模態(tài)分析入門教程

1、模態(tài)分析入門教程第1頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四 目錄：試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析概念模態(tài)分析的應(yīng)用DHMA模態(tài)軟件分析方法及應(yīng)用領(lǐng)域DHMA模態(tài)分析軟件功能錘擊法簡支梁（固支梁）模態(tài)實(shí)驗(yàn)第2頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四模態(tài)分析定義圖解 是一種坐標(biāo)變換。目的在于把原在物理坐標(biāo)系統(tǒng)中描述的響應(yīng)向 量，放到所謂“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中來描述。運(yùn)用這一坐標(biāo)的好處是：利用各特征向量之間的正交特性，可使描述響應(yīng)向量的各個(gè)坐標(biāo)互相獨(dú)立而無耦合。換句話講，在這一坐標(biāo)系統(tǒng)中，振動方程是一組互無耦合的方程，每一個(gè)坐標(biāo)均可單獨(dú)求解。物理坐標(biāo)模態(tài)坐標(biāo)求解振動方程第3頁，共36頁，

2、2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析定義 根據(jù)測量結(jié)構(gòu)上各個(gè)測點(diǎn)的信號，采用模態(tài)參數(shù)辨識方法得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，這個(gè)過程是把結(jié)構(gòu)作為一個(gè)“黑盒子”來處理的，只需要個(gè)結(jié)構(gòu)一個(gè)輸入，測量得到他的輸出就可以來判斷結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特性，模態(tài)分析是為了得到結(jié)構(gòu)的動力特性，即模態(tài)參數(shù)（頻率、阻尼和振型）。圖解輸入輸出模態(tài)參數(shù)模態(tài)分析頻率阻尼振型第4頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四模態(tài)分析的應(yīng)用評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性。 在處理結(jié)構(gòu)的振動問題時(shí)，必須對其動態(tài)特性有全面的了解。結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性通常用各階模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率，模態(tài)振型及模態(tài)阻尼）來描述。通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以

3、求得上述動態(tài)特性參數(shù)，從而評價(jià)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性是否符合要求，并校驗(yàn)理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性雖然可以用有限元方法計(jì)算，但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立有限元模型時(shí)所引進(jìn)的一系列人為假設(shè)往往很難與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況往往不吻合。模態(tài)分析是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此得到的動態(tài)特性參數(shù)比較準(zhǔn)確，特別是可以識別系統(tǒng)的阻尼，而在有限元分析中，阻尼是人為假設(shè)的。 第5頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四2. 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行機(jī)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通常采用有限元分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，但是正如上面所指出的，由于在建立有限元模型時(shí)，在邊界條

4、件的處理及力學(xué)模型的簡化上，往往與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差很大，這便導(dǎo)致了動力學(xué)分析結(jié)果失去了實(shí)用價(jià)值，特別是對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這種差距很大。用模態(tài)分析所得的模態(tài)參數(shù)對有限元模型進(jìn)行修改，使其更符合實(shí)際，從而提高有限元分析的精度。 用模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力修改，使動力特性達(dá)到預(yù)期要求，并使其優(yōu)化，這亦時(shí)模態(tài)分析的目標(biāo)之一。模態(tài)分析進(jìn)入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，并用有限元分析、CAD、CAT、CAE相結(jié)合構(gòu)成所謂“理想設(shè)計(jì)過程”是模態(tài)分析技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。 第6頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四3. 診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障。 近年來結(jié)構(gòu)故障技術(shù)發(fā)展迅速，而模態(tài)分析已成為故障診斷的一個(gè)重要

5、方法。利用結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變來診斷故障是一種有效方法。例如根據(jù)模態(tài)頻率的變化可以判斷裂紋的出現(xiàn)；根據(jù)振型的分析可以確定裂紋的位置；根據(jù)轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)阻尼的改變，可診斷與預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的失穩(wěn)等等。第7頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四DHMA模態(tài)軟件分析方法及應(yīng)用領(lǐng)域測力法（頻響函數(shù)法）這是經(jīng)典的模態(tài)分析方法，他引入了自動控制理論中的傳遞函數(shù)（或頻率響應(yīng)函數(shù)）概念，傳遞函數(shù)反映系統(tǒng)的是輸入與輸出之間的關(guān)系，反映系統(tǒng)的固有特性，根據(jù)傳遞函數(shù)來辨識系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。給系統(tǒng)施加一個(gè)已知的輸入力（力傳感器測量得到），測量結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的響應(yīng)，利用軟件的頻響函數(shù)分析模塊計(jì)算得到各點(diǎn)頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。

6、利用頻響函數(shù)據(jù)，通過一定的模態(tài)參數(shù)識別方法來得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。第8頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四應(yīng)用中小型結(jié)構(gòu)：大型結(jié)構(gòu)：第9頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四不測力法（環(huán)境激勵法）應(yīng)用：雖然測力法測量的得到模態(tài)結(jié)果比不測力法的得到的結(jié)果要準(zhǔn)確，但是對于房屋建筑、大型橋梁等大型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行人為激勵，而且環(huán)境激勵力也無法測量的情況下，只能利用響應(yīng)信號來辨識結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。環(huán)境激勵法是基于輸入為平穩(wěn)隨機(jī)過程假設(shè)下的參數(shù)識別方法。也就是說假設(shè)給結(jié)構(gòu)的輸入力（環(huán)境激勵力）為隨機(jī)信號，隨機(jī)信號的功率譜為常值。如此得到的響應(yīng)信號是隨機(jī)激勵下的響應(yīng)信號

7、，這樣就可以用響應(yīng)信號的互譜來代替頻響函數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識了。DHMA模態(tài)軟件分析方法及應(yīng)用領(lǐng)域第10頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四應(yīng)用大型建筑物：大型橋梁：第11頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四DHMA模態(tài)分析軟件功能幾何建模 讀入CAD平面圖形、ANSYS有限元模型文件；可以直接在界面上完成部件、結(jié)點(diǎn)、連線的填加、刪除、移動、復(fù)制、粘貼以及參數(shù)修改等；可自動生成規(guī)則模型；為了更接近實(shí)際結(jié)構(gòu)，測點(diǎn)之間可插入非測量結(jié)點(diǎn)，軟件自動根據(jù)周圍測點(diǎn)數(shù)據(jù)編寫非測點(diǎn)的約束方程。對模型可以進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、放大縮小、線條顏色修改、背景顏色修改、四視圖單獨(dú)或同時(shí)顯示

8、；數(shù)據(jù)類型及顯示 環(huán)境激勵下的時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)、頻響函數(shù)數(shù)據(jù)（單入單出 SIMO、 單 入 多出MISO、多入多出MIMO）、接受文本文件、UFF數(shù)據(jù)文件；數(shù)據(jù)可以多行多列顯示、重疊顯示、局部放大縮小顯示；單光標(biāo)、雙光標(biāo)、峰光標(biāo)、光標(biāo)值顯示等 ；參數(shù)辨識頻域峰值法、隨機(jī)子空間法、導(dǎo)納圓擬合法、正交多項(xiàng)式擬合法和時(shí)域復(fù)指數(shù)擬合法等；模態(tài)模型驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)圖、模態(tài)置信準(zhǔn)則（MAC）、模態(tài)相位共線性、相位偏移、模態(tài)指示函數(shù)、模態(tài)參與因子、模態(tài)振型的動畫顯示；第12頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四生成報(bào)告 幾何模型、靜態(tài)動畫圖形的拷貝、打?。粍赢嬣D(zhuǎn)換成AVI文件；所有識別的模態(tài)參數(shù)文件（

9、包括各階模態(tài)的振型數(shù)據(jù)）可保存、打印，振型文件可導(dǎo)出為word文件及文本文件。 時(shí)域ODS動畫 將所有測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)同步動畫顯示在模型上，以類似快攝慢放的形式回放原始數(shù)據(jù)，生動形象地顯示出試件的真實(shí)變形過程；動畫顯示 參數(shù)辨識得到的各階模態(tài)，分別或同時(shí)顯示在一個(gè)或多個(gè)模型上；可以連續(xù)動畫、步進(jìn)動畫、三維彩色動畫、等高線動畫、矢量動畫、四視圖同步動畫等，動畫幅度、速度可調(diào)；頻域ODS動畫 將所有測點(diǎn)的頻譜或頻響函數(shù)數(shù)據(jù)同步動畫顯示在模型上，以類似閃頻儀的形式、生動形象地顯示出試件在某個(gè)頻率激振下的變形情況； 工作模態(tài)OMA 通過測量結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)的振動響應(yīng)信號，進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識。辨識方法包括經(jīng)

10、典的自譜、互譜等信息辨識；高級的隨機(jī)子空間法辨識；第13頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四錘擊法簡支梁（固支梁）模態(tài)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解模態(tài)分析基本原理；2、了解模態(tài)測試及分析方法。第14頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四二、實(shí)驗(yàn)儀器安裝 示意圖動態(tài)分析儀計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及分析軟件打印機(jī)或繪圖儀 簡支梁加速度傳感器力錘力傳感器第15頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四 安裝圖第16頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四 局部安裝圖第17頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四三、實(shí)驗(yàn)步驟 實(shí)驗(yàn)梁如下

11、圖所示，長（x向）700mm，寬(y向)45mm。用單點(diǎn)拾振法做梁z 方向的振動模態(tài)。具體實(shí)驗(yàn)步驟介紹如下。 第18頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四（1）測點(diǎn)的確定 此梁在y、z方向尺寸和 x方向（尺寸）相差較大，可以簡化為桿件，所以只需在x方向順序布置若干敲擊點(diǎn)即可（本例單點(diǎn)拾振法-跑激勵），敲擊點(diǎn)的數(shù)目視要得到的模態(tài)的階數(shù)而定，敲擊點(diǎn)數(shù)目要多于所要求的階數(shù)，得出的高階模態(tài)結(jié)果才可信。此例中x方向把梁分成十四等份，布置了十三個(gè)測點(diǎn)（兩端點(diǎn)視為不動點(diǎn)）。選取拾振點(diǎn)時(shí)要盡量避免使拾振點(diǎn)在模態(tài)振型的節(jié)點(diǎn)上，此處取拾振點(diǎn)在四號測點(diǎn)處。第19頁，共36頁，2022年，5月20日

12、，6點(diǎn)32分，星期四（2）儀器連接 儀器連接如下圖所示，其中力錘上的力傳感器接動態(tài)采集分析儀的第一通道，DH201加速度傳感器接第二通道。（3）打開儀器電源，啟動DHDAS控制分析軟件， 選擇分析/頻響函數(shù)分析功能。 實(shí)驗(yàn)梁平面圖第20頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四在菜單“ 分析(N) ”選擇分析模式“單輸入頻響”。在新建的四個(gè)窗口內(nèi)，分別單擊右鍵，在“信號選擇”對話框中設(shè)定四個(gè)窗口依次為：頻響函數(shù)數(shù)據(jù)、1-1通道的時(shí)間波形、相干函數(shù)數(shù)據(jù)和1-2通道的時(shí)間波形,如下圖。第21頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四分析參數(shù)設(shè)置 l 采樣率：10KHz；

13、l 觸發(fā)方式：信號觸發(fā)l 延遲點(diǎn)數(shù)： 200。l 平均方式：線性平均l 預(yù)覽平均：（4）參數(shù)設(shè)置采樣率觸發(fā)方式延遲點(diǎn)數(shù)平均方式預(yù)覽平均第22頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置參考通道：1-1設(shè)定參考通道l工程單位和靈敏度：將兩個(gè)傳感器靈敏度輸入相應(yīng)的通道的靈敏度設(shè)置欄內(nèi)。傳感器靈敏度為KCH（PC/EU）表示每個(gè)工程單位輸出多少PC的電荷，如是力，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為牛頓N，則此處為PC/N；如是加速度，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為m/s2 ，則此處為PC/ m/s2 。靈敏度工程單位第23頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四 量程范圍：調(diào)

14、整量程范圍，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到較好的信噪比。調(diào)整原則：不要使儀器過載，也不要使得信號過小。 模態(tài)參數(shù)：編寫測點(diǎn)號和方向。采用單點(diǎn)拾振法時(shí)，如果測量1號點(diǎn)的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)，在1-1通道（力錘信號）的模態(tài)信息/節(jié)點(diǎn)欄內(nèi)輸入1，測量方向輸入+Z；響應(yīng)通道（加速度傳感器信號）內(nèi)輸入傳感器放置的測點(diǎn)號，方向?yàn)?Z。量程范圍量程范圍靈敏度測點(diǎn)號測量方向第24頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四注意： 移動敲擊時(shí)，當(dāng)力錘移動到其他點(diǎn)進(jìn)行敲擊測量時(shí)，就必須相應(yīng)的修改力錘通道的模態(tài)信息/節(jié)點(diǎn)欄內(nèi)的測點(diǎn)編號。每次移動力錘后都要新建文件。用力錘敲擊各個(gè)測點(diǎn)，觀察有無波形，如果有一個(gè)或兩個(gè)通道無波形或波

15、形不正常，就要檢查儀器是否連接正確、導(dǎo)線是否接通、傳感器、儀器的工作是否正常等等，直至波形正確為止。使用適當(dāng)?shù)那脫袅η脫舾鳒y點(diǎn)，調(diào)節(jié)量程范圍，直到力的波形和響應(yīng)的波形既不過載也不過小。預(yù)覽平均方式打開后，軟件在每次敲擊采集數(shù)據(jù)后，提示是否保存該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要判斷敲擊信號和響應(yīng)信號的質(zhì)量，判斷原則為：力錘信號無連擊，信號無過載。 第25頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四實(shí)驗(yàn)梁的力錘敲擊信號：第26頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四(5）數(shù)據(jù)預(yù)處理調(diào)節(jié)采樣數(shù)據(jù) 采樣完成后，對采樣數(shù)據(jù)重新檢查并再次回放計(jì)算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。一通道的力信號加力窗，在力窗窗寬調(diào)

16、整合適。對響應(yīng)信號加指數(shù)窗。設(shè)置完成后，回放數(shù)據(jù)重新計(jì)算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。力信號加力窗響應(yīng)信號加指數(shù)窗啟動回放第27頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四（6）模態(tài)分析l 幾何建模：自動創(chuàng)建矩形模型，輸入模型的長寬參數(shù)以及分段數(shù)；打開結(jié)點(diǎn)信息窗口，編寫測點(diǎn)號；Y方向分段數(shù)X方向分段數(shù)Y方向模型長度X方向模型長度創(chuàng)建平面注：DHMA-V2軟件可自動創(chuàng)建矩形、圓、長方體、圓錐體、圓柱體、以及球，也可選擇手動添加的方法，具體請參考幫助文件。第28頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定測點(diǎn)號單擊設(shè)定節(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)單擊設(shè)定節(jié)點(diǎn)的Y坐標(biāo)單擊設(shè)定節(jié)點(diǎn)的X坐標(biāo)第2

17、9頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四 導(dǎo)入頻響函數(shù)數(shù)據(jù)：單擊工具欄按鈕“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”，新建一數(shù)據(jù)文件，彈出“模態(tài)數(shù)據(jù)文件選擇對話框”。 單擊“測量類型”按鈕，選擇測量類型：單點(diǎn)拾振法。 單擊“選擇文件”按鈕，將每個(gè)測點(diǎn)的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)讀入模態(tài)軟件，本次實(shí)驗(yàn)共13組頻響數(shù)據(jù)文件。選中所有頻響數(shù)據(jù)的上一級目錄，或者單獨(dú)選中所有頻響文件第30頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四 參數(shù)識別：首先光標(biāo)選擇一個(gè)頻段的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊參數(shù)識別按鈕，搜索峰值，計(jì)算頻率阻尼及留數(shù)（振型）。光標(biāo)設(shè)定范圍搜索峰值光標(biāo)設(shè)定范圍光標(biāo)設(shè)定范圍第31頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四頻率計(jì)算方法留數(shù)計(jì)算方法顯示頻率留數(shù)將頻率阻尼保振型存于模態(tài)參數(shù)文件第32頁，共36頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)32分，星期四（7）振型編輯模態(tài)分析完畢以后可以觀察、打印和保存分析結(jié)果，也可以觀察模態(tài)振型的動畫顯示。（8）動畫顯示打開模態(tài)參數(shù)文件和幾何模型窗口，在模態(tài)參數(shù)文件窗口內(nèi)，按數(shù)據(jù)匹配命令，將模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)分配給幾何模型的測點(diǎn)。進(jìn)入到幾何模型窗口，點(diǎn)擊動畫顯示按鈕，幾何模型將相應(yīng)模態(tài)頻率的振型以動畫顯示出來。在振型表文