结构振动测试技术Word文档格式.docx

1、模态分析是在成认实际结构可以运用所谓“模态模型来描述其动态响应的条件下，通 过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数 ，是一种参数识别的方法。模态分析的实质，是一种坐标转换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量， 放到所谓“模态坐标系统中来描述。这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特 征向量。也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程， 分别描述振动系统的各 阶振动形式，每个坐标均可单独求解，得到系统的某阶结构参数。经离散化处理后，一个结构的动态特性可由 N阶矩阵微分方程描述:Mx 亠 Cx 亠 Kx=ft式中ft为N维激振向量；x，x，x分别为n维位移、速度和加速度响

2、应向量； M、K、C分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称 N阶矩阵。s为变设系统的初始状态为零，对方程式1两边进行拉普拉斯变换，可以得到以复数 量的矩阵代数方程Ms 2 -Cs K x s = F s式中的矩阵Z s = Ms 2 Cs - K 反映了系统动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。其逆矩阵H s i；二 Ms 2 Cs K称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。由式 2可知在上式中令s=jw，即可得到系统在频域中输出响应向量 * 和输入*的关系式X = H ，F ，式中H3为频率响应函数矩阵。 H3矩阵中第i行第j列的元素XiFj 等于仅在j坐标激振其余坐标激振为零时，

3、 i坐标响应与激振力之比。2（8）Z . - K . M j .CC也满足振型正交性关系利用实际对称矩阵的加权正交性，有1丁皿=mrT KO =kr其中矩阵门-肾，“，：称为振型矩阵，假设阻尼矩阵Cr代入8式得到Zr因此上式中,、kr，分别为第CrNH ij = 2 2r 土 m r 舉 r -o巴 Cr丿r 2mrcorr阶模态质量和模态刚度ri rj-j2 / r又称为广义质量和广义刚度。mr、（10）分别为第r阶模态频率、模态阻尼比和模态振型。N个单自由度系统频率响应的线形叠加。为不难发现，N自由度系统的频率响应，等于了确定全部模态参数， mr、 r、 ；，r =1,2,，N实际上只需测

4、量频率响应矩阵的一列对应一点激振，各点测量的 H 或一行对应依次各点激振，一点测量的 H就够了。试验模态分析或模态参数识别的任务就是由一定频段内的实测频率响应函数数据，确定系统的模态参数 模态频率r 、 模态阻尼比 r和振型二r1,边,，n ,r二1,2,3, ,n n为系统在测试频段内的模态数。3、模态分析方法和测试过程1鼓励方法为进行模态分析，首先要测得激振力及相应的响应信号， 进行传递函数分析。 传递函数 分析实质上就是机械导纳，i和j两点之间的传递函数表示在 j点作用单位力时，在i点所引 起的响应。要得到i和j点之间的传递导纳，只要在 j点加一个频率为，的正弦的力信号激 振，而在i点测

5、量其引起的响应，就可得到计算传递函数曲线上的一个点。如果 是连续变化的，分别测得其相应的响应，就可以得到传递函数曲线。然后建立结构模型，采用适当的方法进行模态拟合， 得到各阶模态参数和相应的模态振型动画，形象地描述出系统的振动型态。根据模态分析的原理， 我们要测得传递函数模态矩阵中的任一行或任一列， 由此可采用不同的测试方法。 要得到矩阵中的任一行， 要求采用各点轮流鼓励， 一点响应的方法；要得 到矩阵中任一列，采用一点鼓励，多点测量响应的方法。实际应用时，单击拾振法，常用锤 击法激振，用于结构较为轻小，阻尼不大的情况。对于笨重、大型及阻尼较大的系统，那么常 用固定点激振的方法，用激振器鼓励，

6、以提供足够的能量。还有一点是单点拾振法，当结构常因过于巨大和笨重， 以至于采用单点激振时不能提供足够的能量，把我们感兴趣的模态鼓励出来。 或者是在结构同一频率时可能有多个模态， 这样单点激振就不能把它们别离出来， 这时就需要采用多点激振的方法， 采用两个甚至更多的鼓励来激发结构的振动。1 结构安装方式在测试中使结构系统处于什么状态，是试验准备工作的一个重要方面。一种经常采用的状态是自由状态。 即使试验对象在任一坐标上都不与地面相连接， 自由地悬浮在空中。如放在很软的泡沫塑料上；或用很长的柔索将结构吊起而在水平方向激振， 可认为在水平方向处于自由状态。 另一种是地面支承状态，结构上有一点或假设干

7、点与地面固结。如果在我们所关心的是实际情况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行 试验。但最好还是自由支承为佳。因为自由状态具有更多的自由度 。四、实验步骤有一根梁如图12-2所示，长x向500m m,宽y向50mm，欲使用多点敲击、单点响应方法做其z方向的振动模态，可按以下步骤进行。1测点确实定此梁在y、z方向尺寸和x方向尺寸相差较大，可以简化为杆件，所以只需在,敲击点的数目视要x方向顺序布置假设干敲击点即可本例采用多点敲击、单点响应方法得到的模态的阶数而定， 敲击点数目要多于所要求的阶数， 得出的高阶模态结果才可信 。此 例中x方向把梁分成十六等份， 即可布十七个测点。 选取拾振点

8、时要尽量防止使拾振点在模 态振型的节点上，此处取拾振点在六号点处。2 仪器连接仪器连接如图12-3所示，其中力锤上的力传感器接动态采集分析仪的第一通道即振动测量通道，压电加速度传感器接第二通道振动测试通道 。图12-3仪器连接及传感器分布示意图（3）翻开仪器电源，启动 DHDAS2003控制分析软件，选择分析/频响函数分析功能。在新建的四个窗口内，分别显示频响函数数据、 1-1 通道的时间波形、相干函数和 1-2 通道的时间波形。（ 4） 参数设置翻开动态采集分析仪电源，启动 DHDAS2003软件，选择分析/频响函数分析，翻开新窗 口，点击右键， 信号选择 /选择频响函数 。分析参数设置采样

9、率：1.28KHZ（分析频率取整）采样方式：瞬态 触发方式：信号触发 延迟点数： -200平均方式：线性平均平均次数： 4时域点数 :1024 或 2048预览平均：“系统参数设置参考通道： 1-1工程单位和灵敏度： 将两个传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。 传感器灵 敏度为Kch （ PC/EU）表示每个工程单位输出多少 PC的电荷，如是力，而且参数表中工 程单位设为牛顿 N,那么此处为PC/N;如是加速度，而且参数表中工程单位设为 m/s2 ,那么此处为 PC/ m/s2量程范围： 调整量程范围， 使实验数据到达较好的信噪比。 调整原那么： 不要使仪器过载， 也不要使得信号过小。

10、1 号点的频响函数数据，模态参数：编写测点号和方向。采用单点拾振法时，如果测量在1-1通道（力锤信号）的模态信息 /节点栏内输入1，测量方向输入+Z;响应通道（加 速度传感器信号）内输入传感器放置的测点号，方向为 +Z。注意 ：移动敲击时， 当力锤移动到其他点进行敲击测量时，就必须相应的修改力锤通道的模态信息 /节点栏内的测点编号。每次移动力锤后都要新建文件。用力锤敲击各个测点， 观察有无波形， 如果有一个或两个通道无波形或波形不正常， 就 要检查仪器是否连接正确、 导线是否接通、 传感器、 仪器的工作是否正常等等， 直至波形正确为止。 使用适当的敲击力敲击各测点， 调节量程范围， 直到力的波

11、形和响应的波 形既不过载也不过小。预览平均方式翻开后， 软件在每次敲击采集数据后， 提示是否保存该次试验数据。学生判断敲击信号和响应信号的质量， 判断原那么为：力锤信号无连击，信号无过载。（5）数据预处理调节采样数据采样完成后，对采样数据重新检查并再次回放计算频响函数数据。 一通道的力信号加力窗，在力窗窗宽调整适宜。对响应信号加指数窗。设置完成后，回放数据重新计算频响函数数据。（6 ）模态分析几何建模：自动创立矩形模型，输入模型的长宽参数以及分段数；翻开节点坐标 栏，编写测点号；导入频响函数数据：从上述实验得到数据文件内，将每个测点的频响函数数据读 入模态软件，注意选择测量类型：单点拾振测量方

12、式参数识别：首先光标选择一个频段的数据，点击参数识别按钮，搜索峰值，计算 频率阻尼及留数（振型）。（7 ）振型编辑模态分析完毕以后可以观察、打印和保存分析结果，也可以观察模态振型的动画显示。前四阶振型（8 ）动画显示翻开振型表文件和几何模型窗口， 在振型表文件窗口内， 按数据匹配命令，将模态参数 数据分配给几何模型的测点。 进入到几何模型窗口， 点击动画显示按钮， 几何模型将相应模 态频率的振型以动画显示出来。 在振型表文件内鼠标选择不同的模态频率， 几何模型上就相 应的将其对应的振型显示出来，如图 12-4为简支梁的前四阶振型的彩色动画显示。在几何模型窗口内， 使用相应按钮可以动画进行控制，

13、 如更换在视图选择中选取显示方 式：单视图、多模态和三视图；改变显示色彩方式；振幅、速度和大小，以及几何位置。五、实验结果和分析1、记录模态参数模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶第五阶频率阻尼2、打印出各阶模态振型图线性扫频法简支梁模态测试、实验目的1、 学习线性扫频法实验模态分析原理；2、 学习线性扫频法模态测试及分析方法。激振器振动传感器力传感器简支梁二、实验仪器安装示意图动态分析仪激振信号源计算机系统打印机或及分析软件绘图仪图13-1 实验装置框图本实验对简支梁进行实验模态分析使用的是测力法模块， 与锤击法简支梁模态测试根本一致，区别如下：1、 锤击法简支梁模态测试方法中，在测试输入、输出

14、信号鼓励、响应信号的频响关系频响函数时，鼓励力由力锤提供压电式力传感器接收信号 ；而线性扫频法简支梁模态实验中，鼓励信号为力传感器拾取的扫频信号源 DH1301 内置小功率功放控制激振器鼓励出来的鼓励信号。2、 锤击法简支梁模态测试可以选用单点拾振法 跑鼓励，也可以选用单点鼓励法跑响应，而线性扫频法简支梁模态实验由于移动鼓励比拟困难， 工作量大，所以一般情况下多采用单点鼓励法。总的来说，线性扫频法简支梁模态测试方法和锤击法简支梁模态测试方法在原理上是基 本相同的。有一根梁如图12-2所示，长x向555m m,宽y向50mm，欲采用线性扫频方法做其 z 方向的振动模态，可按以下步骤进行。 1测点

15、确实定此梁在y、z方向尺寸和x方向尺寸相差较大，可以简化为杆件，所以只需在 x方向顺序布置假设干测点即可, 测点的数目视要得到的模态的阶数而定, 测点数目要多于所要测 量振型的阶数, 得出的高阶振型结果才真实可靠。 同时注意要把激振位置作为简支梁模态测 试中的一个测点测得原点频响。此例中在x方向把梁分成十六等份，布置十五个测点梁 的两个端点不作为测点 。 2连接仪器固定好JZ-1型接触式激振器， 并与DH1301连接好。力传感器信号接入数采分析仪的第一通道,压电式加速度传感器信号接入第二通道。 3数据采集及参数设置翻开仪器电源，启动 DHDAS2003控制分析软件，菜单项选择择 分析/频响分析

16、。在新建的四个窗口内,分别显示频响函数数据、 1-1 通道的时间波形、相干函数和 1-2 通道的时间波形, 平衡清零之后, 等待采样。 翻开 DH1301 扫频信号发生器, 调节类型为“线 性扫频具体的 DH1301 的面板操作方法请用户参考 DH1301 硬件说明书 ,设置起频为 10, 止频为 500,扫速为 1,按“确定,然后按下 “开始,调节扫频电压, 即可开始线性扫频。 点击DHDAS2003软件中的采样按钮，开始采样。注意观察频响函数的变化。采样频率：1.28KHz分析频率取整，且采样频率的选取视用户希望通过扫频实验得到简支梁的频率阶数而定。实验装置配套的简支梁选取 1.28KHZ

17、 通过实验或有限元分析大致确定 的采样频率即可扫出简支梁的前四阶频率； 如过希望得到较高阶的频率, 那么采 样频率应选得较高,如 5.12KHz；连续触发方式：自由采集峰值保持时域点数： 视用户所选取的采样频率而灵活调整， 一般那情况下， 保证频率分辨率的值小于1.25即可。如选取1.28KHZ的采样频率，建议选取 1024或2048;如选取5.12KHZ的采样频率，建议选取 4096 或者 8192通道参数设置 1-1 。参考实验十二。 参考实验十二的量程范围选定原那么， 另外根据试验者所期望到达的扫频范围 灵活地加以调整。 如果测量 1 号点的频响函数数据， 在 1-1 通道力信号 的模态

18、信息/节点栏内输入激振器的测点号 测点号固定，测量方向输入+Z;响应通道加 速度信号的模态信息/节点栏内输入1,方向为+Z;如果测量2号点的频响函数数据， 在 1-1 通道力信号的模态信息 /节点栏内输入激振器的测点号测点号固定 ，测量 方向输入+Z；响应通道加速度传感器信号的模态信息 /节点栏内输入 2;如果测量其它点的频响函数数据,依此类推。触发参数：不用设置。移动加速度传感器测量响应信号时, 当加速度传感器移动到其他点进行测量时, 就必须 相应的修改加速度传感器通道的模态信息 /节点栏内的测点编号。 每次移动加速度传感 器后都要新建文件 。测试时观察有无波形, 如果有一个或两个通道无波形

19、或波形不正常, 就要检查仪器是否 连接正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等,直至波形正确为止。根 据 DH1301 输出电压的大小灵活调节量程范围, 在正式测试之前可进行预采样大致观察 一下信号的大小,直到力的波形和响应的波形既不过载也不过小。4 数据预处理调节采样数据 采样完成后,对采样数据重新检查,更改错误设置,回放重新计算频响函数数据。5 模态分析自动创立矩形模型,输入模型的长宽参数以及分段数;单点鼓励法；（6）振型编辑同实验十二。（7）动画显示随机鼓励法简支梁模态测试1、 学习随机鼓励法实验模态分析原理；2、 学习随机鼓励法模态测试及分析方法。、实验仪器安装示意图图14-

20、1 实验装置框图本实验对简支梁进行实验模态分析采用的模态分析方法为测力法模块， 与锤击法简支梁模态测试根本一致，区别如下：而随机鼓励法简支梁模态实验中，鼓励信号为 DH1301控制激振器产生的随机鼓励信号同为压电式力传感器 接收信号。2、 锤击法简支梁模态测试可以选用单点拾振法 跑鼓励，也可以选用单点鼓励法跑响应；而随机鼓励法简支梁模态实验由于移动鼓励比拟困难， 工作量大，所以一般情况下多采用单总的来说，随机鼓励法简支梁模态测试方法和锤击法简支梁模态测试方法在原理上是基 本相同的。有一根梁如图12-2所示，长x向555m m,宽y向50mm，欲使用多点敲击、单点响 应方法做其 z 方向的振动模

21、态，可按以下步骤进行。此梁在y、z方向尺寸和x方向尺寸相差较大，可以简化为杆件，所以只需在 x方向顺序布置假设干测点即可, 测点的数目视要得到的模态的阶数而定, 测点数目要多于所要测量振 型的阶数, 得出的高阶振型结果才真实可靠。 同时注意要把激振位置作为简支梁模态测试中 的一个测点测得原点频响。此例中在x方向把梁分成十六等份，布置十五个测点梁的 两个端点不作为测点 。力传感器信号接入数采分析仪的第 一通道,压电式加速度传感器信号接入第二通道。翻开仪器电源，启动 DHDAS2003控制分析软件，菜单项选择择 分析/频响函数分析功能。 翻开 DH1301 扫频信号发生器, 调节类型为“随 机具体

22、的 DH1301 的面板操作方法请用户参考 DH1301 硬件使用说明书 ,按“确定,然 后按下“开始，即可开始输出随机信号。点击 DHDAS2003软件中的采样按钮，开始采样。 1KHz建议较高,一般要求 100 次以上。 视用户所选取的采样频率而灵活调整, 一般情况下, 保证频率分辨率的值小 于1.25即可。如选取1KHz的采样频率，建议选取 1024或2048 1-1。 工程单位和灵敏度： 量程范围：根据用户所设置的随机信号的输出电压而灵活调整。 模态参数：如果测量 1 号点的频响函数数据，在 1-1 通道随机信 号的模态信息 / 节点栏内输入激振器的测点号 激振器的测点号固定 ，测量方

23、向输入 +Z，响应通道加速度传感器信号的模态信息 /节点栏内输入1,方向为+Z;如果测量2号点的频响函数数据，在 1-1 通道随机信号的模态信息 /节点栏内输入激振器的测 点号，测量方向输入+Z；响应通道加速度传感器信号 的模态信息/节点栏内输入2，方向为+Z;如果测量其它点的频响函数数据，依此类推。移动加速度传感器测量响应信号时, 当加速度传感器移动到其它测点进行测量时, 就必 须相应的修改加速度传感器通道的模态信息 /节点栏内的测点编号。每次移动加速度传 感器后都要新建文件。4数据预处理采样完成后,对采样数据重新检查,更改错误设置,回放重新计算频响函数数据。5模态分析自动创立矩形模型,输入模型的长宽参数以及分段数；翻开节点坐标 栏,编写测点号；从上述实验得到数据文件内,将每个测点的频响函数数据读 入模态软件,注意选择测量类型：首先光标选择一个频段的数据,点击参数识别按钮,搜索峰值,计算 频率阻尼及留数振型 。6振型编辑悬臂梁模态测试1、 熟悉模态分析原理和测试方法;2、 学习悬臂梁的测试过程。图16-1实验装置框图三、 实验原理参考简支梁模态试验原理四、 实验步骤与简支梁模态试验相同。五、 实验结果和分析图16-2悬臂梁前三阶振型图