機械工程專業(yè)碩士結(jié)課作業(yè)-機械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析實驗

研究生學院機械工程專業(yè)碩士結(jié)課作業(yè)課程題目：機械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析實驗指導老師：姓名：學號：2015年08月23日概述模態(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，則稱為計算模態(tài)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)，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)固有的、整體的特性。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)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動模態(tài)各不相同。模態(tài)分析提供了研究各類振動特性的一條有效途徑。首先，將結(jié)構(gòu)物在靜止狀態(tài)下進行人為激振，通過測量激振力與響應(yīng)并進行雙通道快速傅里葉變換（FFT）分析，得到任意兩點之間的機械導納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過對試驗導納函數(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)疊加原理，在已知各種載荷時間歷程的情況下，就可以預言結(jié)構(gòu)物的實際振動的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜。模態(tài)分析的經(jīng)典定義：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。模態(tài)分析的最終目標是識別出系統(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)為以下幾個方面：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)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設(shè)計；3)診斷及預報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；4)控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；5)識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷二、實驗的基本過程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?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（包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機）、瞬態(tài)激勵（包括隨機脈沖激勵）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。并非越復雜的方法識別的結(jié)果越可靠。對于目前能夠進行的大多數(shù)不是十分復雜的結(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，即使用最復雜的數(shù)學模型、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)復雜，由許多自由度組成的振形也相當復雜，必須采用動畫的方法，將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。三、實例分析有一根梁所示，長（x向）100cm，寬（y向）5cm，高（z向）2cm。欲使用多點敲擊、單點響應(yīng)方法做其z方向的振動模態(tài)。1、測點的確定此梁在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即可，本實驗采用多點敲擊、單點響應(yīng)方法，本實驗中在x方向把梁分成十等份，即可以布十一個測點。選取第五個敲擊點處為響應(yīng)點。圖1測點確定2、儀器連接儀器連接如圖2所示，其中力錘上的力傳感器接DLF-3第一通道的電荷輸入端，壓電加速度傳感器接DLF-3第二通道的電荷輸入端，DLF-3前面板的輸入選擇相應(yīng)地。DLF-3的兩通道輸出分別接INV接口箱（盒）上的第一、二通道。圖2儀器連接3、示波儀器連接好后，啟動DASP軟件，選擇示波菜單中的多蹤時域示波，用力錘敲擊各個測點，觀察有無波形，檢查儀器連接是否正確、導線是否接通、傳感器、儀器的工作是否正常等等，直至示波波形正確為止。然后退出本功能，再轉(zhuǎn)到觸發(fā)方式示波，選定采樣頻率和變時倍數(shù)，使用適當?shù)那脫袅η脫舾鳒y點，調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)或采集卡的程控倍數(shù)，直到力的波形和響應(yīng)的波形大小合適為止。4、參數(shù)設(shè)置調(diào)整好波波形后，返回主菜單，進入多次觸發(fā)采樣文件，設(shè)置采樣參數(shù)、試驗名、試驗號、數(shù)據(jù)路徑，然后再輸入工程單位和標定值。把第一通道的工程單位設(shè)為：N（牛頓），第二通道的工程單位設(shè)為：M/SS（加速度）；其余通道不用。最后，輸入標定值。通過示波已經(jīng)定好了放大器的檔位，力傳感器的靈敏度為：KCH=4PC/N，第一通道電荷增益為KE=1V/N，靈敏度適調(diào)為：KSH=10PC/N，功能選擇檔為線性，低通濾波8KHz。輸入第一通道的標定值：400、第二通道的標定值：42.5。5、采樣將分析頻率定為2KHz。選擇自動改變測點號，定時采樣，采樣間隔5秒，采樣頻率16000Hz，觸發(fā)電平1000mV，滯后點32點，觸發(fā)次數(shù)5次，每次1塊，采樣通道2道，程控倍數(shù)為1，第一道細化倍數(shù)為1，第二道細化倍數(shù)為4，第一道測點號為“f1”，第二道測點號為“1”。在每個點敲擊五次后，測點號自動改變，這時換點敲擊，直到采完11個點。6、頻響函數(shù)分析做頻響函數(shù)分析時，第一道加力窗，第二道加指數(shù)窗。圖3加窗未設(shè)置邊界圖4加窗設(shè)置好邊界注意一定要確定好邊界。依次將11點做完，分析出傳遞函數(shù)。7、模態(tài)分析（1）、參數(shù)選擇傳感器類型為加速度原點導納位置為5總測點數(shù)為11（2）、輸入幾何結(jié)構(gòu)及約束部件坐標系設(shè)置為直角坐標時自動生成長方體，參數(shù)按圖5設(shè)置，生的長方體如圖6所示：圖5參數(shù)設(shè)置圖6幾何結(jié)構(gòu)在每