模態(tài)分析試驗(yàn)報(bào)告-

1、建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 專業(yè) 土木工程班級(jí) 學(xué)號(hào) 姓名 教師 建工實(shí)驗(yàn)中心2010年3月振動(dòng)測(cè)試與模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)人員3組： 二、試驗(yàn)?zāi)康?.培養(yǎng)學(xué)生采用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法來處理工程中的振動(dòng)問題。2.通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成、了解振動(dòng)測(cè)試的常用測(cè)量方法以及模態(tài)分析技術(shù)。模態(tài)分析技術(shù)已發(fā)展成為解決工程振動(dòng)問題的重要手段。 3.了解模態(tài)分析軟件的使用方法。三、試驗(yàn)內(nèi)容1、學(xué)習(xí)模態(tài)分析原理；2、學(xué)習(xí)模態(tài)測(cè)試及分析方法。通過對(duì)框架模型的模態(tài)試驗(yàn)分析，測(cè)定出基礎(chǔ)模型的模態(tài)參數(shù)：固有頻率、阻尼比、振型圖，并通過實(shí)驗(yàn)觀察了解框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)，從而掌握模態(tài)分析的基本原理及

2、分析方法。四、試驗(yàn)的基本要求 （1）掌握振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成及操作。 （2）了解振動(dòng)測(cè)試的常用測(cè)量方法。激振、錘擊(3)了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的操作步驟。(4)了解對(duì)已采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析的方法與步驟。五、試驗(yàn)儀器（表1）單軸加速度傳感器、力錘、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀LMS和計(jì)算機(jī)等力錘用于激勵(lì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象。力傳感器用于拾取激勵(lì)信號(hào)并轉(zhuǎn)換成為電荷信號(hào)。加速度計(jì)用于拾取響應(yīng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換成為電荷信號(hào)。AZ804-A四通道電荷電壓放大信號(hào)調(diào)理儀，用于將電荷信號(hào)放大成為適合測(cè)量的電壓信號(hào)。AZ208數(shù)據(jù)采集箱信號(hào)采集分析系統(tǒng)包括抗混濾波器、AD變換器、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析軟件、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)。用安裝有力傳感器的力錘敲擊實(shí)驗(yàn)對(duì)象

3、上的若干個(gè)點(diǎn)。力傳感器拾取激勵(lì)力的信號(hào)，安裝在實(shí)驗(yàn)對(duì)象的某測(cè)點(diǎn)上的加速度計(jì)拾取響應(yīng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后輸入信號(hào)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)儀器框圖如圖1所示。力信號(hào)接入信號(hào)采集器的第1通道，響應(yīng)信號(hào)依次接入信號(hào)采集器的其他通道。表1 試驗(yàn)儀器的硬件及軟件力錘傳感器廠家型號(hào)量程頻率范圍靈敏度美國(guó)PCB公司086D202.224kN0.0003-36KHz加速度傳感器廠家型號(hào)量程頻率范圍靈敏度vm/g美國(guó)PCB公司333B40±50g0.5-5KHz美國(guó)PCB公司333B40±50g0.5-5KHz美國(guó)PCB公司333B40±50g0.5-5KHz美國(guó)PCB公司333B40

4、77;50g0.5-5KHz動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀廠家型號(hào)比利時(shí)LMS國(guó)際公司LMS SCADASIII數(shù)據(jù)采集及模態(tài)分析軟件廠家名稱比利時(shí)LMS國(guó)際公司LMS Test 9A六、試驗(yàn)步驟 6.1模態(tài)試驗(yàn)基本過程二十年來，由于計(jì)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(dòng)傳感器激勵(lì)器等技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)?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(gè)基本過程： 1動(dòng)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。(1) 激勵(lì)方法：試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是在試驗(yàn)室內(nèi)人為地對(duì)結(jié)構(gòu)物施加

5、一定動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采集各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及激振力信號(hào)，根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào)用各種參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)參數(shù)。激勵(lì)方法不同，相應(yīng)識(shí)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(hào)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(lì)（包括隨機(jī)脈沖激勵(lì)）等。(2) 數(shù)據(jù)采集：SISO方法要求同時(shí)高速采集輸入與輸出兩個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，用不斷移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)位置或響應(yīng)點(diǎn)位置的辦法取得振型數(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，因此要求大量的振動(dòng)測(cè)量傳感器或激振器，試驗(yàn)成本極高。(3) 時(shí)域或頻

6、域信號(hào)處理。例如譜分析、傳遞函數(shù)估計(jì)、脈沖響應(yīng)測(cè)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(jì)算及識(shí)別參數(shù)的依據(jù)，目前一般假定系統(tǒng)為線性的。由于采用的識(shí)別方法不同，也分為頻域建模和時(shí)域建模。根據(jù)阻尼特性及頻率耦合程度分為實(shí)模態(tài)或復(fù)模態(tài)模型等。3參數(shù)識(shí)別。按識(shí)別域的不同可分為頻域法、時(shí)域法和混合域法，后者是指在時(shí)域識(shí)別復(fù)特征值，再回到頻域中識(shí)別振型。激勵(lì)方式不同（SISO、SIMO、MIMO）相應(yīng)的參數(shù)識(shí)別方法也不盡相同。并非越復(fù)雜的方法識(shí)別的結(jié)果越可靠。對(duì)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(jiǎn)單的識(shí)別方

7、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(jí)的擬合方法，如果頻響測(cè)量數(shù)據(jù)不可靠，則識(shí)別的結(jié)果一定不會(huì)理想。4振形動(dòng)畫。參數(shù)識(shí)別的結(jié)果得到了結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)模型，即一組固有頻率、模態(tài)阻尼以及相應(yīng)各階模態(tài)的振形。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由許多自由度組成的振形的數(shù)組難以引起對(duì)振動(dòng)直觀的想象。必須采用活動(dòng)振動(dòng)的方法，將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。以上四個(gè)步驟是模態(tài)試驗(yàn)及分析的主要過程，而支持這個(gè)過程的除了激振裝置、雙通道FFT分析儀、桌面式或便攜式計(jì)算機(jī)等硬件外還要有一個(gè)完善的模態(tài)分析軟件包。通用的模態(tài)分析軟件包必須適合各種結(jié)構(gòu)物的幾何特征，設(shè)置多種坐標(biāo)系、劃分為多個(gè)子結(jié)構(gòu)，具有多種擬

8、合方法并能將結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動(dòng)在屏幕上三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫。3.2 隨機(jī)信號(hào)與振動(dòng)分析系統(tǒng)CRAS V6.2工作流程及功能MACRAS流程圖幾何建模1、 根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，離散化為若干節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)系統(tǒng)。2、 復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以劃分為若干部件。每一個(gè)部件應(yīng)選用直角坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系或球坐標(biāo) 系三種之一。3、 送入各結(jié)點(diǎn)的部件坐標(biāo)、連線序列（結(jié)點(diǎn)對(duì)）。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或軸對(duì)稱部件可以自動(dòng)生成， 子結(jié)構(gòu)可以拼裝。4、 結(jié)構(gòu)的三維透視圖形可以通過旋轉(zhuǎn)、平移、縮放獲得最佳視覺效果。測(cè)量設(shè)置1、 根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特點(diǎn)，確定一維分析或三維分析。2、 送入測(cè)量信息：某一結(jié)點(diǎn)的某一方向是否測(cè)量，測(cè)量正方向還是負(fù)方向。3、 送入約束方程。對(duì)于某些

9、不易測(cè)量的結(jié)點(diǎn)可以通過約束方程獲得其模態(tài)振形。模態(tài)測(cè)量通過雙通道FFT分析儀或CRAS數(shù)據(jù)采集及FFT系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)量設(shè)置產(chǎn)生的索引文件，自動(dòng)進(jìn)行一系列頻響函數(shù)的測(cè)量。采用錘擊法或隨機(jī)激勵(lì)法獲得力信號(hào)及響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過FFT得到頻響函數(shù)，以數(shù)據(jù)文件存于計(jì)算機(jī)的硬盤內(nèi)。頻響函數(shù)集總平均將所有測(cè)量頻響函數(shù)的幅頻數(shù)據(jù)進(jìn)行集總平均，目的是為了得到參數(shù)識(shí)別的初始估計(jì)頻率，也可以從整體上判別模態(tài)測(cè)量的質(zhì)量。參數(shù)識(shí)別1、 選擇數(shù)據(jù)模型：實(shí)模態(tài)或復(fù)模態(tài)（通常為實(shí)模態(tài)）。2、 選擇擬和方法：?jiǎn)螠y(cè)量、自動(dòng)擬和、整體擬和（通常用整體擬和）。3、 參與擬和的頻響數(shù)據(jù)選取方法：光標(biāo)線或光標(biāo)帶（通常用光標(biāo)線）。4、 進(jìn)行參數(shù)

10、識(shí)別，結(jié)果存盤。5、 對(duì)比各結(jié)點(diǎn)上試驗(yàn)的與擬和的頻響函數(shù)曲線，判斷擬和的效果。模態(tài)綜合1、 測(cè)量方向處理。2、 處理約束方程，填滿殘數(shù)矩陣。3、 留數(shù)矩陣歸一化為振形矩陣。振形動(dòng)畫根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)置以及參數(shù)識(shí)別的結(jié)果，進(jìn)行三維動(dòng)畫式振形顯示。具有旋轉(zhuǎn)、平移、縮放功能，可以在同一屏幕上顯示兩階振形。振動(dòng)大小、速度可以調(diào)節(jié)。七軟件操作7.1 硬件安裝 (1)AZ系統(tǒng)采集箱安裝方法·在斷電情況下，將專用通訊電纜一端與AZ系列采集箱連接，另一端與PC機(jī)（臺(tái)式或筆記本式）的并行口（打印機(jī)口）連接。·先開PC機(jī)進(jìn)入Windows后再打開AZ系列采集箱的電源。 (2)試運(yùn)行為了判斷硬件連

11、接及軟件安裝是否成功，請(qǐng)用戶正式使用前先作一個(gè)測(cè)試。利用AZ208儀器提供的測(cè)試信號(hào)（200Hz，2000mV）或用一個(gè)發(fā)生器輸出連接到采集卡或采集箱的第1通道。打開數(shù)據(jù)采集與處理軟件AdCras，選擇1通道作業(yè)，給定適當(dāng)采樣頻率（例如5120Hz），在“示波”菜單下觀察到一個(gè)規(guī)則的正弦波則表明硬件軟件已經(jīng)正確安裝成功。建議在每一次重大試驗(yàn)之前也這么測(cè)試一下，以避免傳感器、導(dǎo)線等故障。 (3)運(yùn)行程序在PC桌面上或CRAS文件夾中點(diǎn)擊CRAS后進(jìn)入程序引導(dǎo)總界面。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要運(yùn)行的軟件包或選件程序即可進(jìn)入該程序的運(yùn)行。如果用戶希望將所配置的某個(gè)軟件程序放置在自己選定某個(gè)文件夾內(nèi)運(yùn)行，還必須注

12、意將CRAS文件夾中有關(guān)庫(kù)文件一起復(fù)制進(jìn)來。如果在運(yùn)行采集或示波時(shí)，發(fā)生計(jì)算機(jī)死鎖的情況，退出應(yīng)用程序的辦法是：同時(shí)按Ctrl + Alt + Del一次或多次。極個(gè)別情況，需關(guān)閉電源。7.2 半圓環(huán)模型的模態(tài)試驗(yàn)（1） 建立新作業(yè)或繼續(xù)老作業(yè)· 采集新的數(shù)據(jù)建立作業(yè)：送入作業(yè)名（含路徑）及選擇通道，如送入的作業(yè)在指定路徑內(nèi)已存在，應(yīng)特別注意存盤時(shí)會(huì)將老數(shù)據(jù)覆蓋。如在指定路徑內(nèi)找不到此作業(yè)則有系統(tǒng)提醒：“指定目錄數(shù)據(jù)文件找不到，新作業(yè)”。· 觀察老數(shù)據(jù)選擇作業(yè)：送入需要觀察分析的作業(yè)名和路徑。（2） 幾何模型生成選擇幾何模型菜單中自動(dòng)生成簡(jiǎn)單幾何圖形的圓柱面，設(shè)置如下：（3

13、） 模態(tài)測(cè)量在模態(tài)測(cè)量菜單下選擇測(cè)量參數(shù)設(shè)置，相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置如下：1、平均次數(shù)2、時(shí)間窗處理函數(shù)3、分析頻率4、觸發(fā)參數(shù)自由運(yùn)行：由鍵盤回車或菜單點(diǎn)擊后立即開始采集。正觸發(fā)、負(fù)觸發(fā)：由采集的信號(hào)本身控制開始采集。觸發(fā)電平：開始采集的電平閥值，由電壓范圍的百分?jǐn)?shù)決定。如量程5V，觸發(fā)電平10%，則信號(hào)到達(dá)0.5V時(shí)開始采集。觸發(fā)延遲：數(shù)字量，正值表示等待，負(fù)值表示提前。數(shù)字單位為采集時(shí)間間隔的倍數(shù)。例如：-20是指到達(dá)觸發(fā)電平之前20個(gè)點(diǎn)開始記錄數(shù)據(jù)，超前時(shí)間等于20×t。t等于采樣頻率fS的倒數(shù)。觸發(fā)通道：根據(jù)作業(yè)設(shè)置的通道數(shù)內(nèi)任意1個(gè)通道均可作為觸發(fā)通道，其它通道信號(hào)閾值不影響觸發(fā)動(dòng)

14、作5、電壓范圍在AD系統(tǒng)采集卡中，內(nèi)置程序控制放大器，放大倍數(shù)為1，2，4，8。在QL系統(tǒng)采集箱中，內(nèi)置程控放大倍數(shù)為1，4，8，16。不同的程控放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)不同的滿量程電壓（電壓范圍）。例如程控放大倍數(shù)等于8，則電壓范圍為0.625V。電壓范圍對(duì)多通道采集的每1個(gè)通道而言是相同的。6、校正因子 每1個(gè)工程單位對(duì)應(yīng)的mV數(shù)稱為校正因子，相當(dāng)于各種傳感器的靈敏度。當(dāng)傳感器靈敏改變后，可以通過校正因子對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，這個(gè)過程即所謂“標(biāo)定”。設(shè)定校正因子后，CRAS程序讀出數(shù)的單位即是所選的工程單位。不同通道允許不同的工程單位。在同1種工程單位情況下，也允許不同靈敏度的傳感器。因此，每1個(gè)通道需

15、要設(shè)定相應(yīng)的校正因子。選用缺省工程單位mV則校正因子必須等于1，讀出數(shù)單位為mV。 設(shè)定校正因子用編輯控件，浮點(diǎn)量。7、工程單位EU未經(jīng)工程單位設(shè)置，讀出的數(shù)據(jù)單位為電壓的單位mV。不同的物理量通過各自的傳感器變換器改變?yōu)殡妷毫亢缶捎蒀RAS進(jìn)行采集記錄。在CRAS中已經(jīng)設(shè)置的工程單位為：mV，v，m，m/s，m/s2，mm，mm/s，mm/s2，m，N，KN，mN，G，mG，Pa，Mpa，deg，vad，W，KW，MW，L，mA，A，N-M，KN-M。缺省為mV。允許不同的通道選用不同的工程單位。例如，1通道為N，2通道為m/s2。在“工程單位”書簽頁中，每1個(gè)通道有1個(gè)組合框選件，拉出來找到需要的工程單位點(diǎn)擊。（4） 測(cè)量方向選擇（5） 導(dǎo)納測(cè)量表將1，17，18，34，35，51，52，68，69，85的第一坐標(biāo)設(shè)為不測(cè)量(雙擊那一行，在彈出的節(jié)點(diǎn)測(cè)量信息對(duì)話框中設(shè)置)，如下所示，為導(dǎo)納測(cè)量表的一部分。（6） 約束方程表（7） 采集有效控制八、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析（1）自振特性試驗(yàn)結(jié)果表2是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振頻率的測(cè)試結(jié)果。圖1是其相應(yīng)的部分振型圖。圖2是測(cè)試得到的部分傳遞函數(shù)及其相干曲線。從相干曲線上看相干系數(shù)非常高，基本上接近于1.0，說明測(cè)試數(shù)據(jù)的信噪比很高，結(jié)果可靠。表2 自振頻率(Hz)的測(cè)