模態(tài)分析試驗(yàn)報告

1、建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報告專業(yè)土木工程班級學(xué)號姓名教師建工實(shí)驗(yàn)中心2010年3月振動測試與模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)報告一、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問題。2. 通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握振動測試系統(tǒng)的基本組成、了解振動測試的常用測量方法以及模態(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)測試及分析方法。通過對框架模型的模態(tài)試驗(yàn)分析，測定出基礎(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)的動力參數(shù)，從而掌握模態(tài)分析的基本原理及分析方法。

2、四、試驗(yàn)的基本要求（1）掌握振動測試系統(tǒng)的構(gòu)成及操作。（2）了解振動測試的常用測量方法。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、動態(tài)信號分析儀LMS和計算機(jī)等力錘用于激勵實(shí)驗(yàn)對象。力傳感器用于拾取激勵信號并轉(zhuǎn)換成為電荷信號。加速度計用于拾取響應(yīng)信號并轉(zhuǎn)換成為電荷信號。AZ804-A四通道電荷電壓放大信號調(diào)理儀，用于將電荷信號放大成為適合測量的電壓信號。AZ208數(shù)據(jù)采集箱信號采集分析系統(tǒng)包括抗混濾波器、A/D變換器、結(jié)構(gòu)動態(tài)分析軟件、計算機(jī)、打印機(jī)。用安裝有力傳感器的力錘敲擊實(shí)驗(yàn)對象上的若干個點(diǎn)

3、。力傳感器拾取激勵力的信號，安裝在實(shí)驗(yàn)對象的某測點(diǎn)上的加速度計拾取響應(yīng)信號.經(jīng)電荷放大器放大后輸入信號采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)儀器框圖如圖1所示。力信號接入信號采集器的第1通道，響應(yīng)信號依次接入信號采集器的其他通道。表1試驗(yàn)儀器的硬件及軟件力錘傳感器廠家型號量程頻率范圍靈敏度六、試驗(yàn)步驟美國PCB公司086D202.224kN0.0003-36KHz加速度傳感器廠家型號量程頻率范圍靈敏度vm/g美國PCB公司333B4050g0.5-5KHz美國PCB公司333B4050g0.5-5KHz美國PCB公司333B4050g0.5-5KHz美國PCB公司333B4050g0.5-5KHz動態(tài)信號分析儀廠家型

4、號比利時LMS國際LMS公司SCADASIII數(shù)據(jù)米集及模態(tài)分析軟件廠家名稱比利時LMS國際LMSTest公司9A6.1模態(tài)試驗(yàn)基本過程二十年來，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(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。(1) 激勵方法：試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是在試驗(yàn)室內(nèi)人為地對結(jié)構(gòu)物施加一定動態(tài)激勵，采集各點(diǎn)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

5、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(SIMQ、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(diǎn)的信號，用不斷移動激勵點(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勺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測量傳感器或激振器，試驗(yàn)成本極高。(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。

6、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)的依據(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(shí)模態(tài)或復(fù)模態(tài)模型等。3. 參數(shù)識別。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（SISOSIMOMIMO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

7、方法，如果頻響測量數(shù)據(jù)不可靠，則識別的結(jié)果一定不會理想。4. 振形動畫。參數(shù)識別的結(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)組難以引起對振動直觀的想象。必須采用活動振動的方法，將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。以上四個步驟是模態(tài)試驗(yàn)及分析的主要過程，而支持這個過程的除了激振裝置、雙通道FFT分析儀、桌面式或便攜式計算機(jī)等硬件外還要有一個完善的模態(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、劃分為多個子結(jié)構(gòu)，具有多種擬合方法并能將結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動在屏幕上三維實(shí)時動畫。3.2隨機(jī)信號與振

8、動分析系統(tǒng)CRASV6.2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）。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或軸對稱部件可以自動生成，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。測量設(shè)置1、根據(jù)結(jié)構(gòu)振動特點(diǎn)，確定一維分析或三維分析。2、送入測量信息：某一結(jié)點(diǎn)的某一方向是否測量，測量正方向還是負(fù)方向。3、送入約束方程。對于某些不易測量的結(jié)點(diǎn)可以通過約束方程獲得其模態(tài)振形。模態(tài)測量通過雙通道FFT分析儀或CRAS數(shù)

9、據(jù)采集及FFT系統(tǒng)，根據(jù)測量設(shè)置產(chǎn)生的索引文件，自動進(jìn)行一系列頻響函數(shù)的測量。采用錘擊法或隨機(jī)激勵法獲得力信號及響應(yīng)信號，經(jīng)過FFT得到頻響函數(shù)，頻響函數(shù)集總平均將所有測量頻響函數(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)識別的初始估計頻率，也可以從整體上判別模態(tài)測量的質(zhì)量。參數(shù)識別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：單測量、自動擬和、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)識別，結(jié)果存盤。5、對比各結(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、測量方向處理。2、處理約束方程，填滿殘數(shù)

10、矩陣。3、留數(shù)矩陣歸一化為振形矩陣。振形動畫根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)置以及參數(shù)識別的結(jié)果，進(jìn)行三維動畫式振形顯示。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)行為了判斷硬件連接及軟件安裝是否成功，請用戶正式使用前先作一個測試。利用AZ208儀器提供的測試信號（200Hz,2000mV或用一個發(fā)生器輸出連接到采集卡或采集箱的第1通道。

11、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CRA文件夾中點(diǎn)擊CRAS后進(jìn)入程序引導(dǎo)總界面。振動及動態(tài)信號采集分析糸統(tǒng)AdCras救據(jù)采集及處理SsCras倍號與垂統(tǒng)分析MaCras機(jī)械及箔枸模態(tài)分析DmCras蜒離曲力修咗VmCra*旋轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)提動監(jiān)示及診斷SkCraa沖擊獨(dú)羽用啊應(yīng)譜分析IwilfflMiuLdljMwilhdMJdaVtmnfWWNepnl*mHillHi丨丨；DOY

12、2DO1126i'?i'I丄fjvtjp如如諭記錄Nn欄聲X搬聲相金井新2®iphYpep葉片忍審捷敷據(jù)骨理血nat«M定子模姦Zntx寵魁材樣動力特卷Zjdc攝質(zhì)址動閔Vtm扳弗白獨(dú)制Vtjagi庇編M示功闇M«aJt火M帯廿折Xbbh小披愛揀Side橋誕索力功測.heerfln機(jī)植創(chuàng)插義學(xué)誠程其它缸制額卄XL蘇軼件Bi南就慚兀軟件工程.有函公詞4華幾鶯"苗嚐盧血*主錄走F-TM1-1W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)如果用戶希望將所配置的某個軟件程序放置在自己選定某個文件夾內(nèi)運(yùn)行，還必須注意將CRAS文件夾中有關(guān)

13、庫文件一起復(fù)制進(jìn)來如果在運(yùn)行采集或示波時，發(fā)生計算機(jī)死鎖的情況，退出應(yīng)用程序的辦法是:同時按Ctrl+Alt+Del次或多次。極個別情況，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)特別注意存盤時會將老數(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)aD-UQaaD-UQashuuiang態(tài)測試實(shí)驗(yàn)ylj選擇作業(yè)：送入需要觀察分析的作業(yè)名和路徑爭J本地融盤:）日.斗*本地晞盤（E；）摸態(tài)作業(yè)：件業(yè)路徑】山動態(tài)測試實(shí)噓'CrasIz

14、mnort口n企業(yè)版L0I文件夬列葛作業(yè)列昴導(dǎo)納測量激勵方法總激振器隨機(jī)）或力錘（脈沖）激勵環(huán)境激勵:姿考點(diǎn)固定廠環(huán)境滋勵t參考點(diǎn)遞延采集器通道數(shù)一確認(rèn)丁2通itC4通道廣8通道16通道取消(2) 幾何模型生成設(shè)置如下:設(shè)置如下:選擇幾何模型菜單中自動生成簡單幾何圖形的圓柱面,(3) 模態(tài)測量在模態(tài)測量菜單下選擇測量參數(shù)設(shè)置，相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置如下:1、平均次數(shù)2、時間窗處理函數(shù)校正囲子1工稈單位邇道標(biāo)記平均次數(shù)的間窗處建函數(shù)耳分析頻率訥發(fā)塾數(shù)1電壓范圍呼miiii»-Hitiililt-diniimiiiiiiiiiMr|cklchEcLQ1d11d1ch2ch6ohlO?hl4Hect

15、azigle命1FlJdcK3cKTchll:hl51131口11Z1uh4ch8ch!2:M6IzJIJ1確定取消丘用I3、分析頻率50000Ki_5000Hr5XHr50Hz5Mir20000Hz2000Ku200H*20Hi2IhrlooooHz金1000Kr100Ht10He1Hz確定取消述因子1工程單恆1通道標(biāo)記平均次數(shù)時間窗處理函勧1inn»miiiannmraviiirmiiiirw電壓范圉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

16、%則信號到達(dá)0.5V時開始采集。觸發(fā)延遲：數(shù)字量，正值表示等待，負(fù)值表示提前。數(shù)字單位為采集時間間隔的倍數(shù)。例如：-20是指到達(dá)觸發(fā)電平之前20個點(diǎn)開始記錄數(shù)據(jù)，超前時間等于20t。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個通道均可作為觸發(fā)通道，其它通道信號閾值不影響觸發(fā)動作5、電壓范圍檯正因孑I工程単位Iii道掠怕|晞定|取消|丘用囚|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,&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

17、多通道采集的每1個通道而言是相同的。6、校正因子每1個工程單位對應(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測量結(jié)果進(jìn)行修正，這個過程即所謂“標(biāo)定”。設(shè)定校正因子后，CRASS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個通道需要設(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。

18、在CRAS已經(jīng)設(shè)置的工程單位為：mVv,mm/s,m/s2,mn,mm/smm/S,卩mN,KN,mNG,mG卩£,Pa,MpaC,deg,vad,WKWMWL,mAA,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個通道有1個組合框選件，拉出來找到需要的工程單位點(diǎn)擊。平均出數(shù)|時閭窗處謹(jǐn)國數(shù)I分析頻率I融埃卷數(shù)|電壓范圉工程單儻|通道標(biāo)記按正因孑ZJchi4chi5chi6chi3|確定I取消(4)測量方向選擇(5)導(dǎo)納測量表將1,17,18,34,35,51,52,68,69,85的第一坐標(biāo)設(shè)為不測量(

19、雙擊那一行，在彈出的節(jié)點(diǎn)測量信息對話框中設(shè)置)，如下所示，為導(dǎo)納測量表的一部分。E'l".；F11'1!-i1'-Mi|niw呻科l戊鷲力T*JiHd4rbiictnrwi誕1M4»M|-峠BE口序*2mT-d*西q?斛Rl岳*和如二獻(xiàn)"9卜君'fUl-kClwmlSetupIflriH-StfHBtt|UJiUlMi皿.|HhJUI1*Cmw*H*hw環(huán)創(chuàng)陽“|(Fl5廠rrrrrffppprrrrrr-rrrr-r-rrnrMRflUaaKRriHMUidAm-*i>3KkE3ri"fLiriSnlhit-r-&

20、lt;Mv>Fwl就AcBWiriWM水ie訕.廠F0H2vdlpJVCtwWrAWW!如，rt*10iWiifrniagpijmCw曲rFMA貝IOI訶<fr*el®POTE-vdVH*£<®3dUfiffrlotr1KI4fc?YE41lQr>fjrnvrHl-5呷ACGWiriWifiU'4I«冊rxriimUtaii£FA£C*iaETjrwSOSiWJ.r1->2YK>AMHMUonfftftW.p11HH#即nVsnrpA¥farPwfl7hnMbATArEMnf»tf109訶.i-'帚(TW?AiX"帚如f#110*f/14r<«最RHjn?卻IF址也暑姑liMWfrPwfllhm虹n稱199訓(xùn).r'taTriirPMfltrowArrMrrigr4(gnPwfllMfw4ME<0d«申in鐘!1,rfw#w$輝斗墅£*4i軒Wl««WJfr'tririmFwfiahnMhOPATEEnrKHnV申09VJfrY&iriaFcvCXiram"aMpA£Accavirin-jE133iw.'-ar越護(hù)Miii