（机械电子工程专业论文）基于虚拟技术的结构模态分析系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 虚拟技术即虚拟现实技术，虚拟仪器技术作为它的分支，是近年发展起来的一 个研究热点。它凭借计算机平台的存储、处理、分析能力，结合计算机软件灵活、 适应性强以及修改、升级容易等特点，给传统的仪器测控带来巨大冲击；为此，本 文在总结了国内外试验模态分析涉及的理论、软件等已有成果的基础上，分析了现 有试验模态分析软件一些不足，依据虚拟仪器的思想，以v i s u a lc + + 6 0 为该系统 的软件开发平台，以m a t l a b 7 1 作为数据分析工具，实现两者的混合编程，并将 o p e n g l 图形工业标准引入实体结构的输入与输出，配置必要地传感器、信号调理 电路和数据采集卡( u s b 2 0 1 5 ) 等组成了机械结构试验模态分析系统。在此基础上， 完成了试验模态分析的结构模型输入、数据采集、数据回放、频谱分析、参数识别、 振型输出等功能，开发了面向中小型结构，易于使用的虚拟式结构模态分析系统。 关键词：虚拟仪器，模态分析，o p e n g l ，数据采集 a b s t r a c t a sa l le m b r a n c h m e n to fv i r t u a lt e c h n o l o g i e s ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi s b e c o m i n gah o ti s s u ei nr e c e n ty e a r s i tr e s o r t st ot h ea d v a n t a g e so fc o m p u t e rs u c ha s s a v i n g ，p r o c e s s i n g ，a n a l y z i n ga n dc o m p u t e rs o f t w a r es u c h a se a s yu p g r a d i n g ，e a s y m o d i f y i n g ，h i g hf l e x i b i l i t ye t c ，w h i c hi m p a c t s o nt r a d i t i o n a lm e a s u r ea n dc o n t r o l i n s t r u m e n t s s ot h i sa r t i c l es t u d i e st h er e l e v a n tt h e o r i e sa n dk n o w l e d g eo fe x p e r i m e n t m o d a la n a l y s i s ( e m a ) a n dc o m p u t e rs o f t w a r e ，p o i n t so u ts o m ed e f i c i e n c i e so fp r e s e n t m o d a la n a l y s i st e c h n o l o g i e si no u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h ei d e ao fv i s u a li n s t r u m e n t ， m e c h a n i c a ls t r u c t u r ee m as y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r w h i c hi sb a s e do nc o m b i n i n gv i s u a lc + + 6 0a ss o f t w a r ew o r k b e n c hw i t h m a t l a b7 1a sd a t aa n a l y s i si n s t r u m e n t ，o p e n g li n d u s t r i a ls t a n d a r du s e di n3 dm o d e l i n p u ta n do u t p u t ，a n de s s e n t i a ls e n s o r ，s i g n a l c o n d i t i o n e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ( u s b 2 0 1 5 ) o nt h i sb a s e ，t h ef u n c t i o n ss u c ha ss t r u c t u r ei n p u t ，d a t ac o l l e c t i o n ，s p e c t r u m a n a l y s i s ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o na n dv i b r a t i o ns h a p e so u t p u ta r ec o m p l e t e d w a n g y u r o n g ( m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t a n gg u i - j i k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，e x p e r i m e n tm o d a la n a l y s i s ，o p e n g l ，d a t a a c q u i s i t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟技术的结构模态分 析系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：送盗日期：丝! l ! ! ：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名 豫专勃 日期：跫 ! ! 羔! 日 期：翌：z ! 上 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 模态分析的出现与发展 通过试验确定结构动态特性的分析技术即试验模态分析技术“1 ，它与有限元法 一样有广阔的使用范围和很高的使用价值，通过较少的试验获取与结构动态特性相 关的数据，对结构进行修改，从而定性、定量地预测结构的动态特性，使得进行较 少的试验就可达到有效的设计。同时，试验模态分析在对结构产生不平衡振动时进 行的故障诊断也十分有效。 试验模态分析在故障诊断、数据可靠性、设计成本等多方面的优势，使其成为 一种有效的工程应用方法，并推动人们对它的研究和促进。 1 1 1试验模态分析出现的背景 多年来，结构设计均把静强度作为主要准则，仅仅考虑了静载荷的结果使得结 构的重量加大，成本上升，从而造成结构设计的不合理。随着机械性能和效率的提 高，高速、轻量、大型、复杂的设计成为趋势，因此结构设计时不仅要考虑设计对 象的静强度，还得考虑其动态特性，动态特性的分析方法就是在此种情况下产生和 发展起来的0 1 。为了使机械在高速运动或旋转下能工作，必须尽可能设计得轻，但 轻量化引起了结构的振动、噪声加大，出现了相反的结果。1 。为解决轻量化引起的 结构设计的问题，模态分析技术开始出现。 计算机的迅速发展使复杂的计算、庞大的数值分析都能在相对较短的时间内完 成。数值分析应用的典型方法是有限元法( 计算模态分析) ，它主要依据结构图形 的几何数据，再加上辅助条件计算结构的动态特性，但由于动特性分析中，阻尼特 性很难从图形上求得，因此有限元分析在进行结构动特性分析中也有着其局限性。 随着快速f o u r i e r 变换f f t 的出现，试验测量信号的快速、实时处理成为了可 能“1 ，同时依靠试验测量结构动态特性，直到进行分析的方法开始出现，试验模态 分析的方法就是这样的背景下产生和发展起来的。 1 1 2试验模态分析的基本内容 试验模态分析是要分析结构在典型使用条件下时产生的振动，所以可以在结构 上安装多个传感器( 加速度、速度或位移) ，通过对结构的激振试验测定激励与响 应，并对二者进行f o u r i e r 变换，再由数据分析得到结构的动特性参数。 分别以各自的时间函数来表示这些被测数据之间的关系，令外力为厂( f ) ，响应 为z ( f ) ，结构动特性即系统对单位脉冲外力的响应函数，表示为 ( f ) ，则有下式8 1 ： 华北电力大学硕士学位论文 x ( r ) = e 五o ) 厂( f f ) 打 ( 1 一1 ) 月( ) 图卜1 系统的框图 如图卜1 进行f f t 变换以后，时域转换为频域，则激励、响应、结构动特性分 别表示为，( c o ) 、z ( 、( 纠，作为卷积积分的结果上式表示为： x ( c o ) = 日( 国) f ( c o ) ( 1 2 ) 其中，动特性h ( c o ) 也称为传递函数。所以，结构振动分析就是测定其响应函数 z ) ，而响应函数依赖作用于其上的外力。为了正确测定机械动态特性，由( 1 - 2 ) 式可知需要测定h ( c o ) ，即需要同时测定作用于结构上的外力和由外力引起的响应， 再按照( 1 - 3 ) 式进行计算。 h ( ) = x ( c o ) f ( t o )( 1 - 3 ) 当传递函数已知时，可以求出任意外力作用下结构的响应，或反过来由结构的 响应来计算有多大外力在作用，但传递函数并不能完全描述结构的动态特性往往还 需要测定在很小外力作用下产生很大振动时的固有频率，也称为共振频率，该频率 下结构不同部分的变形是结构的振动模态，振动模态也是结构动特性分析方面很重 要的资料“1 。 测量和分析结构动态特性的方法就是试验模态分析。本文着重于对频域模态分 析的讨论与实现，即对结构施加激励，测定响应，并由此求得传递函数，最后计算 出固有频率和振动模态等模态参数。 1 2 模态分析软件的发展 在计算机技术发展的带动下，国内外的试验模态分析软件在不同层面的技术上 都取得了巨大进步，在结构模型输入、数据采集、模态分析、模态振型显示等方面 都有了不同程度的提高，但也存在着各自的不足。 1 2 1国内外发展状况 国内开发的模态分析仪也在不断涌现，具有代表性的有d a s 一1 动态信号分析 与故障诊断系统、东方噪声与振动研究所的模态分析仪、天津大学的模态分析系统 等。这些系统在传递函数分析、模态参数拟合、a f d 转换、f f t 变换、波形与频谱 2 华北电力大学硕士学位论文 显示等多方面各有自己的特长，在工程结构设计，工业故障诊断、试验教学的多方 面发挥重要作用。然而，同日新月异的有限元软件相比较，国内软件在结构模型输 入输出方面，试验模态全过程的综合等方面较为欠缺。由于大多软件都采用了沿袭 传统的图线模型，在进行测试时，均需要对复杂结构进行连线等处理需要输入测点 坐标，输入连线顺序再组合成测点模型图，这使得在结构输入时产生的错误不易发 现，而且输入测试结构模型时也有诸多不便；同时，对复杂结构测试完成后模态振 型的显示，也存在着部件振型难以观察的不足。另外，试验模态分析的各部分之间 的结合处理也不太流畅。 1 2 2模态分析软件的发展趋势 由于在结构设计、故障诊断等方面的应用，试验模态分析有着广阔的发展前景， 也得到了日益增加的关注。随着计算机处理器速度的提高，图形化处理能力的改进、 数据采集硬件的升级、网络可靠性与速度的增加等的发展，必然会引起试验模态分 析软件在计算速度与精度、模型显示、远程测试等方面的改进乃至革命，硬件的变 革给试验模态分析发展提供了有利的物理保障；同时，伴随着近年软件技术方面的 革新，最具代表性的就是面向对象和面向组件的程序设计的发展，以这些技术开发 新型的试验模态分析软件，更进一步建立面向对象的模态分析测试平台将会成为人 们追求的目标”】。软、硬件的共同进步将把试验模态分析软件的发展推上新的台阶。 此外，由于以虚拟仪器技术为代表的虚拟技术的兴起与发展，把虚拟仪器与集 成测试的思想应用于试验模态分析，从而把比较专业的试验模态分析过程仪器化简 单化，增加对其使用时的易用性与方便性也可能会成为发展方向”1 。 1 3 本文的目的与内容 作为“振动测试与分析虚拟仪器系统的研究”的一个子项，为了满足结构设计、 机械故障诊断、科研教学等方面目益增加的对模态分析的需求，同时尽量降低进行 测试时对用户理论水平的要求，并把试验模态分析技术、计算机技术和虚拟仪器技 术的一些新发展融合在一起，本文的工作着重于对试验模态分析的虚拟仪器化进行 探索，以开发一种基于虚拟技术的结构模态分析系统。 为了弥补国内现有软件在结构模型输入输出方面的不足，本文对基于图元对象 的三维实体结构输入输出模型进行探索，利用o p e n g l 软件开发包对其进行了软件 实现，模型采用图元作为构件输入的基本单元，利用o p e n g l 图形透明、消隐等技 术处理模态振型的显示，方便了结构部件模态振型的观察。研究了方兴未艾的虚拟 仪器与集成测试技术、面向对象与面向组件的程序设计技术等，以虚拟仪器的思想 整合了试验模态分析的四个部分即结构模型、数据采集、测试分析、振型处理，把 华北电力大学硕士学位论文 面向对象的思想、方法应用于系统的软件实现等方面，开发出了一种简单易用的基 于虚拟技术的结构模态分析系统。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 虚拟仪器技术 第二章系统总体方案设计 虚拟仪器技术作为2 l 世纪科学技术中的三大核心技术之一州，蕴含着巨大的潜 力，它凭借计算机平台的存储、处理、分析能力、结合计算机软件灵活、适应性强、 修改、升级容易等优点，给传统的仪器测控带来巨大冲击。在此冲击下，测量仪器 和测试技术发生了巨大变革，测量仪器已经从模拟化、数字化发展到智能化、虚拟 化，测试技术也随着测量仪器的发展而日新月异。虚拟仪器技术是虚拟技术领域中 的重要组成部分，并已成为国内外研究开发的热点技术。 2 。1 1 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 是指以计算机作为仪器统一的硬件平 台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能， 同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一 体，构成从外观到功能都与传统硬件仪器相似，同时又充分享有了计算机智能资源 的全新的仪器系统。1 。 大部分测量测试仪器的主要功能都可划分为数据采集、数据测试与分析、结果 输出显示等三大部分，其中数据分析与结果输出部分完全可由基于计算机及其软件 系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的 数字化测量测试仪器，即虚拟仪器”1 。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器 硬件有机的融合为一体，实现了对数据的显示、存储以及分析处理，从而把计算机 强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大降低了仪器硬 件的成本，减小了仪器体积，方便了用户使用。 虚拟仪器是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、 仪器模块和软件组成，使用相同的硬件系统，通过不同的软件实现不同功能的各种 测量测试仪器，所以软件系统是虚拟仪器的核心，仪器的功能都要通过软件来实现， 由软件可以定义各种仪器，也就是说“软件即仪器”。 2 1 2 虚拟仪器的典型构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成。构成 虚拟仪器的硬件平台有计算机和i 0 接口设备两部分，计算机是虚拟仪器硬件平台的 核心。i 0 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模，数转换不同的总线有 其相应的i 0 接口硬件设备。根据i 0 接口设备的类型，虚拟仪器的构成方式可分为五 华北电力大学硕士学位论文 种类型，如图2 - 1 所示【”1 。实际上，这五种不同的划分根本区别在于数据的获取渠道 的不同，通过不同的总线( 或接口) 最终把数据传送到计算机的数据总线上。完成分 析处理工作1 。图2 - 2 为基于p c d a q 的虚拟仪器系统的结构。本虚拟系统就是采用 的这种结构方式。 i o 接口设备 - - qp c - d a ok - - qg p i b 仪器卜 l 被测信号卜一叫串口器卜_ 叫v x i 横】奏卜 叫p x i 模块卜 图2 - 1 虚拟仪器的构成方式 _ 一电量传感器 k -信 设 虚拟式用户操作界面 号 数 备 - - t 非电量传感器卜 处 据 驱 w i n d o w s 应用程序 理 采 动 m f c 基础类库 电 集 程 - - q 其它传感器 卜路 卡 序v i s u a lc 什开发平台 计算机 图2 - 2 基于p c - d a q 的虚拟仪器数据采集系统的结构 2 1 3虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器的发展不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以 数据采集为主的测控系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多 领域，在虚拟仪器技术的影响下，正在逐渐靠拢，并形成新的技术方法和技术规范。 传统仪器与虚拟仪器之间的不同主要体现在灵活性方面，虚拟仪器由用户自己定 义，这意味着用户可以自由地组合计算机平台、硬件、软件、以及各种完成应用系 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 仪器类型虚拟仪器传统仪器 开发维护费用开发和维护费用低 开发和维护费用高 技术更新周期更新周期短( 0 5 1 年) 更新周期长( 5 1 0 年) 着重点软件是关键硬件是关键 性价比高 较低 配置与适应性开放灵活与计算机同步，可重用和重配置 固定配置，适应性差 只可联有限的设备 远程测试性能适于网络互联自动、智能、远距离传输 功能单一，操作不便 6 华北电力大学硕士学位论文 统所需要的附件，而这种灵活性在由供应商定义的、功能固定的、独立的传统仪器 上是达不到的。从传统仪器向虚拟仪器的转变，为用户带来更多实际的利益，它们 之间的比较如表2 - 1 所示，可以看出虚拟仪器在许多方面都有着传统仪器难以比拟 的优势。 通过2 - 1 表可以看出，正是因为虚拟仪器具有传统仪器所不能比拟的优势，使 得虚拟仪器在实际工程中应用越来越广泛，并且在不久的将来，会逐步取代传统仪 器。 2 2 系统的软件开发平台 软件是虚拟仪器的灵魂，没有软件，也就无从谈起虚拟仪器了。因此要开发虚拟仪 器必须有适合的软件工具，目前，虚拟仪器软件开发工具有如下两种。一种是文本式编 程语言：如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等；另一种是图形化编程语言：如l a b v i e w ， h p v e e 等，本系统设计所涉及的是v i s u a lc + + 编程语言。 2 2 1v is u a ic + + 简介 v i s u a lc + + ( 简称v c + + ) 是上世纪9 0 年代中期由美国微软公司推出的一个强 大的w i n d o w s 应用程序开发工具，它提供了一个可视化集成编程环境，可用于建立、 调试w i n d o w s 应用程序，能自动生成w i n d o w s 应用程序的共有部分，可以使程序 设计人员直接切入实际功能部分的代码编制主题，因而可以大大简化复杂的 w i n d o w s 应用程序的开发过程，并极大的提高程序的设计效率“”。 在v i s u a l c + + 中编写w i n d o w s 应用程序有三种方法“”：其一，直接调用w i n d o w s 环境提供的w i n 3 2 a p i ( 应用程序编程接口) 函数来编写w i n d o w s 应用程序，使用 这种方法时大量的程序代码必须由程序员自己编写，工作量大；其二，使用m f c 类库和活动模版库( a t l ) 直接编写w i n d o w s 应用程序，m f c 和a t l 提供大量的 预先编写好的类和支持代码，用于处理多项标准的w i n d o w s 编程任务( 如处理信息、 添加工具栏和对话框等) ，因此使用这种方法可以w i n d o w s 应用程序编写的工作； 其三，在v i s u a l c + + 系统的集成开发环境( 包括m f c 类库、a t l 和应用向导w i z a r d s ) 下编写w i n d o w s 应用程序，基本步骤是首先用a p p w i z a r d 来生成w i n d o w s 应用程 序的基本源文件，然后用c l a s s w i z a r d 来建立应用程序的类、信息处理和数据处理 函数或事件，最后把应用程序所要求的功能添加到类中。为了能充分发挥该平台的 优势以及快速可靠的进行开发，本系统采用了第三种方法( 使用m f c 库程序设计 接口并不意味着没有使用w i n d o w s 的w i n 3 2 函数，实际上几乎总是需要在m f c 库 程序中直接调用w i n 3 2 函数) 。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2v is u aic + + 6 0 的特点 本系统所使用的v i s u a lc + + 6 0 开发平台，它具有以下的特点“”： ( 1 ) 包括了综合的微软基本类库( m f cl i b r a r y ) 。与使用c 和w i n d o w ss d k 开发w i n d o w s 应用程序相比，使用v i s u a lc + + 6 0 建立一个完美的w i n d o w s 应用程 序所花费用的时间要少得多。 ( 2 ) 提供了一个高度集成的工具集，使得从开始到结束的整个开发过程都保 证了高效率。集成化的结果使得程序可以在诸如编辑、建立、调试等不同任务之间 快速切换，甚至可以同时执行这些任务，但不会引起冲突。 ( 3 ) 提供一个可视化编程的集成开发环境。首先是可以实现在软件开发阶段 对程序进行可视化的管理；其次可以利用计算机图形技术和方法，用图形、图像的 方式形象而且具体地显示数据处理过程和结果。 ( 4 ) 提供了复杂的资源编辑器，可轻松编辑菜单、对话框、工具栏、图像等。 ( 5 ) 包括了m i c r o s o f t 的代码优化技术，因此开发的程序的运算速度很快。 v i s u a lc + + 6 0 专业版包括可视工作平台( v i s u a lw o r k b e n c h ) 、框架文件编辑器 ( a p p w i z a r d ) 、微软基本类库( m f c ) 和优化编译器( o p t i m i z i n gc o m p i l e r ) 等， 适用于开发对速度和大小优化有特殊需求的大、中型应用程序。 本系统是基于v i s u a lc + + 所提供的m f c 库应用程序框架来进行c + + 程序设计， 其中微软基本类库( m f c ) 是v i s u a lc + + 软件包的一部分，m f c 中的类形成一个 应用程序框架，用于支持w i n d o w s 程序开发。m f c 封装了w i n d o w s 应用程序编程 接口( a p i ) 的函数、数据结构和宏，以面向对象的类提供给我们编程人员。 微软基本类库具有如下功能“”： ( 1 ) 完整地封装了w i n d o w s a p i 函数。m f c 为经常使用的w i n d o w s a p i 函数 提供支持，包括窗口函数，消息，控件，菜单，对话框，图形设置接口( g d i ) ，对 象( 字体、画刷、画笔及位图) ，对象链接以及多文档( m d i ) 等。 ( 2 ) 提供了自动消息处理。该功能可以代替使用标准s w i t c h c a s e 语句，每一 条w i n d o w s 消息被直接映射到一个进行处理的成员函数。 ( 3 ) 具有自诊断功能。m f c 可以在一种易于理解的格式下把有关多个不同对 象的信息转储到文件中去，并且验证一个对象的成员变量。 ( 4 ) 具有一个稳定的体系结构。m f c 已经实现了一个扩展的异常处理体系结 构，允许一个m f c 对象可从标准错误状态中恢复过来，这些标准错误包括“内存溢 出”错误、无效选项、文件或资源加载问题等。 ( 5 ) 提供了动态对象类型。m f c 可以把动态分配对象类型真正地延迟到运行时 8 华北电力大学硕士学位论文 才进行链接，这样就不必关心一个对象的数据类型而对其进行处理，可以减少程序 员的许多细节性处理工作。 2 3 系统的总体设计 本课题的主要任务是采用v i s u a lc + + 为开发平台设计一套机械结构模态分析 系统，其主要的功能应包括：数据采集、数据存储、模态分析、振型显示等。首先 根据系统的总体方案由上至下进行设计，将系统划分四功能模块，然后在各模块中 扩充相应的具体功能，最后进行集成和验证。本文设计的基于虚拟技术的结构模态 分析系统的总体结构如图2 3 所示，本系统对应的主界面如图2 4 所示。 图2 - 3 系统总体结构图 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4 系统主界面 1 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章结构模型的建立 结构模型的输入是试验模态分析的前处理，它在试验模态分析中的作用类似于 有限元软件的前处理，是进行试验模态分析的必要步骤。国内现有的试验模态分析 软件的结构输入大多是基于图线输入模型的，在输入时存在着诸多的不便很难从输 入的模型结构中及时查找到输入错误，也不易观察到输入的结构对象此外图线模型 还不利于模态振型的显示输出，尤其对复杂结构，存在部件振型难以观察的缺点， 大量繁杂的线图极容易引起测试者的视觉混淆。 计算机图形化处理能力的迅速提高给试验模态分析软件在结构模型输入输出 方面提供了发展的契机，各种专业的图形软件开发包的出现也使得对建立三维模型 进行软件实现变得相对容易。 随着面向对象程序设计技术的发展，如何建立一个面向对象的试验模态分析测 试平台，成为模态分析模型输入技术的发展要求。 3 2 面向图元对象的结构模型输入技术 试验模态分析的对象是工程或机械结构，测试前需要确定被测结构的简化模 型，在结构上设置测点，测试完毕后还要根据分析得到的数据显示结构的模态振型。 整个测试与分析过程都是针对输入结构上的离散点进行的，分析完成后的处理也是 通过离散点的相对位置变化来描述结构模态振型的。考虑模态分析的以上特征，摄 落了一种以图元对象为基本操作单元的三维结构输入模型掣 其基本思想是：模型中的图元是包含结点的，不可分割的对象，对它采取的操 作是针对图元的整体而言的，对于一个具体结构，图元的属性( 如坐标、颜色、厚 度等) 是确定的。模型确定了建立在结点基础上，包括梁图元、三角形图元和四边 形图元等在内的几种基本图元。结点元是最基本的对象，它描述了一个空间上的 三维坐标点，是构成图元的支撑点，确定了图元的空间构架，整个模型的构建都是 以结点为基础的，同时试验模态分析针对的测点也是基于结点的，梁图元、三角形 图元、四边形图元等的建立是在考虑了试验模态分析和计算模态分析的结构模型兼 容性后确定的，在几何结构等方面与有限元中的单元保持了高度一致。实际结构输 入中，先需要确定结构中的一系列结点，由结点建立恰当的图元对象，再组合构成 结构的不周部件，最后合成需要的三维测试结构。模型结构如图3 - 1 所示，输入模 型的建立同时还考虑了模态振型的动态显示，显示时图元可以作为小的记忆体记录 模态分析得到的所有相关数据信息，并以图形化的方式表达出来。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 基于图元的结构模型输入过程 3 3 基于图元的结构模型输入方法的支撑技术 3 3 1 面向对象的程序设计与c + + 面向对象的程序设计( o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ) 是一种新兴的程序设计方 法，或者说是一种新的程序设计模型，它是从现实世界中客观存在的事物( 即对象) 出发来构造软件系统，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式，强调直接 以问题域，即现实世界中的事物为中心来思考问题，认识问题，并根据这些事物的 本质特点，把它们抽象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成单位，使系统 直接地映射问题域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌“扪。其基本思想是 使用对象、类、继承、封装、消息等基本概念来进行程序设计，可以用下面的等式 简明描述： 面向对象的方法= 对象( 属性与服务的封装) + 分类 + 继承 + 通过消息的通讯“ 面向对象可以有不同层次的理解，从世界观的角度可以认为，面向对象的基本 哲学是认为世界是由各种各样具有自己的运动规律和内部状态的对象所组成的，不 同对象之间的相互作用和通讯构成了完整的现实世界，因此人们应当按照现实世界 的本来面貌来理解世界，直接通过对象及其之间的关系来反映世界，这样建立起来 的系统才能符合现实世界的本来面目。从方法学的角度可以认为，面向对象的方法 是面向对象的世界观在开发方法中的直接应用，它强调系统的结构应该直接与现实 世界的结构相对应，应该围绕现实世界中的对象来构造系统，而不是围绕功能来构 造系统。 从程序设计的角度来看，面向对象的程序设计语言必须有描述对象及其相互之 间关系的语言成分，这些程序设计语言可以归纳为以下几类：系统中一切皆为对象， 对象是属性及其操作的封装体；对象可根据其性质划分成类，对象是类的实例；实 例关系和继承关系是对象之间的静态关系，消息传递是对象之间动态联系和计算的 华北电力大学硕士学位论文 唯一形式；方法是消息的序列。应用程序由原来调用操作系统来获得用户输入转变 为通过响应操作系统的消息来处理用户输入，操作系统与应用程序之间的这种角色 变化使得用计算机语言能更真实的描绘现实世界。 作为面向对象一种实现风格，c + + 比较全面的支持了面向对象的程序设计特征， 它支持面向对象的概念：对象、类、方法、消息、子类等，实现了面向对象的主要 机制：封装、继承和多态性等旧1 。 c + + 为定义新数据类型提供了数据结构的封装与抽象，既包含数据内容又包含 对数据内容的操作，使用派生类从已定义的基类中继承函数和数据结构，形成类的 层次，给类的某个行为取一个名字或符号，共享一个类层次结构，但每个类都有自 己的方式实现这一行为“。 模态分析中的结构模型既有差异，也有共性，若将其生成归约为面向图元对象， 则为了适应不同类型图元对象的生成，可共享其共同特征，在软件实现上达到共享 的目的，并能保证它们之间的差异，采用面向对象的设计显得尤为重要。 3 3 2 三维图形处理库o p e n g l o p e n g l 是一个硬件和图形之间的接口，由于其在三维真实感图形制作中的优 秀性能，并得到许多大型软件公司的鼎立支持，它成为了新一代三维图形的工业标 准“甲。 作为软件编程的接口o p e n g l 与硬件无关，可以在不同的硬件平台上实现，它 不提供三维造型的高级命令，而是通过提供基本的几何图元点、线、多边形来 建立物体模型。由于把三维图形划分成一些基本的操作，可以方便的利用o p e n g l 的命令：绘制、变换、着色、光照、反走样、混合、纹理、位图以及动画等来表示 实体模型，直接操作硬件，并获得极高的效率o ”。 试验模态分析中的三维结构模型的输入、显示涉及大量的图形变换，单纯依靠 w i n d o w s 图形设备接口g d i 来完成全部的图形处理时，由于经过了设备上下文d c 的一系列转换，不仅耗用了大量资源，而且效率低下，所以系统在实现时采用了作 为现实工业标准的图形编程接口o p e n g l 以提高效率。 c l a s sc o p e n g l p r i v a t e ： c d c + m _ _ p d c ； c w n d + m _ p w n d ； b o o lb s e t u p p i x e l f o r m a t 0 ； p u b l i c ： c o p e n g l 0 ； 华北电力大学硕士学位论文 c o p e n g l ( c w n d + p w n d ，c d c + p d c ) ； v i r t u a l - c o p e n g l 0 ； b o o li n i t ( c w n d + p w n d ，c d c + p d c ) ； v o i dd e s t r o y ( ) ； ) 使用时，只需要调用初始化函数i n i t ( & w n d ，& d c ) ，即可对当前窗口的当前设 备上下文完成初始化，并进行绘图，退出绘图时调用d e s t r o y ( ) b p释放设备资源。 3 4 模型建立中的图像处理技术 结构模型的建立、显示等不可避免的涉及到基本的图像处理技术，不仅需要在 图像旋转、平移、放缩的过程中，对变换后的图像完成一系列操作，同时还要对生 成的模型图像完成动画显示，所有的这些操作都是建立在变换的基础上，这些图形 变换涉及到一些相关的图像处理技术。 3 4 1图像变换 把一个三维矢量或物体旋转到空间的一个新位置，或者同时想把它缩放到一个 新的尺寸，转换关系式可以用一个3 x3 矩阵来描述，若要对该矢量或物体进行线 性转换，则需要对操作对象定义4 x 4 的矩阵进行另外的操作。”。 把一个向量线性转换到空间的一个新位置生成矩阵，除对角线和最后一行的三 个元素，其余均为零，矩阵如( 3 - 1 ) 式所示。 t = ( 3 1 ) 当图像放大、缩小时，相当于改变矩阵的对角元素，放缩矩阵如( 3 - 2 ) 式所示。 s = s l 00 0 瓯0 00s z 0 o o ( 3 - 2 ) 实现一个向量的旋转矩阵时，对各个旋转轴而言旋转矩阵定义不同，绕x 轴的旋转 矩阵为： 1 4 o o 1 乞 一 o 1 0 0 一 。o o t 华北电力大学硕士学位论文 足= 1o0 0c o s 口s i n 口 0一s i n 0c o s 口 ooo 绕y 轴的旋转矩阵： 疋= c o s 口0 0l - s i n 00 o0 绕z 轴的旋转矩阵： 疋= 一s i n 口 o c o s 0 o c o s 0s i n 口00 一s i n p c o s 000 oo1o oo0l ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 基本的图形变换如放大、缩小、旋转、平移等操作处理涉及的矩阵变换可以由 其原来的坐标矩阵与相应的操作矩阵相乘即可完成。 3 4 2图像的绘制 图像的绘制因软件工作的操作系统而异，作为当前应用最广泛地操作系统之一 w i n d o w s 系统的操作是建立在事件驱动执行程序原理的基础上的，操作系统不仅执 行编写的程序，而且与它对话它们相互通信。应用程序只是坐等用户不同形式 的输入：鼠标单击或键盘键击。一旦用户提供输入，级联事件发生，应用程序响应 其关键在于考虑到终端用户可能采取的动作，并等待它们发生w i n d o w s 为应用程 序消息提供称为消息队列m e s s a g eq u e u e 的保留区，在操作系统中当前执行的每个 进程都需要得到自己的消息队列等待调用”p 。 图像绘制时，只能由鼠标或键盘来完成操作，也就是在应用程序的消息队列中 捕获所有的鼠标或键盘的响应消息，判断出其中的合法信息，并做出绘图的相应动 作，在响应合法的消息时，线程从鼠标或键盘的命令中获得必要的绘图信息如坐标 点、绘制对象等，并调用绘制操作。 由于绘制最终是要把图像信息刷新到显卡的内存中，故可以直接把图像写入显 存，但是这种情况通常会因为鼠标或键盘响应太快或需要直接显示动画而造成不断 的刷新显存。这种直接将数据交换到显存的方式，因为图像传输任务太重，速度太 华北电力大学硕士学位论文 慢而造成屏幕的闪烁，严重时图像甚至无法辨认，作为一种解决方案，也是不闪烁 的、平稳动画的显示原理，是在内存中为将要显示的图像申请一块缓冲区，把下一 张要绘制的图先写入内存，再由内存高速交换到显存，从而克服了这种闪烁，获得 流畅的运动的图像。当然，这种流畅是以牺牲内存为代价的。 3 5 结构模型建立的定义与实现 3 5 1结构模型建立的定义 在模型图元特征定义时，考虑所有的图元都可能执行基本的图像操作，并拥有 部分相同的特征，为了便于统一进行处理，从所有的图元及其操作中概括出如下的 基本属性与服务，这些特征决定了图元在实现时的数据结构，并能比较简单的转换 为描述图元及其操作数据结构的属性与方法： ( 1 ) 图元或操作的类型； ( 2 ) 图元颜色的设置； ( 3 ) 图元的正常的显示； ( 4 ) 图元的动画显示，用于模态振型的动态输出； 为实现基本的图形输入操作，需要从基本特性中增加必要的新特征以描述结点 元、梁图元、四边形图元等基本图元的特征，这些是对基本特征的补充。以下给出 对结点元的特征定义： ( 1 ) 原始结点坐标： ( 2 ) 最大偏移量( x ，y ，z 轴三个方向) 用于动画显示时的范围限制 ( 3 ) 结点序列号、测点编号； ( 4 ) 留数数组，记录测试完成后的拟合数据 ( 5 ) 继承所有基本信息 结点的特性包括坐标、颜色、测点号等，并继承了原始结构的所有特性，这些 设定是在考虑了对c + + 应用的基础上而定义的，充分利用c + + 的重载继承的特性， 这样便统一了对图元的操作。 梁图元、四边形图元的定义均类似于之，这样由每图元定义好的特征信息就能 较好的描述所需要的测件对象，实际测试时，测件上的测点对应于模型结构中的结 点，使得整个测试过程中，测试者都能比较直观的把虚拟的模型结构与测试中的物 理结构结合起来。 图元各种服务与属性的定义为软件实现时把图元及其操作封装成类奠定了基 1 6 华北电力大学硕士学位论文 础，由于考虑了如何在软件实现时应用c + + 面向对象的一些优点，直接从结构特性 的定义抽象为软件的定义比较容易，同时c + + 中的封装、继承和多态性在软件的实 现时也会得到比较完全的体现。 3 5 2数据结构的建立 在结构模型的定义中，确定了图元的基类需要封装的属性，根据结构输入的需 要，在基类之下，最终派生出如下的子类c n o d e ( 结点) 、c b e a m ( 梁图元) 、 c t r i a n g l e ( 三角形图元) 和c q u a d r a n g l e ( 四边形图元) 等图元类。具体的类派生 结构如图；_ 2 所示。 fc n o d e ( 结点类) c g r a p h b a s e ( 基类) 】c b e a m ( 梁图元类) lc t r i a n g l e ( = 角图元类) lc q u a d r a n g l e ( 边图元类) 图3 - 2 模型数据结构的类继承关系 属性与服务的确立源于对类的数据结构的定义，以下给出由模型结构定义的基类的 实现： c l a s sc g r a p h b a s e i n tm _ e l a s s t y p e ； v i r t u a lv o i da d d n e w ( i n tf r o m ) ； v i r t u a lv o i ds e t c o l o r c o r n tc o l o r ) ； v i r t u a lv o i dd r a w ( ) ； v i r t u a lv o i dd y n a m i e d r a w ( ) ； 标识类的类型 添加新图元 设置颜色 h 显示 ，动画显示 在类的定义中封装了需要描述的对象的属性( 变量) 与服务( 函数) ， 其中的服务应用了c h 提供的虚拟函数，使从基类派生的予类中可以继承基类的属 性与服务，同时由于不同的子类共享了同样的名字代号，它们可以共享统一的层次 代号，并按照自己的不同方式进行处理。所以通过上述类的建立，确定了结构模型 输入软件实现的数据结构。 3 5 3用户界面设计 界面实现根据虚拟仪器的思想，把操作界面设计为封闭的独占式系统，用户可 以借助鼠标和键盘通过系统中的按钮、图标等方便的输入测试模型，并得到三维图 形化的显示。 模型输入的部分主要涉及到结点输入、测点设置等操作，界面部分包括设置区 1 7 华北电力大学硕士学位论文 和图形显示区，其中设置区完成了为了图形显示的各种设置，如背景、光照、 o p e n g l 、图形查看，测点设置等，其主界面如图3 - 3 所示。 具体操作时首先等比例缩小实际测试对象，并从中抽象出虚拟的输入结构。然 后建立测试系统坐标，在软件中输入结点，并选择生成合适的图元组成三维的虚拟 测试结构，按照在物理结构上确定的测点在输入结构中的对应结点设置测点，之后 存储结构，完成结构输入。 图3 - 3 结构模型界面 华北电力大学硕士学位论文 第四章数据采集与数据回放模块的设计 4 1 测试信号分析概述 信号分析技术已被应用于许多学科与领域，如通讯、声纳、地震、遥感、振动、 噪声、生物医学等，随着电子技术、数字计算机的发展和应用，信号分析技术得到 了迅速的发展“1 。从5 0 年代以前的模拟信号分析，到6 0 年代f f t 算法的提出，再 到7 0 年代的w f t a 和p f t a 算法，以及近年出现的d s p 数字信号处理芯片，信号 处理的速度、精度、实时能力得到了很大的提高，在各方面的应用也得到了进一步 的扩展。 测试信号中携带着人们所需要的有用信息，也常常含有人们不感兴趣的其它信 息，即噪声，它是在测试过程中不可避免地渗入测试系统的，对测试信号的分析