摘要
地面振动试验（GVT）包括对飞机和它的装配部件进行模态分析，研究结构特性的变化。通过试验获得的模态参数来验证分析模型。模态特征用于预测飞机的颤振，保证飞机符合安全要求。因此地面振动试验（GVT）是飞机设计和开发周期中至关重要的部分。
介绍
随着资金限制和飞机开发周期敏感性的增加，对飞机设计和试验技术提出新的挑战。 为了确保飞机符合预期的标准和要求，有必要对飞机做彻底的结构分析。使用复合材料和轻质部件可以减轻飞机的质量，然而这可能会对飞机的结构性能产生未知的影响。为了应对这种复杂性，需要进行广泛的测试，以测量、分析和验证飞机的设计。
飞机开发周期中的测试用于评估认证过程实施的通过/失败标准。通过试验测量观察飞机结构是否符合认证标准，试验数据也有助于提高有限元模型的准确性。 GVT 是测试过程的重要部分。高通道模态试验是指在飞机首次试飞前对整个飞机组件进行测试，以确保满足认证要求。如果测试通过了认证要求和标准，证明飞机不存在颤振并且符合安全飞行标准。因此地面振动试验对飞机的安全标准非常重要。GVT不仅是一种验证方法，还有助于优化飞机的结构设计，提高结构性能。
图 2 飞机装配体和子部件GVT模态试验的基本工作流程
GVT的主要目的是验证仿真计算的颤振结果，因此通过对整个飞机装配体进行模态试验，有助于对颤振预测的有限元模型进行微调。通过模态试验获得的模态参数包括飞机装配体的固有频率、阻尼和振型。此外，还进行一些结构耦合试验，以对仿真模型进行了关联和改进，提高飞行的安全性，减轻飞行颤振。结构耦合试验是指对在悬吊状态下的飞机进行激励，观察传感器的响应，分析飞机在实际飞行状态下的行为。
理想情况下，GVT是在整个飞机组装完成后的开发周期最后阶段进行的。时间上的限制和多种测试条件要求地面振动试验高效率地进行。这些测试进行地越快，结果对优化设计越有帮助。EDM Modal软件为执行全面的地面振动试验提供高效的工具，并获得准确的结果，帮助进一步提高结构性能。
工作流程
在整个测试阶段中，有几个重要的阶段需要谨慎和及时的管理。初始阶段是准备测试，这可以通过使用仿真模型的结果进行优化。拥有一个高效的硬件系统可以帮助优化激励和数据测量过程。对测试数据的现场分析可以帮助确定测试是否可以在另一种测试条件下进行。在完成所有的测量之后，需要对大量的数据进行有效的处理和传输。对数据集进行后处理提供了必要的结果，以满足合规标准和安全要求。
准备测试
对复杂试验结构进行有限元分析，得到仿真结果。这些仿真模型的动力学特性可以通过GVT测试来优化改进。然而在对飞机装配体进行模态试验时，存在许多不确定性:
- 地面振动测试需要多少个传感器？
- 这些传感器在飞机装配体的安装位置在哪里?
- 为了充分激发所有模态，模态激振器的安装位置在哪里？
- 边界条件是否正确建立，以使第一阶柔性模态与最高阶刚体模态很好地分离?
有限元模型有助于优化试验配置。通常，对于大型结构，模态测量是一次性获得的，即在所有测点安装传感器。但是，如果由于传感器数量限制或数据采集系统的测量通道数量限制，采用巡回响应模态试验，则可以在有限元模型中模拟质量附加效应，观察其影响。此外，还可以有效地从仿真模型中得到激振器的最佳驱动位置。一个良好的驱动点位置有助于激励起飞机装配体的全部模态。模态试验所需的模态激振器的数量也可以根据出现在频响函数(FRF)图上所有感兴趣的模态来规划。模态保证准则(MAC)图不仅可以帮助优化空间分辨率(即测量点的数量)，而且可以有效地为模态测试选择良好的传感器位置，理想情况下，这将保证唯一地识别每阶振型。最后，通过有限元模型可以导出模态试验几何模型的测量网格，这一步骤有助于提高实验和仿真测试的集成。
地面振动试验高效的硬件和软件
GVT模态测试所使用的设备和仪器既耗时又复杂。大量的传感器用来捕捉整个飞机装配体的响应。要确保每个传感器被精确地安装在测量点上。高通道测量存在误差的空间，可能会对结果产生负面影响。通过“读取所有TEDS”这样的简单功能，并在网格上高亮显示映射的测量点，可以高效率地完成这个过程。
图 3 GVT测试中上百个传感器使用读取 TEDS功能
通过读取TEDS功能，测量ID、方向、灵敏度和输入模式等参数可以从智能传感器芯片中自动读取。
图 4将传感器位置映射到飞机装配体上的测量网格
此外，硬件系统各通道高效率同步，大大提高了测量精度，采集可信的数据。Spider-80M和Spider-80Xi硬件系统机架的插槽支持模块插拔，这对这类测试非常方便。多个高通道系统可以组建成一个更高通道数的同步采样系统。
图 5 Spider 80M & 80Xi 用于高通道数据采集
精确的时间同步技术使得所有通道之间的频域相位匹配得非常好。双ADC专利技术使得每个测量通道可以灵敏地检测到6 μV~20V的信号。
在地面振动测试中，飞机用弹性绳悬挂，模拟自由-自由边界条件。判断边界条件良好的一般经验法则是，最高阶刚体模态的频率小于第一阶柔性模态频率的1/10。
在飞机上安装多个加速度传感器，利用多个模态激振器对飞机进行激振，得到多参考频率响应函数(FRFs). Spider系列高通道计数数据采集系统能有效地进行这种多通道测试数据采集。
GVT模态激振器安装在飞机的机翼和尾翼，也可以安装在机身位置。多种输出激励类型（如随机、正弦等）用于多输入多输出（MIMO）模态试验。
EDM模态软件具有完整的分析和测试套件，从软件上能直观地看到GVT模态试验的几何模型、测量和数据处理过程。多种高效的曲线拟合算法可用于分析MIMO FRFs，以获得飞机组装体的模态参数。
进行 GVT模态测量
在试验装置安装好并获得适当的边界条件后，将所有传感器连接到硬件系统，布置测量点和激励点，进行GVT模态试验，获得所有频响（FRF）。 GVT 试验可以使用多种激励信号。模态锤可用于锤击试验。通过模态激振器，可以使用多种激励类型，比如形随机、突发随机、正弦、扫频正弦、伪随机等。选择恰当的输出激励信号可以提高测量结果的准确性。
图 6 飞机组装体GVT模态试验中多种输出激励类型可供选择
随机激励信号能激励起的宽频响应，利于在短时间内捕获所有感兴趣的模态。
图 7 GVT模态试验中使用白噪声激励起较宽的频响
输入突发百分比参数，可以确保响应自然衰减，而不必使用传统的汉宁窗口。
图 8 使用突发随机激励确保飞机装配体的响应自然衰减
周期随机每一个块信号的相位和幅值都是随机的。伪随机也是周期性的随机波形。与周期随机的区别是，当伪随机块信号生成时，只有它的相位是随机的。
图 9 用伪随机&周期随机激励控制随机性
使用周期随机或伪随机激励信号，用户可以设置两个参数：延迟次数和循环次数。
图 10 GVT 模态试验中伪随机&周期随机激励的延迟次数和循环次数
由于周期性响应的性质，可以对这些数据块进行时域平均。之后计算所有相应的频谱，包括频响(FRF)信号。这个计算过程将根据平均次数重复进行，例如上图中的设置是10。
使用周期输出波形需要显著更长的测试时间，但会获得更精确的测量结果。
形随机和突发形随机激励类型允许用户定义驱动PSD谱，这实现了在特定频率范围内集中更多的能量。通过调整在各个频率范围内的PSD幅值，改善对被测结构的激励，这将增加响应水平较低的某些区域的信噪比。
图 11 形随机&突发形随机激励的驱动PSD谱
使用正弦激励，如扫频和步进正弦激励，将所有能量集中在一个频率点上，有助于产生非常好的信噪比。当测试这些大型结构时，宽带激励可能无法处理结构的非线性，测试激励量级可能达不到工作振动量级。这种情况下，正弦激励得到的频响函数比随机激励得到的频响函数质量高。
图 12 GVT模态试验中MIMO正弦的不同控制策略
运行MIMO Sine测试有两种方法，第一种方法是定义驱动目标谱，第二种方法是定义目标响应或所需驱动信号。第二种方法需要所谓的系统识别，首先要测量控制通道VS驱动的频响矩阵。有了这个已知的和为控制通道定义的目标谱，就可以计算出所需的驱动信号。
图 13 飞机GVT模态试验的MIMO正弦激励
在测试条件准备好并做好上述设置之后，执行GVT模态测量以获得MIMO频响FRF。采用不同的激励技术对不同构型的飞机装配体进行了试验，观察颤振的影响。根据不同的载荷和燃料配置进行不同条件的测试，观察提取的模态参数的变化。
后处理和曲线拟合
获得MIMO 频响FRF后，进行后处理以进一步分析。支持多种模态指示函数：
- 多变量MIF
- 复数MIF
- 实数MIF
- 虚数Sum
模态指示函数帮助识别分析频率范围内的感兴趣模态。这些模态指示函数在系统的固有频率上达到极大值（峰）或极小值（谷）。
图 14 不同的模态指示函数帮助识别GVT模态试验的模态
多变量 MIF (MMIF) 利用特征值分解，在模态频率处趋于极小值。多变量MIF的优点是多个参考数据会产生有多个MIF，可以检测出重根和耦合模态。
复数MIF (CMIF) 基于频响矩阵的奇异值分解，从所测频响函数集中分析出主模态。CMIF在模态频率处趋于极大值。
Sum函数是测量到的所有频响函数的总和，并标记了结构模态频率处的峰值。其思路是，把所有频响一起求和，则大多数测量都会出现所有的模态。
图 15 GVT 测量FRFs分析频率段选择
利用上述指示函数，选择最佳频带进行曲线拟合，并从稳定图中提取模态参数。
稳定图是显示和识别被测结构模态的有效方法。稳定性图提供了在不同阶模态下系统极点的图形表示。通过绘制模型模态阶次的变化来构建稳定图。在各阶模态下，采用相同的曲线拟合方法计算极点。
对于单参考点情况，曲线拟合方法采用最小二乘复指数法(LSCE)。而对于MIMO测试用例，频响信号相对于多个参考信号，对应的曲线拟合方法采用多参考时域(PTD)方法。
图 16 多种曲线拟合方法用于提取飞机装配体的模态参数
另一种算法称为Poly-X，是一种频域曲线拟合方法，它是多参考最小二乘复频域法(p-LSCF)，为识别测试结构的模态参数提供了一种更快、更高效的曲线拟合算法。
图 17 稳态图计算固有频率,阻尼和振型
选择稳定极点(频率稳定、阻尼稳定的极点)后，得到系统的固有频率、阻尼比和振型。
图 18通过GVT模态测试获得的飞机装配体模态特性
图 19 飞机装配图的模态振型
试验结果与有限元分析结果之间的良好相关性有助于验证飞机装配体的设计，并为其他测试(如常规模态测试等)提供了验证。通过这些测试证明飞机可以安全飞行。