模态分析的应用及它的试验模态分析

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模态分析的应用及它的试验模态分析

一．模态分析的概念
　　模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。
　　模态分析最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
　　模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：
　　1) 评价现有结构系统的动态特性；
　　2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；
　　3) 诊断及预报结构系统的故障；
　　4) 控制结构的辐射噪声；
　　5) 识别结构系统的载荷。
　　机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。

二.模态分析方法
　　近十多年来，由于计算机技术、FFT 分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件
与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：
　　（1）动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析
　　　　1）激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。
　　　　2）数据采集。SISO 方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。SIMO 及MIMO 的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。
　　　　3）时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。
　　（2）建立结构数学模型
　　　　根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依据。目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。
　　（3）参数识别
　　　　按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型，激励方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相应的参数识别方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，即使用较简单的识别方法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，则识别的结果一定不会理想。
　　（4）振形动画
　　　　参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振形。由于结构复杂，由许多自由度组成的振形也相当复杂，必须采用动画的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。

　　以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程。而支持这个过程的除了激振拾振装置、双通道FFT 分析仪、台式或便携式计算机等硬件外，还要有一个完善的模态分析软件包。通用的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何物征，设置多种坐标系，划分多个子结构，具有多种拟合方法，并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画显示。
附：
　　模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
附：
模态分析的发展
　　模态分析与参数辨识作为结构动力学中的一种逆问题分析方法并在工程实践中应用是从60 年代中、后期开始，至今已有近四十年的历史了。这一技术首先在航空、宇航及汽车工业中开始发展。由于电子技术、信号处理技术与设备的发展，到80 年代末
这项技术已成为工程中解决结构动态性能分析、振动与噪声控制、故障诊断等问题的重要工具。目前这一技术已渐趋成熟。在我国，由于"文化大革命"的影响，对这一技术的研究起步比国外落后了整整十年。70 年代中期在我国只有极少数学者在这方面进行一些探索。到70 年代后期，模态分析（当时称机械阻抗）这一概念才逐步被我国科技界所了解。"文革"结束后，在这一领域中的研究如雨后春笋般地展开。经过二十余年的急起直追，到目前为止模态分析技术已在我国各个工程领域中广泛应用，成为一种解决工程问题的重要手段。在这二十余年的发展中，模态分析与试验学会所组织的全国性的学术交流活动起着重要作用。第一届学术交流会（当时称机械阻抗与参数识别）是1978 年在西安召开的，虽然参加的人数较少，但这是一次介绍新技术的学习会议，它对促进我国模态分析的发展起着重要作用。此后1980、1982、1985、1988、1991、1995、1998、1999、2002 年分别在长沙、郑州、上海、大庸、武夷山、山东、山西、广东、北京召开了第二、三、四、五、六、七、八、九、十届全国模态分析与试验学术交流会。这几次会议对模态分析的研究工作起着重要作用。1985 年第四届全国会议上成立了中国模态分析与试验研究会，这一全国性学术组织的成立大大促进了模态分析技术在我国的发展，并对中国振动工程学会的成立起到促进作用。1986 年中国振动工程学会正式成立后，模态分析与试验研究会并入中国振动工程学会作为它的一个下属专业分会，并正式改名为中国振动工程学会模态分析与试验专业委员会。2002 年4 月经民主选举，产生了第四届专业委员会及常务委员会，在新形势下组织、指导有关学术研究工作。同年12 月在北京召开了第十届学术会议，与会代表宣读的论文大部分涉及模态分析理论在工程中的应用，鉴于我国国民经济新形势与新发展，会议决定加强模态分析技术在工程中的应用将是今后、特别是近期内主要方向。
　　尽管我国在模态分析领域里的研究工作起步较晚，但二十余年来的发展还是十分迅速。在理论与方法的研究上我国目前已接近国际先进水平，从历届国际模态分析会议（IMAC）上所发表的论文数量来看，我国已进入"大国"的行列，在工程应用方面模态分析已渗透到我国各个工程领域，并取得了不少成就。例如，某型火箭全装置的实物模态试验保证了火箭的准确发射与导航，防止了发射的失败；模态分析与参数识别技术曾被成功地用于解决某型航空发动机的严重振动故障，取得重大经济及社会效益；某型鱼雷全装置实物水下模态试验为鱼雷的振动与噪声控制确保导航性能提供了技术依据；远东第一高塔的上海东方明珠电视塔的振动模态试验，为高塔的抗风抗地震安全性设计提供了技术依据；目前世界上跨度第一的斜拉索杨浦大桥的振动试验对大桥抗风振动的安全性分析与故障诊断提供了技术依据；建立在模态分析技术上的桩基断裂检测技术已在高层建筑施工中广泛应用，提高了桩基的质量，确保高层建筑的安全；……等等，这些成就不胜枚举。总之，二十余年的发展是迅速的，成就是显著的，回顾这一发展过程和取得的成就，可更激励我们朝着新的目标奋发前进。
　　模态分析技术发展到今天已趋成熟，特别是线性模态理论方面的研究已日臻完善，但在工程应用方面还有不少工作可做。首先是如何提高模态分析的精度，扩大应用范围。增加模态分析的信息量是提高分析精度的关键，单靠增加传感器的测点数目很难实现，目前提出的一种激光扫描方法是大大增加测点数的有效办法，测点数目的增加随之而来的是增大数据采集与分析系统的容量及提高分析处理速度，在测试方法、数据采集与分析方面还有不少研究工作可做。对复杂结构空间模态的测量分析、频响函数的耦合、高频模态检测、抗噪声干扰……等等方面的研究尚需进一步开展。模态分析当前的一个重要发展趋势是由线性向非线性问题方向发展。
　　非线性模态的概念早在1960 年就由Rosenberg 提出，虽有不少学者对非线性模态理论进行了研究，但由于非线性问题本身的复杂性及当时工程实践中的非线性问题并未引起重视，非线性模态分析的发展受到限制。近年来在工程中的非线性问题日益突出，
因此非线性模态分析亦日益受到人们的重视。最近已逐步形成了所谓非线性模态动力学。
　　关于非线性模态的正交性、解耦性、稳定性、模态的分叉、渗透等问题是当前研究的重点。在非线性建模理论与参数辨识方面的研究工作亦是当今研究的热点。非线性系统物理参数的识别、载荷识别方面的研究亦已开始。展望未来，模态分析与试验技术仍
将以新的速度，新的内容向前发展。
附：关于模态试验的些问题
1. 模态试验时如何选择最佳悬挂点
模态试验时，一般希望将悬挂点选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点。
2. 模态试验时如何选择最佳激励点
最佳激励点视待测试的振型而定，若单阶，则应选择最大振幅点，若多阶，则激励点处各阶的振幅都不小于某一值。如果是需要许多能量才能激励的结构，可以考虑多选择几个激励点。
3. 模态试验时如何选择最佳测试点
模态试验时测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点。在最佳测试点位置其ADDOF(Average Driving DOF Displacement)值应该较大，一般可用EI(Effective Independance)法确定最佳测试点。
4. 模态参数有那些
模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。
5. 什么是主模态、主空间、主坐标
无阻尼系统的各阶模态称为主模态，各阶模态向量所张成的空间称为主空间，其相应的模态坐标称为主坐标。
6. 什么是模态截断
理想的情况下我们希望得到一个结构的完整的模态集，实际应用中这即不可能也不必要。实际上并非所有的模态对响应的贡献都是相同的。对低频响应来说，高阶模态的影响较小。对实际结构而言，我们感兴趣的往往是它的前几阶或十几阶模态，更高的模态常常被舍弃。这样尽管会造成一点误差，但频响函数的矩阵阶数会大大减小，使工作量大为减小。这种处理方法称为模态截断。
什么是阶？
一个弹性体，在一定的约束下，会以某（些）个方式振动。譬如一个弹簧，可能伸缩振动，也可能弯曲振动。每一个振动方式，都有一个对应的振动频率，即固有频率。模态分析，就是用有限元的方法，在某个范围内（譬如3000Hz 以下），找出这些振动方式及其对应的频率。把这些振动方式按其频率的大小排排队，最小的那个，就叫1 阶，第二小的那个，就叫2 阶，以此类推。当外界激励会激起弹性体的某个振动方式，而这个外界激励的频率又恰好等于那个振动方式所对应的固有频率时，就会发生共振。
载荷改变固有频率
对于载荷是否会改变固有频率，我理解是，如果原来结构的质量分布和刚度由于载荷所引起的改变可以忽略不计的话，那么这个载荷就不会改变该结构的固有频率。对于一般弹性体，在小变形的情况下，这是成立的。载荷改变固有频率的一个例子是琴弦。这是因为外加的拉力增加了琴弦的刚度。
为什么书上说是为了在后处理中显示振型，可不扩展也能显示呀，而且扩展后的模态频率与不扩展的都不一样？
扩展模态是为了显示初次计算出的固有频率以外的频率对应的信息，所以如果你关系的不只是固有频率处的点的话，这个扩展就很有必要了。这个扩展前和扩展后的不同就像我们数值分析中的插值和拟合。你现在如果有一堆数据，然后拟合个多项式，然后你再用此多项式来反求你原来数据对应的点，就会发现原来的数据点的值和现在不同了，但是差别不是很大，原因当然是拟合以后的曲线变光滑了，但产生了误差。而插值则在原来的数据点上对应值不变化！
7. 什么是实模态和复模态？
按照模态参数（主要指模态频率及模态向量）是实数还是复数，模态可以分为实模态和复模态。对于无阻尼或比例阻尼振动系统，其各点的振动相位差为零或180 度，其模态系数是实数，此时为实模态；对于非比例阻尼振动系统，各点除了振幅不同外相位差也不一定为零或180 度，这样模态系数就是复数，即形成复模态。

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