模態(tài)分析的應(yīng)用及它的試驗?zāi)B(tài)分析

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1、北京森羅南華科技有限公司北京市海淀區(qū)上地信息路1號國際創(chuàng)業(yè)園1號樓2104室WWW.SALIENTRONICS.CN總機(jī)：82894716/82893746/82894576模態(tài)分析的應(yīng)用及它的試驗?zāi)B(tài)分析一．模態(tài)分析的概念模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模記分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)

2、，稱為試驗?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗?zāi)B(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備的故障診斷的重要方法。模態(tài)分析最終目標(biāo)在是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為一下幾個方面：1)評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性；2)在新產(chǎn)品設(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計；3)診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；4)控制結(jié)構(gòu)的

3、輻射噪聲；5)識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。機(jī)器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動千姿百態(tài)、瞬息變化。模態(tài)分析提供了研究各種實際結(jié)構(gòu)振動的一條有效途徑。首先，將結(jié)構(gòu)物在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行人為激振，通過測量激振力與胯動響應(yīng)并進(jìn)行雙通道快速傅里葉變換（FFT）分析，得到任意兩點之間的機(jī)械導(dǎo)納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過對試驗導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)疊加北京森羅南華科技有限公司www.salientronics.cn010-82894716/010-82893746/010-82894576北京森羅南華科技有限公司北京市

4、海淀區(qū)上地信息路1號國際創(chuàng)業(yè)園1號樓2104室WWW.SALIENTRONICS.CN總機(jī)：82894716/82893746/82894576原理，在已知各種載荷時間歷程的情況下，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)物的實際振動的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜。二.模態(tài)分析方法近十多年來，由于計算機(jī)技術(shù)、FFT分析儀、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及振動傳感器、激勵器等技術(shù)的發(fā)展，試驗?zāi)B(tài)分析得到了很快的發(fā)展，受到了機(jī)械、電力、建筑、水利、航空、航天等許多產(chǎn)業(yè)部門的高度重視。已有多種檔次、各種原理的模態(tài)分析硬件與軟件問世。在各種各樣的模態(tài)分析方法中，大致均可分為四個基本過程：（1）動態(tài)數(shù)據(jù)的采集及頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)分析

5、1）激勵方法。試驗?zāi)B(tài)分析是人為地對結(jié)構(gòu)物施加一定動態(tài)激勵，采集各點的振動響應(yīng)信號及激振力信號，根據(jù)力及響應(yīng)信號，用各種參數(shù)識別方法獲取模態(tài)參數(shù)。激勵方法不同，相應(yīng)識別方法也不同。目前主要由單輸入單輸出（SISO）、單輸入多輸出（SIMO）多輸入多輸出（MIMO）三種方法。以輸入力的信號特征還可分為正弦慢掃描、正弦快掃描、穩(wěn)態(tài)隨機(jī)（包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機(jī)）、瞬態(tài)激勵（包括隨機(jī)脈沖激勵）等。2）數(shù)據(jù)采集。SISO方法要求同時高速采集輸入與輸出兩個點的信號，用不斷移動激勵點位置或響應(yīng)點位置的辦法取得振形數(shù)據(jù)。SIMO及MIMO的方法則要求大量通道數(shù)據(jù)的高速并行采集，因此要求大

6、量的振動測量傳感器或激振器，試驗成本較高。3）時域或頻域信號處理。例如譜分析、傳遞函數(shù)估計、脈沖響應(yīng)測量以及濾波、相關(guān)分析等。（2）建立結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型根據(jù)已知條件，建立一種描述結(jié)構(gòu)狀態(tài)及特性的模型，作為計算及識別參數(shù)依據(jù)。目前一般假定系統(tǒng)為線性的。由于采用的識別方法不同，也分為頻域建模和時域建模。根據(jù)阻尼特性及頻率耦合程度分為實模態(tài)或復(fù)模態(tài)模型等。（3）參數(shù)識別北京森羅南華科技有限公司www.salientronics.cn010-82894716/010-82893746/010-82894576北京森羅南華科技有限公司北京市海淀區(qū)上地信息路1號國際創(chuàng)業(yè)園1號樓2104室WWW

7、.SALIENTRONICS.CN總機(jī)：82894716/82893746/82894576按識別域的不同可分為頻域法、時域法和混合域法，后者是指在時域識別復(fù)特征值，再回到頻域中識別振型，激勵方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相應(yīng)的參數(shù)識別方法也不盡相同。并非越復(fù)雜的方法識別的結(jié)果越可靠。對于目前能夠進(jìn)行的大多數(shù)不是十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只要取得了可靠的頻響數(shù)據(jù)，即使用較簡單的識別方法也可能獲得良好的模態(tài)參數(shù)；反之，即使用最復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型、最高級的擬合方法，如果頻響測量數(shù)據(jù)不可靠，則識別的