機械結(jié)構(gòu)實驗?zāi)B(tài)分析

機械結(jié)構(gòu)實驗?zāi)B(tài)分析實驗任務(wù)掌握實驗?zāi)B(tài)分析的基本原理熟悉掌握實驗?zāi)B(tài)分析的一般步驟熟悉實驗?zāi)B(tài)分析儀器撰寫實驗報告模態(tài)分析概述定義：承認實際結(jié)構(gòu)可以運用所謂“模態(tài)模型”來描述其動態(tài)響應(yīng)的前提條件下，通過特定的方法尋求其“模態(tài)參數(shù)”模態(tài)分析屬于參數(shù)識別的范疇模態(tài)參數(shù)固有頻率模態(tài)質(zhì)量模態(tài)剛度模態(tài)阻尼模態(tài)矢量（模態(tài)振型）模態(tài)分析應(yīng)用建立結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的預(yù)測模型已知輸入，通過模態(tài)參數(shù)可以得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)為結(jié)構(gòu)的動強度設(shè)計及疲勞壽命的估計服務(wù)對比虛擬樣機模型的動態(tài)特性樣機模態(tài)參數(shù)與試驗獲得的模態(tài)參數(shù)對比保證所建立的虛擬樣機模型的準確性結(jié)構(gòu)局部損傷檢測結(jié)構(gòu)的局部損傷將導(dǎo)致整個系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的變換通過檢測模態(tài)參數(shù)實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康度的實時監(jiān)控頻率響應(yīng)函數(shù)定義：在j點作用單位力時，在i點所引起的響應(yīng)；等同于系統(tǒng)機械導(dǎo)納，也稱為頻域的傳遞函數(shù)。由于線性系統(tǒng)的互易性，應(yīng)有頻率響應(yīng)函數(shù)若根據(jù)線性疊加原理，應(yīng)有：因此頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣為：頻響函數(shù)與模態(tài)參數(shù)頻響函數(shù)矩陣中的任一行為：可見，任一行都包含所有模態(tài)參數(shù)，而該行的第r階模態(tài)的頻響函數(shù)值之比值，即為第r階模態(tài)振型力錘游動，單點拾振，其實質(zhì)就是測量一行頻響函數(shù)，從而進行模態(tài)參數(shù)識別。頻響函數(shù)與模態(tài)參數(shù)頻響函數(shù)矩陣中的任一列為：可見，任一列都包含所有模態(tài)參數(shù)，而該行的第r階模態(tài)的頻響函數(shù)值之比值，即為第r階模態(tài)振型力錘固定，各點拾振，其實質(zhì)就是測量一列頻響函數(shù)，從而進行模態(tài)參數(shù)識別。頻響函數(shù)圖像幅頻與相頻曲線在小阻尼情況下，幅頻曲線的峰值對應(yīng)的頻率為固有頻率；相頻曲線-90o對應(yīng)的頻率為固有頻率。幅頻曲線功率點對應(yīng)的頻率滿足：其中：為阻尼比為固有頻率實頻、虛頻曲線單自由度系統(tǒng)實頻曲線零點對應(yīng)的頻率為固有頻率；多自由度系統(tǒng)，由于臨近模態(tài)影響，造成零點移動，因此用虛頻曲線峰值作為固有頻率較可靠；實頻曲線正負峰值對應(yīng)頻率滿足：其中：為阻尼比為固有頻率實驗?zāi)B(tài)分析定義實際結(jié)構(gòu)可以運用所謂“模態(tài)參數(shù)”來描述其動態(tài)響應(yīng)通過激振實驗對采集的振動數(shù)據(jù)進行處理識別，從而得到機械系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，稱為實驗?zāi)B(tài)分析模態(tài)分析屬于參數(shù)識別的范疇實驗?zāi)B(tài)的基本步驟頻響函數(shù)測量模態(tài)參數(shù)估計測量系統(tǒng)建立懸掛、支撐形式激勵方式選擇激勵位置確定響應(yīng)位置確定

混疊現(xiàn)象低通濾波泄漏窗函數(shù)譜相關(guān)函數(shù)誤差估計模態(tài)參數(shù)初步識別迭代優(yōu)化計算模態(tài)矢量識別模態(tài)矢量歸一化模態(tài)質(zhì)量剛度確定動畫顯示實驗?zāi)B(tài)測量原理圖懸掛、支承邊界條件1懸掛或支撐點應(yīng)該選擇處于或接近盡可能多的模態(tài)的節(jié)點上2懸掛繩或支承裝置要足夠軟，保證剛體共振頻率低于第一階彈性共振頻率（通常要求小于10%）激勵方法激勵方法力錘優(yōu)點：設(shè)置簡單，不會影響試件動態(tài)特性；缺點：能量集中在短時間內(nèi)，容易引起過載和非線性問題，數(shù)據(jù)一致性不易保證；激振器優(yōu)點：可以采用多種多樣的激勵信號，數(shù)據(jù)一致性好；缺點：設(shè)置麻煩，并且存在附加質(zhì)量影響問題(特別是對輕型試件)；激勵激勵位置激勵點避免處于所測量任一階模態(tài)的節(jié)點上，否者所測量信息中將會漏掉該階模態(tài)激勵數(shù)目多通道輸入更好的把輸入能量分配到整個試件上（對大型試件尤為重要），并最大限度的減少因激勵點剛好選在某階模態(tài)節(jié)點上而漏掉該階模態(tài)激勵方向確信各個方向的模態(tài)都能激勵出來，激勵方向應(yīng)該涵蓋各個方向；響應(yīng)點響應(yīng)位置響應(yīng)點盡量選擇處于或接近盡可能多的重要模態(tài)的腹部，避免漏掉重要的模態(tài)信息響應(yīng)數(shù)目取決于所選頻率范圍、期望的模態(tài)數(shù)、試件上關(guān)心的區(qū)域、可用的傳感器數(shù)量和時間響應(yīng)分布感興趣區(qū)域應(yīng)該多布置響應(yīng)點，同時響應(yīng)點應(yīng)該在試件上某種程度的均勻分布，可以減少漏掉模態(tài)的機會，并能得到像樣的結(jié)構(gòu)線框動畫試驗?zāi)B(tài)的基本步驟頻響函數(shù)測量模態(tài)參數(shù)估計測量系統(tǒng)建立懸掛、支撐形式激勵方式選擇激勵位置確定響應(yīng)位置確定

混疊現(xiàn)象低通濾波泄漏窗函數(shù)譜相關(guān)函數(shù)誤差估計模態(tài)參數(shù)初步識別迭代優(yōu)化計算模態(tài)矢量識別模態(tài)矢量歸一化模態(tài)質(zhì)量剛度確定動畫顯示混疊現(xiàn)象與低通濾波

高于1/2采樣頻率的高頻信號，將作為低于1/2采樣頻率出現(xiàn)?；殳B現(xiàn)象低通濾波

避免混疊現(xiàn)象出現(xiàn)，采用截止特性陡峭的低通濾波器，濾除所有高于1/2采樣頻率的高頻分量。泄漏現(xiàn)象

離散傅立葉變換假定：被觀察信號在觀測時段內(nèi)是周期的，如果不滿足此假設(shè)條件，則產(chǎn)生泄漏誤差。（邊界連續(xù)性）泄漏現(xiàn)象窗函數(shù)指數(shù)窗：

用于響應(yīng)信號截取窗函數(shù)力窗：用于力信號截取力信號響應(yīng)信號

選擇合適的窗函數(shù)可以減小采樣時段邊界的不連續(xù)性，迫使信號變成周期的，從而減小泄漏。窗函數(shù)選擇，同時要兼顧好的幅值估計和頻率分辨率力窗指數(shù)窗譜相關(guān)函數(shù)相關(guān)函數(shù)又稱為凝聚函數(shù),表征兩個信號的相關(guān)性：1作用：考察響應(yīng)信號中有多少成分是由激勵產(chǎn)生，從而用來衡量噪聲干擾的影響2

在反共振點附近，由于響應(yīng)很小，信噪比相對降低，相干函數(shù)將下降3頻率響應(yīng)函數(shù)的估計H1估計H2估計H3估計H4估計適合響應(yīng)端存在干擾誤差，小于真實值。適合輸入端存在干擾誤差，大于真實值。

H1和H2估計的算術(shù)平均

H1和H2估計的幾何平均試驗?zāi)B(tài)的基本步驟頻響函數(shù)測量模態(tài)參數(shù)估計測量系統(tǒng)建立懸掛、支撐形式激勵方式選擇激勵位置確定響應(yīng)位置確定

混疊現(xiàn)象低通濾波泄漏窗函數(shù)譜相關(guān)函數(shù)誤差估計模態(tài)參數(shù)初步識別迭代優(yōu)化計算模態(tài)矢量識別模態(tài)矢量歸一化模態(tài)質(zhì)量剛度確定動畫顯示模態(tài)參數(shù)初步識別模態(tài)參數(shù)初步識別固有頻率阻尼比虛頻曲線幅頻曲線相頻曲線實頻曲線迭代優(yōu)化計算初始模態(tài)參數(shù)固有頻率阻尼比留數(shù)復(fù)模態(tài)指示函數(shù)法正交多項式法結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)識別（非線性）最小二乘法動畫顯示通過模態(tài)矢量得到各自由度的主振動各自由度響應(yīng)實驗?zāi)B(tài)分析實例問題描述通過試驗方法，獲取某車架垂直方向的模態(tài)參數(shù)。車架約束形式為了近似模擬車架自由狀態(tài)，因此采用橡膠繩將整個車架懸掛起來激振方式由于車架尺寸較大，采用激勵錘能量不夠，因此采用激振器對車架垂直方向進行激振測量得到的頻響函數(shù)曲線(幅頻)試驗結(jié)果與分析結(jié)果對比階數(shù)振型描述頻率相對誤差（%）阻尼比(%)試驗分析1一階扭轉(zhuǎn)6.116.13350.38462.12一階彎曲1212.1521.26670.7843二階扭轉(zhuǎn)19.618.3076.59690.6784二階彎曲31.431.7641.15920.4045三階扭轉(zhuǎn)39.538.8771.57720.3516三階彎曲58.859.8451.77720.4087四階