtimedataacquisitionfromanengineeringvibrationsystemorsimulatedbythreedifferentmethods:onthecontrolpanel,usingscriptnodesfortheMATLABlanguagesyntaxinLabVIEWtoexecutemathscripts,orfromcomputingprogramsinotherplatform.

Keywords:virtualinstrument;nonlinearvibrationsimulation;vibrationtest

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/axcm.html