模態(tài)分析入門教程課件

目錄：試驗模態(tài)分析概念模態(tài)分析的應用DHMA模態(tài)軟件分析方法及應用領域DHMA模態(tài)分析軟件功能錘擊法簡支梁（固支梁）模態(tài)實驗目錄：試驗模態(tài)分析概念1模態(tài)分析定義圖解是一種坐標變換。目的在于把原在物理坐標系統(tǒng)中描述的響應向量，放到所謂“模態(tài)坐標系統(tǒng)”中來描述。運用這一坐標的好處是：利用各特征向量之間的正交特性，可使描述響應向量的各個坐標互相獨立而無耦合。換句話講，在這一坐標系統(tǒng)中，振動方程是一組互無耦合的方程，每一個坐標均可單獨求解。物理坐標模態(tài)坐標求解振動方程模態(tài)分析定義圖解是一種坐標變換。目的在2實驗模態(tài)分析

定義

根據(jù)測量結構上各個測點的信號，采用模態(tài)參數(shù)辨識方法得到結構的模態(tài)參數(shù)，這個過程是把結構作為一個“黑盒子”來處理的，只需要個結構一個輸入，測量得到他的輸出就可以來判斷結構的內(nèi)部特性，模態(tài)分析是為了得到結構的動力特性，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)分析頻率阻尼振型實驗模態(tài)分析

定義根據(jù)測量結構上各個3模態(tài)分析的應用評價現(xiàn)有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性。在處理結構的振動問題時，必須對其動態(tài)特性有全面的了解。結構的動態(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。通過對結構的模態(tài)分析可以求得上述動態(tài)特性參數(shù)，從而評價結構動態(tài)特性是否符合要求，并校驗理論計算的準確性。結構的動態(tài)特性雖然可以用有限元方法計算，但由于實際結構的復雜性，在建立有限元模型時所引進的一系列人為假設往往很難與實際結構相符，因此計算結果與實際情況往往不吻合。模態(tài)分析是建立在試驗基礎上的，因此得到的動態(tài)特性參數(shù)比較準確，特別是可以識別系統(tǒng)的阻尼，而在有限元分析中，阻尼是人為假設的。模態(tài)分析的應用評價現(xiàn)有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性。42.在新產(chǎn)品設計中進行機構動態(tài)特性的預估及優(yōu)化設計。在新產(chǎn)品設計中，通常采用有限元分析方法計算結構系統(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，在邊界條件的處理及力學模型的簡化上，往往與實際結構相差很大，這便導致了動力學分析結果失去了實用價值，特別是對于大型復雜結構，這種差距很大。用模態(tài)分析所得的模態(tài)參數(shù)對有限元模型進行修改，使其更符合實際，從而提高有限元分析的精度。用模態(tài)分析的結果進行結構動力修改，使動力特性達到預期要求，并使其優(yōu)化，這亦時模態(tài)分析的目標之一。模態(tài)分析進入產(chǎn)品的設計階段，并用有限元分析、CAD、CAT、CAE相結合構成所謂“理想設計過程”是模態(tài)分析技術的一個發(fā)展方向。2.在新產(chǎn)品設計中進行機構動態(tài)特性的預估及優(yōu)化設計。53.診斷及預報結構系統(tǒng)的故障。近年來結構故障技術發(fā)展迅速，而模態(tài)分析已成為故障診斷的一個重要方法。利用結構模態(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)轉子支撐系統(tǒng)阻尼的改變，可診斷與預報轉子系統(tǒng)的失穩(wěn)等等。3.診斷及預報結構系統(tǒng)的故障。6DHMA模態(tài)軟件分析方法及應用領域測力法（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)施加一個已知的輸入力（力傳感器測量得到），測量結構各點的響應，利用軟件的頻響函數(shù)分析模塊計算得到各點頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。利用頻響函數(shù)據(jù)，通過一定的模態(tài)參數(shù)識別方法來得到結構的模態(tài)參數(shù)。DHMA模態(tài)軟件分析方法及應用領域測力法（頻響函數(shù)法）7應用中小型結構：大型結構：應用中小型結構：大型結構：8不測力法（環(huán)境激勵法）應用：雖然測力法測量的得到模態(tài)結果比不測力法的得到的結果要準確，但是對于房屋建筑、大型橋梁等大型結構，結構無法進行人為激勵，而且環(huán)境激勵力也無法測量的情況下，只能利用響應信號來辨識結構的模態(tài)參數(shù)。環(huán)境激勵法是基于輸入為平穩(wěn)隨機過程假設下的參數(shù)識別方法。也就是說假設給結構的輸入力（環(huán)境激勵力）為隨機信號，隨機信號的功率譜為常值。如此得到的響應信號是隨機激勵下的響應信號，這樣就可以用響應信號的互譜來代替頻響函數(shù)進行參數(shù)辨識了。DHMA模態(tài)軟件分析方法及應用領域不測力法（環(huán)境激勵法）DHMA模態(tài)軟件分析方法及應用領域9應用大型建筑物：大型橋梁：應用大型建筑物：大型橋梁：10DHMA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、結點、連線的填加、刪除、移動、復制、粘貼以及參數(shù)修改等；可自動生成規(guī)則模型；為了更接近實際結構，測點之間可插入非測量結點，軟件自動根據(jù)周圍測點數(shù)據(jù)編寫非測點的約束方程。對模型可以進行平移、旋轉、放大縮小、線條顏色修改、背景顏色修改、四視圖單獨或同時顯示；數(shù)據(jù)類型及顯示

環(huán)境激勵下的時域響應數(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、雙 光標、峰光標、光標值顯示等；參數(shù)辨識

頻域峰值法、隨機子空間法、導納圓擬合法、正交多項式擬合法和時域復指數(shù)擬合法等；模態(tài)模型驗證

穩(wěn)態(tài)圖、模態(tài)置信準則（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；DHMA模態(tài)分析軟件功能幾何建模數(shù)據(jù)類型及顯示參數(shù)辨識模態(tài)11生成報告 幾何模型、靜態(tài)動畫圖形的拷貝、打印；動畫轉換成AVI文件；所有識別的模態(tài)參數(shù)文件（包括各階模態(tài)的振型數(shù)據(jù)）可保存、打印，振型文件可導出為word文件及文本文件。時域ODS動畫

將所有測點的實測數(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)，分別或同時顯示在一個或多個模型上；可以連續(xù)動畫、步進動畫、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；頻域ODS動畫

將所有測點的頻譜或頻響函數(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頻率激振下的變形情況；工作模態(tài)OMA

通過測量結構在工作狀態(tài)時的振動響應信號，進行模態(tài)參數(shù)辨識。辨識方法包括經(jīng)典的自譜、互譜等信息辨識；高級的隨機子空間法辨識；生成報告時域ODS動畫動畫顯示頻域ODS動畫工作模態(tài)OMA12錘擊法簡支梁（固支梁）模態(tài)實驗一、實驗目的1、了解模態(tài)分析基本原理；2、了解模態(tài)測試及分析方法。錘擊法簡支梁（固支梁）模態(tài)實驗一、實驗目的13二、實驗儀器安裝示意圖動態(tài)分析儀計算機系統(tǒng)及分析軟件打印機或繪圖儀簡支梁加速度傳感器力錘力傳感器二、實驗儀器安裝動態(tài)分析儀計算機系統(tǒng)及分析軟件打印機或簡支14安裝圖安裝圖15局部安裝圖局部安裝圖16三、實驗步驟實驗梁如下圖所示，長（x向）700mm，寬(y向)45mm。用單點拾振法做梁z方向的振動模態(tài)。具體實驗步驟介紹如下。

三、實驗步驟17（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（本例單點拾振法-跑激勵），敲擊點的數(shù)目視要得到的模態(tài)的階數(shù)而定，敲擊點數(shù)目要多于所要求的階數(shù)，得出的高階模態(tài)結果才可信。此例中x方向把梁分成十四等份，布置了十三個測點（兩端點視為不動點）。選取拾振點時要盡量避免使拾振點在模態(tài)振型的節(jié)點上，此處取拾振點在四號測點處。（1）測點的確定18（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。實驗梁平面圖（2）儀器連接（3）打開儀器電源，啟動DHDAS控制分析軟件19在菜單“分析(N)”選擇分析模式“單輸入頻響”。在新建的四個窗口內(nèi)，分別單擊右鍵，在“信號選擇”對話框中設定四個窗口依次為：頻響函數(shù)數(shù)據(jù)、1-1通道的時間波形、相干函數(shù)數(shù)據(jù)和1-2通道的時間波形,如下圖。在菜單“分析(N)”選擇分析模式“單輸入頻響”。20分析參數(shù)設置

l

采樣率：10KHz；l

觸發(fā)方式：信號觸發(fā)l

延遲點數(shù)：200。l

平均方式：線性平均l

預覽平均：√（4）參數(shù)設置采樣率觸發(fā)方式延遲點數(shù)平均方式預覽平均分析參數(shù)設置（4）參數(shù)設置采樣率觸發(fā)方式延遲點數(shù)平均方式21系統(tǒng)參數(shù)設置

參考通道：1-1

設定參考通道l

工程單位和靈敏度：將兩個傳感器靈敏度輸入相應的通道的靈敏度設置欄內(nèi)。傳感器靈敏度為KCH（PC/EU）表示每個工程單位輸出多少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)表中工程單位設為m/s2，則此處為PC/m/s2。靈敏度工程單位系統(tǒng)參數(shù)設置設定參考通道l

工程單位和靈敏度：將兩個傳感器靈22量程范圍：調整量程范圍，使實驗數(shù)據(jù)達到較好的信噪比。調整原則：不要使儀器過載，也不要使得信號過小。

模態(tài)參數(shù)：編寫測點號和方向。采用單點拾振法時，如果測量1號點的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)，在1-1通道（力錘信號）的模態(tài)信息/節(jié)點欄內(nèi)輸入1，測量方向輸入+Z；響應通道（加速度傳感器信號）內(nèi)輸入傳感器放置的測點號，方向為+Z。量程范圍量程范圍靈敏度測點號測量方向量程范圍：調整量程范圍，使實驗數(shù)據(jù)達到較好的信噪比。調23注意：移動敲擊時，當力錘移動到其他點進行敲擊測量時，就必須相應的修改力錘通道的模態(tài)信息/節(jié)點欄內(nèi)的測點編號。每次移動力錘后都要新建文件。用力錘敲擊各個測點，觀察有無波形，如果有一個或兩個通道無波形或波形不正常，就要檢查儀器是否連接正確、導線是否接通、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?shù)那脫袅η脫舾鳒y點，調節(jié)量程范圍，直到力的波形和響應的波形既不過載也不過小。預覽平均方式打開后，軟件在每次敲擊采集數(shù)據(jù)后，提示是否保存該次試驗數(shù)據(jù)。需要判斷敲擊信號和響應信號的質量，判斷原則為：力錘信號無連擊，信號無過載。

注意：24實驗梁的力錘敲擊信號：實驗梁的力錘敲擊信號：25(5）數(shù)據(jù)預處理調節(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，在力窗窗寬調整合適。對響應信號加指數(shù)窗。設置完成后，回放數(shù)據(jù)重新計算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。力信號加力窗響應信號加指數(shù)窗啟動回放(5）數(shù)據(jù)預處理力信號加力窗響應信號加指數(shù)窗啟動回放26（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)；打開結點信息窗口，編寫測點號；

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。（6）模態(tài)分析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27根據(jù)實際情況設定測點號單擊設定節(jié)點的Z坐標單擊設定節(jié)點的Y坐標單擊設定節(jié)點的X坐標根據(jù)實際情況設定測點號單擊設定節(jié)點的Z坐標單擊設定節(jié)點的Y坐28導入頻響函數(shù)數(shù)據(jù)：單擊工具欄按鈕“導入數(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：單點拾振法。單擊“選擇文件”按鈕，將每個測點的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)讀入模態(tài)軟件，本次實驗共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，或者單獨選中所有頻響文件導入頻響函數(shù)數(shù)據(jù)：單擊工具欄按鈕“導入數(shù)據(jù)”，新建一數(shù)29參數(shù)識別：首先光標選擇一個頻段的數(shù)據(jù)，點擊參數(shù)識別按鈕，搜索峰值，計算頻率阻尼及留數(shù)（振型）。光標設定范圍搜索峰值光標設定范圍光標設定范圍參數(shù)識別：首先光標選擇一個頻段的數(shù)據(jù)，點擊參數(shù)識別按30頻率計算方法留數(shù)計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)文件頻率計算方法留數(shù)計算方法顯示頻率留數(shù)將頻率阻尼保振型存于模態(tài)31（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