模態(tài)分析的通俗解釋_第1頁
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-.z.MODALSPACE-INOUROWNLITTLEWORLD模態(tài)空間–在我們自己的小世界中PeteAvitabile著westrongmc譯Couldyoue*plainmodalanalysisforme"Well...itwilltakealittlebitbuthere'sonethatanyonecanunderstand.你能為我解釋模態(tài)分析嗎.嗯…說來有點話長,但下面的解釋人人都可理解。You'renotthefirstonetoaskmetoe*plainmodalanalysisinsimpletermssoanyonecanunderstandit.Inanutshell,wecouldsaythatmodalanalysisisaprocesswherebywedescribeastructureintermsofitsnaturalcharacteristicswhicharethefrequency,dampingandmodeshapes-itsdynamicproperties.Wellthat'samouthfulsolet'se*plainwhatthatmeans.Withoutgettingtootechnical,Ioftene*plainmodalanalysisintermsofthemodesofvibrationofasimpleplate.Thise*planationisusuallyusefulforengineerswhoarenewtovibrationsandmodalanalysis.請我用簡單的概念來解釋模態(tài)分析,以便任何人都可以理解它,你不是第一個人。簡言之,模態(tài)分析是一種方法,籍此,可以根據(jù)構(gòu)造的頻率、阻尼和振型等固有屬性-其動態(tài)特性-來描述構(gòu)造。這真夠拗口的,那我們來解釋這是什么意思。不鉆技術牛角尖,我經(jīng)常用一個簡單平板的振動模態(tài)來解釋模態(tài)分析。對于剛接觸振動及模態(tài)分析的工程師們來講,這種解釋向來有益。Let’sconsiderafreelysupportedflatplate.Let'sapplyaconstantforcetoonecorneroftheplate.Weusuallythinkofaforceinastaticsensewhichwouldcausesomestaticdeformationintheplate.ButherewhatIwouldliketodoistoapplyaforcethatvariesinasinusoidalfashion.Let'sconsiderafi*edfrequencyofoscillationoftheconstantforce.Wewillchangetherateofoscillationofthefrequencybutthepeakforcewillalwaysbethesamevalue-onlytherateofoscillationoftheforcewillchange.Wewillalsomeasuretheresponseoftheplateduetothee*citationwithanaccelerometerattachedtoonecorneroftheplate.考慮一個自由支撐平板,施加常力于平板一角。我們通常從靜態(tài)的意義上來對待一個力,它在平板引起*種靜態(tài)變形。但這里我要做的是施加一個按正弦方式變化的力,振蕩頻率固定的常力。我們將改變振蕩頻率,但不改變力的峰值-僅是力的振蕩頻率改變。另在平板一角安裝一加速度計來測量鼓勵引起的平板響應。Nowifwemeasuretheresponseontheplatewewillnoticethattheamplitudechangesaswechangetherateofoscillationoftheinputforce.Therewillbeincreasesaswellasdecreasesinamplitudeatdifferentpointsaswesweepupintime.Thisseemsveryoddsinceweareapplyingaconstantforcetothesystemyettheamplitudevariesdependingontherateofoscillationoftheinputforce.Butthisise*actlywhathappens-theresponseamplifiesasweapplyaforcewitharateofoscillationthatgetscloserandclosertothenaturalfrequency(orresonantfrequency)ofthesystemandreachesama*imumwhentherateofoscillationisattheresonantfrequencyofthesystem.Whenyouthinkaboutit,that'sprettyamazingsinceIamapplyingthesamepeakforceallthetime-onlytherateofoscillationischanging!如果現(xiàn)在測量平板響應,注意到當改變輸入力的振蕩頻率時,響應幅值也發(fā)生變化。頻率升高過程中,不同時刻點上,幅值有增也有減。這好似很奇怪,因為我們施加常力于系統(tǒng),響應幅值卻隨輸入力的振蕩速率而變化。但這確確實實發(fā)生了——當施加的力的振蕩速率越來越接近于系統(tǒng)固有頻率〔或共振頻率〕時,響應增大,當振蕩速率為系統(tǒng)固有頻率時,響應到達最大值。想想看,這真令人驚奇,因為我每時每刻都施加了一樣幅值的力-僅僅是振蕩速率改變而已!Thistimedataprovidesveryusefulinformation.ButifwetakethetimedataandtransformittothefrequencydomainusingtheFastFourierTransformthenwecanputesomethingcalledthefrequencyresponsefunction.Nowtherearesomeveryinterestingitemstonote.Weseethattherearepeaksinthisfunctionwhichoccurattheresonantfrequenciesofthesystem.Nowwenoticethatthesepeaksoccuratfrequencieswherethetimeresponsewasobservedtohavema*imumresponsecorrespondingtotherateofoscillationoftheinpute*citation.這個時域數(shù)據(jù)提供了非常有用的信息。但是如果采集到時域數(shù)據(jù),并利用快速傅立葉變換將它變換到頻域,則可以求得所謂的頻響函數(shù)?,F(xiàn)在有幾點要關注:系統(tǒng)共振頻率處,這個函數(shù)上有峰值。輸入鼓勵的振蕩速率等于峰值頻率的位置,觀察到了時域最大響應。Nowifweoverlaythetimetracewiththefrequencytracewhatwewillnoticeisthatthefrequencyofoscillationatthetimeatwhichthetimetracereachesitsma*imumvaluecorrespondstothefrequencywherepeaksinthefrequencyresponsefunctionreachama*imum.Soyoucanseethatwecanuseeitherthetimetracetodeterminethefrequencyatwhichma*imumamplitudeincreasesoccurorthefrequencyresponsefunctiontodeterminewherethesenaturalfrequenciesoccur.Clearlythefrequencyresponsefunctioniseasiertoevaluate.現(xiàn)在如果將時域波形跟頻響圖形疊加在一起,會注意到時域波形到達最大值時的振蕩頻率與頻響函數(shù)最大峰處的頻率相一致。所以,既可以利用時域波形來確定幅值到達最大值處的頻率,也可以用頻響函數(shù)來確定固有頻率何處發(fā)生。顯然,用頻響函數(shù)更容易求。Youthoughtitwasprettyamazinghowthestructurehasthesenaturalcharacteristics.Well,thedeformationpatternsatthesenaturalfrequenciesalsotakeonavarietyofdifferentshapesdependingonwhichfrequencyisusedforthee*citationforce.構(gòu)造為何具有這些固有屬性,你感到大為驚奇。對了,在這些固有頻率處,變形形式也大為不同,依賴于激振力用哪個頻率。Nowlet'sseewhathappenstothedeformationpatternonthestructureateachoneofthesenaturalfrequencies.Let'splace45evenlydistributedaccelerometersontheplateandmeasuretheamplitudeoftheresponseoftheplatewithdifferente*citationfrequencies.Ifweweretodwellateachoneofthefrequencies-eachoneofthenaturalfrequencies-wewouldseeadeformationpatternthate*istsinthestructure.Thefigureshowsthedeformationpatternsthatwillresultwhenthee*citationcoincideswithoneofthenaturalfrequenciesofthesystem.Weseethatwhenwedwellatthefirstnaturalfrequency,thereisafirstbendingdeformationpatternintheplateshowninblue.Whenwedwellatthesecondnaturalfrequency,thereisafirsttwistingdeformationpatternintheplateshowninred.Whenwedwellatthethirdandfourthnaturalfrequencies,thesecondbendingandsecondtwistingdeformationpatternsareseeningreenandmagenta,respectively.Thesedeformationpatternsarereferredtoasthemodeshapesofthestructure.(That'snotactuallyperfectlycorrectfromapuremathematicalstandpointbutforthesimplediscussionhere,thesedeformationpatternsareveryclosetothemodeshapes,forallpracticalpurposes.)好了,我們來看一看,在每個固有頻率處,構(gòu)造上的變形形式是怎樣的。在平板上均布45個加速度計,測量不同激振頻率的平板響應幅值。如果在每個頻率處駐留——

每次一個固有頻率——可以觀察構(gòu)造上的變形形式。圖中顯示了按*一階系統(tǒng)固有頻率鼓勵時,得到的變形形式。在第一階固有頻率駐留時,平板具有第一階彎曲變形形式,如藍色所示。在第二階固有頻率駐留時,平板具有第一階扭轉(zhuǎn)變形形式,如紅色所示。在第三、四階固有頻率駐留時,第二階彎曲和第二階扭轉(zhuǎn)變形形式如綠色和紫紅色所示。這些變形形式稱為構(gòu)造的模態(tài)振型?!矎募兇鈹?shù)學角度講,這不完全正確。但事實上,此處簡單討論起見,這些變形形式非常接近于模態(tài)振型?!砃owthesenaturalfrequenciesandmodeshapesoccurinallstructuresthatwedesign.Basically,therearecharacteristicsthatdependontheweightandstiffnessofmystructurewhichdeterminewherethesenaturalfrequenciesandmodeshapeswille*ist.Asadesignengineer,Ineedtoidentifythesefrequenciesandknowhowtheymightaffecttheresponseofmystructurewhenaforcee*citesthestructure.Understandingthemodeshapeandhowthestructurewillvibratewhene*citedhelpsthedesignengineertodesignbetterstructures.Nowthereismuchmoretoitallbutthisisjustaverysimplee*planationofmodalanalysis.你看,我們設計的所有構(gòu)造都具有這些固有頻率和模態(tài)振型。從本質(zhì)上講,這些特性依賴于構(gòu)造的質(zhì)量和剛度,它決定了固有頻率和模態(tài)振型存于何處。作為設計工程師,需要識別這些頻率,并且需要知道當力鼓勵構(gòu)造時,它們是如何影響構(gòu)造響應的。理解模態(tài)振型和受激構(gòu)造如何振動,將有助于設計工程師設計出更優(yōu)的構(gòu)造。然而模態(tài)分析的容很多,這只是一個非常簡單的解釋。Nowwecanbetterunderstandwhatmodalanalysisisallabout-itisthestudyofthenaturalcharacteristicsofstructures.Boththenaturalfrequencyandmodeshape(whichdependsonthemassandstiffnessdistributionsinmystructure)areusedtohelpdesignmystructuralsystemfornoiseandvibrationapplications.Weusemodalanalysistohelpdesignalltypesofstructuresincludingautomotivestructures,aircraftstructures,spacecraft,puter

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