机械系统建模与仿真第三章优质PPT.ppt

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两种。

不管是原型试验还是模型试验，试验结构不管是原型试验还是模型试验，试验结构边界条件边界条件都是要考都是要考虑的重要因素，不同边界条件的结构特性可能完全不同。

虑的重要因素，不同边界条件的结构特性可能完全不同。

从力学意义上考虑，边界条件可分为从力学意义上考虑，边界条件可分为几何边界条件、力边界几何边界条件、力边界条件、运动边界条件条件、运动边界条件等；

在模态实验中，对系统固有特性影等；

在模态实验中，对系统固有特性影响最大的是几何边界条件，也即试验结构的支撑条件。

支撑响最大的是几何边界条件，也即试验结构的支撑条件。

支撑条件一般有条件一般有自由支撑、固定支撑和原装支撑自由支撑、固定支撑和原装支撑。

一、自由支撑一、自由支撑事实上，根难达到完全自由的约束状态。

为此，采用的支撑事实上，根难达到完全自由的约束状态。

为此，采用的支撑应尽量柔软，即应尽量柔软，即具有较低的支撑刚度和阻尼具有较低的支撑刚度和阻尼。

这样的支撑称。

这样的支撑称为为自由支撑自由支撑。

经常采用的方式有橡皮绳悬挂、弹簧悬挂、气。

经常采用的方式有橡皮绳悬挂、弹簧悬挂、气垫支撑、空气弹簧支撑、螺旋弹簧支撑等等。

垫支撑、空气弹簧支撑、螺旋弹簧支撑等等。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量有些边界条件非完全自由而受有些边界条件非完全自由而受弱约束弱约束的结构也可以采用自的结构也可以采用自由支撑。

由支撑。

二、固定支撑二、固定支撑固定支撑用于结构承受固定支撑用于结构承受刚性约束刚性约束的情形，故又称的情形，故又称刚性支刚性支撑撑，加高层建筑、大坝的模型试验需采用固定支撑。

，加高层建筑、大坝的模型试验需采用固定支撑。

三、三、原装支撑原装支撑原装支撑是原装支撑是广泛应用广泛应用的一种支撑方式。

事实上，自由支撑的一种支撑方式。

事实上，自由支撑和固定支撑都是原装支撑的特殊情况。

对完整结构来说，和固定支撑都是原装支撑的特殊情况。

对完整结构来说，原装支撑是原装支撑是最优边界模拟最优边界模拟。

以上三种支撑方式并无优劣之分，而是视具体问题而定。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量3.2激励方式激励方式在模态实验中，不同的参数识别方法对频响函数测试的要求在模态实验中，不同的参数识别方法对频响函数测试的要求不同，因而所选不同，因而所选激励方式激励方式也不同。

一般来讲，激励方式有也不同。

一般来讲，激励方式有单点单点激励、多点激励和单点分区激励激励、多点激励和单点分区激励。

一、一、单点激励单点激励单点激励是单点激励是最简单、最常用最简单、最常用的激励方式。

所谓单点激励，的激励方式。

所谓单点激励，是指对测试结构一次只激励一个点的一个方向，而在其他是指对测试结构一次只激励一个点的一个方向，而在其他任何坐标上均没有激励作用。

任何坐标上均没有激励作用。

二、二、多点激励多点激励多点激励是指对多点激励是指对多个点同时多个点同时施加激振力的激励方式。

显然，施加激振力的激励方式。

显然，输入系统的激励能量会成倍增加，向时，也增加了激振的复输入系统的激励能量会成倍增加，向时，也增加了激振的复杂性。

杂性。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量多点激励具有以下主要特点：

多点激励具有以下主要特点：

不易遗漏模态；

输入能量大且传递均匀，获得的频响函数信噪比高；

一次性获得频响函数矩阵，比单点激励分别求出的频响函一次性获得频响函数矩阵，比单点激励分别求出的频响函数矩阵一致性要好。

数矩阵一致性要好。

三、三、单点分区激励单点分区激励对较大型结构，采用多点激励能获得满意的频响函数。

对较大型结构，采用多点激励能获得满意的频响函数。

然而，由于激励设备复杂，许多测试单位并不具备多点然而，由于激励设备复杂，许多测试单位并不具备多点激励的条件。

为此，可采用激励的条件。

为此，可采用单点分区激励技术单点分区激励技术。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量单点分区激励的单点分区激励的基本假设基本假设是，单点激励仍能激发出系统的是，单点激励仍能激发出系统的各阶模态，但只在激振点各阶模态，但只在激振点附近附近的的响应较大响应较大，远离激振点的，远离激振点的响应可以较小。

响应可以较小。

该方法的该方法的基本思想基本思想是，将被测结构分成几个区，在每个区是，将被测结构分成几个区，在每个区域内实施单点激励并测出该区内各点之间的频响函数；

最域内实施单点激励并测出该区内各点之间的频响函数；

最后，再测出各区域激励点之间的频响函数，将各区频响函后，再测出各区域激励点之间的频响函数，将各区频响函数联系起来。

各区频响函数组成整体结构的频响函数，以数联系起来。

各区频响函数组成整体结构的频响函数，以此识别整体模态振型。

此识别整体模态振型。

用单点分区激励做模态分析的方法相当于在原装支撑下子用单点分区激励做模态分析的方法相当于在原装支撑下子结构模态综合法，但比一般的子结构方法要简单得多，且结构模态综合法，但比一般的子结构方法要简单得多，且不存在联接条件处理上的误差，是一种值得推广的方法。

不存在联接条件处理上的误差，是一种值得推广的方法。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量3.3激励装置激励装置激励有人工激励和自激励激励有人工激励和自激励（自然激励自然激励）。

人工激励人工激励即通常所说的即通常所说的激励，根据需要通过一定的激励装置施加于被测结构上。

自激励，根据需要通过一定的激励装置施加于被测结构上。

自激励是施加于实体结构上的自然力，如风载荷、波浪载荷、激励是施加于实体结构上的自然力，如风载荷、波浪载荷、机器运转时的动力源等等。

机器运转时的动力源等等。

典型的激励装置有典型的激励装置有激振器系统、冲击锤、阶跃激励激振器系统、冲击锤、阶跃激励装置。

装置。

一、一、激振器系统激振器系统激振器一般必须与信号发生器、功率放大器一起组成激励激振器一般必须与信号发生器、功率放大器一起组成激励系统才可使用。

激振器系统如图系统才可使用。

激振器系统如图3-1所示。

所示。

图图3-1激振器激励系统激振器激励系统第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量二、二、冲击锤冲击锤冲击锤又称冲击锤又称力锤力锤，是模态实验中另一种常用的激励装置。

，是模态实验中另一种常用的激励装置。

锤击激励提供的是一种瞬态激励，这种激励只需一把冲锤击激励提供的是一种瞬态激励，这种激励只需一把冲击锤即可实现。

击锤即可实现。

冲击锤锤头可有不同的重量，以得到不同能量的冲击锤锤头可有不同的重量，以得到不同能量的激励信号激励信号。

冲击锤激励，使用方便、对工作环境适应性较强且能得到冲击锤激励，使用方便、对工作环境适应性较强且能得到相当满意的结果，特别适于现场测试，故一般工程测试单相当满意的结果，特别适于现场测试，故一般工程测试单位中均将锤击激励作为优先考虑的激励方式之一。

位中均将锤击激励作为优先考虑的激励方式之一。

三、三、阶跃激励装置阶跃激励装置阶跃激励是模态实验中阶跃激励是模态实验中特有的特有的一种激励方式，它是通过一种激励方式，它是通过突加突加或突卸力载荷或突卸力载荷（或位移或位移）实现对系统的瞬态激励。

阶跃激励的实现对系统的瞬态激励。

阶跃激励的特点是能给结构输入很大的能量，适于大型、重型结构的模特点是能给结构输入很大的能量，适于大型、重型结构的模态分析，一般只能激励出系统的较低几阶主振动。

态分析，一般只能激励出系统的较低几阶主振动。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量3.4激励信号激励信号模态实验中常用的激励信号分为模态实验中常用的激励信号分为稳态正弦信号、纯随机倍稳态正弦信号、纯随机倍号、周期信号和瞬态信号号、周期信号和瞬态信号。

一、一、稳态正弦信号稳态正弦信号这是一种测量频率响应的经典方法，这是一种测量频率响应的经典方法，它提供给被测系它提供给被测系统的激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号统的激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点测出激励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。

处的频率响应的大小。

激励系统一般由激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器正弦信号发生器、功率放大器和电磁激振器和电磁激振器组成，测量系统由跟踪滤波器、峰值电组成，测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。

压表和相位计组成。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量二、二、纯随机信号纯随机信号纯随机信号又称纯随机信号又称白噪声信号白噪声信号。

理论上的纯随机信号是具有。

理论上的纯随机信号是具有高高斯分布斯分布的白噪声，在整个时间历程上都是随机的，不具有周的白噪声，在整个时间历程上都是随机的，不具有周期性。

频率域上是一条平直的直线，包含期性。

频率域上是一条平直的直线，包含0-的频率成分，且的频率成分，且任何频率成分所包含的能量相等。

任何频率成分所包含的能量相等。

三、三、周期信号周期信号模态实验中常用的周期信号有模态实验中常用的周期信号有快速扫频正弦信号、伪随机快速扫频正弦信号、伪随机信号和周期随机信号信号和周期随机信号三种。

三种。

1快速扫频正弦信号快速扫频正弦信号它是一种典型的周期信号。

它是一种典型的周期信号。

这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（在数秒钟内完成），激振信号频率在扫描周期激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，内成线性增加，而幅值保持恒定而幅值保持恒定。

扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量图3-2快速扫频正弦信号（a）线性扫频；

（b）对数扫频第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量2伪随机信号伪随机信号它是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。

这种方法的优点在于试验的可重复性。

将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。

3周期随机信号周期随机信号它实际是一种统计特性变化的伪随机它实际是一种统计特性变化的伪随机信号；

在每个周期内，都是一种伪随机信号，但各个周期信号；

在每个周期内，都是一种伪随机信号，但各个周期内的伪随机信号统计特性不同，即各周期内的伪随机信号内的伪随机信号统计特性不同，即各周期内的伪随机信号互不相关。

互不相关。

周期随机信号综合了纯随机信号和伪随机信号的优点，既周期随机信号综合了纯随机信号和伪随机信号的优点，既具具周期性，又具随机性周期性，又具随机性，从而也避免了两种信号的缺点。

，从而也避免了两种信号的缺点。

第三讲第三讲时间历程的测量时间历程的测量瞬态信号的形式和产生方式有多种：

有信号发生器产生的瞬态信号的形式和产生方式有多种：

有信号发生器产生的扫频正弦猝发信号扫频正弦猝发信号和和随机猝发信