（机械制造及其自动化专业论文）加工中心整机试验模态分析及主要结合部参数识别方法研究.pdf

摘要 随着现代化科学技术的发展和2 1 2 艺水平的提高及先进刀具的大量出现和使用 对机床越来越高的加工性能的要求，机床必须具备良好的结构动态特性。机床结 构动态特性的分析和研究己成为今天机床行业中新产品研制的重要环节。其中， 试验模态分析是种行之有效的方法，在解决工程问题中起着重要的作用。 国内外，机床结构动态特性试验分析的研究和工程应用已取得了很大的进展， 但针对特定的机床，以提高其加工精度为特定目标的动态分析仍包含许多需要解 决的理论与技术问题。鉴于此，本文围绕云南省自然科学基金重点课题“高速高 精度大中型镗铣加工中心现代设计理论及关键技术研究”，从提高机床的转速和工 作稳定性的方向着手，采用理论建模和试验建模相结合的方法研究机床的动态特 性。在机床整机动力学建模、机床动态试验、动态特性参数识别以及结合部建模 和参数识别等方面进行了理论和应用研究。本文的主要工作和研究成果有： ( 1 ) 全面、系统地分析了机床结构动态特性研究的现状，并指出了存在的问 题和不足。 f 2 ) 基于模态分析、测试技术、参数识别、信号分析以及试验方法的理论， 建立了相关双输入的试验系统，采用了适当的激振方式和激振设备，较好地模拟 了机床加工过程中的实际状况：讨论7 试验设备的校准、调试以及参数设定的过 程；在此基础上采用正弦、伪随机相对激振以及脉冲锤击绝对激振等多种试验方 案对机床进行了动态测试。 f 3 ) 运用频域模态参数识别法，得到了系统的模态参数，绘制出了系统的特 性曲线，并得到了系统的振型：对所得结果进行了模态拟合验证较好地揭示了 系统的系统特性，为动态优化设计奠定了基础。 r 4 ) 通过对机床结构主要振动模态振型的分析，确定了机床在各阶模态频率 下的主振部件，为机床优化设计提出了建议。 ( 5 1 对机床的主轴系统、主轴+ 立柱+ 横床身系统以及整机系统分别进行了动 态试验，分别得到了各自的频响函数，分析了结合部参数识别的方法，并给出了 识别结合部参数的算法，为下一步结合部参数的识别提供了保障a 关键词：动态试验，模态分析，参数识别，结合部 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f m a n u f a c t u f i n gt e c h n i q u e a n da d v a n c e d t o o l ， m a c h i n et o o ls h o u l dh a v et h e c a p a b i l i t i e s o fh i g h p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n d a c c u r a c y i n o r d e rt of u l f i l lt h e r e q u i r e m e n t so f t h em o d e r np r o d u c t i o n ，t h es t r u c t u r eo fm a c h i n et o o l ss h o u l dh a v e s a t i s f a c t o r yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t o d a y t h e a n a l y s i s a n d s t u d y o f d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r eo c c u p ya ni m p o r t a n tp l a c eo nd e s i g na n dm a n u f a c t o r yo f n e w t y p em a c h i n et o o l s e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i si ss u c hk i n do f am e t h o dw h i c h p r o v i d e s ab a s ef o ra m e n d i n gs y s t e ms t r u c t u r eb y e x t r a c t i n gs y s t e mm o d a lp a r a m e t e r s t y o me x p e r i m e n t s s t u d ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fl a t h es t r u c t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ch a v e a l r e a d ym a d ev e r yg r e a tp r o g r e s s ，b u t t ot h e s p e c i f i c m a c h i n et o o l ，t h e d y n a m i c a n a l y s i st a k i n gi m p r o v i n gi t sm a c h i n i n ga e e u r a c ya ss p e c i f i cg o a ls t i l li n c l u d e sal o t o ft h e o r i e sn e e d i n gt ob es o l v e da n dt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m b a s e do nt h ep r o j e c t m o d e r n d e s i g n m e t h o dr e s e a r c ho fm a c h i n i n gc e n t e ro fb o r i n ga n d m i l l i n g “ s p o n s o r e db yy u n n a np r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef u n d ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sf o r t h ec o m p l e x i t yo fm a c h i n ec e n t e ri ss t u d i e di nt h i sp a p e rw i t hc o m b i n a t i o nm e t h o do f t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n tm o d e lf o rt h ep u r p o s et oi m p r o v et h er o t a t es p e e da n dt h e s t a b i l i t y o fm a c h i n i n gc e n t e r t h et h e o r ya n di t s a p p l i c a t i o n s u c ha s m o d e l i n g ， d y n a m i ce x p e r i m e n t ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n f o rt h ew h o l em a c h i n ea n df o rj o i n t s w e r ec o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i n w o r ko f t h e a r t i c l ei sa sf o l l o w ： ( 1 ) t h ea c t u a l i t yo fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c hf o rm a c h i n et o o l s s t r u c t u r e w a sa n a l y z e dr o u n d l ya n ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h ep r o b l e ma n ds h o r t a g ew a sp o i n t e d o u t ( 2 ) b a s e d o nt h e t h e o r y o fm o d a l a n a l y s i s ，e x p e r i m e n ts k i l l ，p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o na n ds i g n a la n a l y s i s ，a ne x p e r i m e n ts y s t e mo f c o r r e l a t e dd u a l _ i n p u tw a s s e t u p w i t hp r o p e re x c i t i n gm e t h o da n de q u i p m e n t ，t h ea c t u a l f o r c ei nm a c h i n i n g p r o c e s sw a sb e t t e rs i m u l a t e d s e v e r a lt e s ts c h e m e s w h i c hi n c l u d em o n i t o r i n gs e n s o r ， o s c i l l a t i o na n d d a t a s a m p l i n g a n a l y s i ss y s t e m ，t o g e t h e r w i t ht h e e q u i p m e n t a d ju s t m e n t ，d e b u g g i n ga n dp a r a m e t e rs e t t i n g ，w e r ed e t a i l e di nt h ep a p e r a f t e r w a r d s ， d y n a m i ct e s t s t o m a c h i n i n gc e n t e rw e r ep r o c e s s e db yu s i n gs i n ew a v ee x c i t a t i o n ， p s e u d or a n d o me x c i t a t i o na n di m p a c te x p e r i m e n tm e t h o d s ( 3 ) t h ef r e q u e n c y - d o m a i np a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw a su s e da f t e rt h e e x p e r i m e n t s ，t h r o u g hw h i c hs y s t e mm o d ep a r a m e t e r s ，s y s t e mc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n d s y s t e mm o d es h a p ew e r eo b t a i n e d t h es y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r ee x p o s e d w e l lb yc u r v ef i t t i n gv a l i d i t y ( 4 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h em a i nm o d e so fs t r u c t u r e ，t h e p r i n c i p a lp a r t s p r o d u c i n gt h ev i b r a t i o nw e r eo b t a i n e d t h es u g g e s t i o nt om a c h i n et o o l s s t r u c t u r e o p t i m a ld e s i g nw a ss u b m i t ( 5 ) d y n a m i c t e s t so nm a i ns h a f ts y s t e m ，m a i ns h a f t f r a m e - b e ds y s t e ma n de n t i r e m a c h i n ew e r ec o n d u c t e d f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n s ( f r f s ) o fe a c hp a r tw e r e o b t a i n e d ，t h ew a ya n da l g o r i t h mt oi d e n t i f y t h ep a r a m e t e ro f j o i n t sw a sa n a l y z e d ， w h i c hb e c o m et h ef o u n d a t i o no f j o i n t sp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n k e y w o r d s ：d y n a m i ct e s t ，m o d a la 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 n ，j o i n t s 1 1 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师尹志宏 副教授的指导下进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期：粕垆年j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅， 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：论文作者签名： 日期：。h 冲妒年j月j 垆日 擎 第一章绪论 1 1 机床动态特性研究的内容 机床，以及大中型的加工中心，作为制造生产的重要工具和设备，其加工性 能将直接影响所加工零件的精度，而机床的工作性能是与其动态性能紧密相关的， 因此，我们有必要也必须提高机床的精度和性能。随着现代设计方法的广泛运用。 对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为现代机床设计和优化 发展的必要趋势。 机床是由多个零部件组成的复杂组合结构，仅对个别零部件进行分析，无法 全面反映机床整体的特性，特别是在动态分析中，各零部件之闻结合部的接触参 数刘动态性能的解析计算精度影响很大，因此，要准确地预测机床的动态性能， 就必须列整机进行动力学分析。 多年来，由于受到理论分析和测试实验手段落后的限制，机床结构的设计计 算主要沿用传统的结构强度为主的设计方法。传统设计方法主要是保证刀具和工 件问具有一定的相对运动关系和满足机床几何精度要求，采用经验和类比的方法 进行，设计的主要依据是静刚度和静强度，对机床的动态特性考虑较少。利用传 统方法进行机床结构的设计计算时，因为不能准确地把握机床结构与其动态特性 之间的关系，通常以较大的安全系数加强机床结构。导致机床结构尺寸和重量的 加大；其结果一来不能很好发挥材料的潜力，二来机床结构的动态特性也不会有 根本的改进和提高。后来科研工作者对机床的动态特性、切削稳定性进行了大量 的研究工作，最初是以实物或模型为基础，进行机床性能试验，从中发现规律， 分析影响机床动态性能的主要原因，寻求解决问题的方法，处于弄清机理，说明 现象的定性阶段。从二十世纪六十年代中期以来，由于振动理论和结构动力学理 论、动态试验技术、计算机技术等方面的发展，为机床的动态特性研究提供了峨 实的理论基础和先进的测试手段，使研究进入一个全新的计算机辅助分析和优化 设计的定量研究阶段，系统地建立了机床动态特性的研究理论，达到了一定的实 用程度，并在不断地深化和发展。 目前，对机械结构或结构动态性能的研究主要有三种基本方法，即有限元理 论建模及分析方法、试验建模及分析方法和二者相结合的方法。 有限元理论建模及分析方法是基于结构动力学原理，根据结构的设计方案、 昆叫型j ! 学i ：【i j 3 7 学位论文 一 图纸、先验知识和资料等建立起来能模拟机械结构动态特性的有限元动力模型， 而无需依赖已有的机械设备。通过对该动力学模型的分析计算，即可获德该机械 结构各种模拟的动态特性。这不仅可以检验其动态特性是否满足设计目标，是否 需要对结构进行修改，还可通过对理论模型的讨。算机钫真，预估结构设计及其改 进后的动力特性或对其进行动态优化设计。从而可对多种设计方案反复进行分析 比较、修改t 使其动态特性逼近设计目标函数的要求。从而可经济、迅速魄达到 优化没计的目标，把提高机械结构动态性能的问题解决在方案及图纸设计阶段， 这是该方法最突出的优点。该方法的不足之处在于对结构、各结合部连接条件及 其等效动力学参数、阻尼假设、各种边界条件的近似及简化，以及近似计算等带 来的误差，影响了所建有限元模型的模拟精度，从而也就影响了其动态特性的模 拟精度。虽可对模型进行反复修改及调整，以提高其模型精度，但该模型始终难 以与实际工况完全吻合，动态特性的模拟误差难以避免。为了改进建模方法，试 验建模得到了迅速发展。 试验建模又称系统辨识，是通过观测到的系统的输入、输出数据，对系统确 定个数学模型，使这个数学模型尽可能精确地反映系统的动态特性。人们以一 定的假设( 如线性、定常、稳定、能观等假设) 为前提，以一定的理论( 如线性 振动理论、线性系统辨识理论、信号分析理论等) 为基础，以动态试验及其所得 信息的分析处理为手段，研究得到了系统辨识的多种方法，从而可建立试验所得 的动力学模型，对其进行分析隶解，即可求得其动态特性。这就形成了试验模态 分析的理论和方法。由于这种方法是对现有设备( 或其试验装置) 的典型工况进 行动态试验建模，所以避免了结构、各结合部连接条件及其等效动力学参数、阻 尼假设、各种边界条件的近似及简化，以及近似计算等带来的误差，故所得试验 模型与现有机械结构的实际工况有较高精度的吻合，因而模型及其动态特性对机 械结构的模拟精度都较高，这是该方法最突出的优点。该方法的不足之处在于： 需对现有样机( 或模拟试验装置) 进行动态试验，以改进其动态特性，未能把提 高机械结构动态性能的问题解决在方寨及图纸设计阶段；一般来说，需备有动态 试验所需的激励、测试、信号分析及数据处理等设备及系统，因而投资较大；由 于动态试验及信号分析数据处理过程中均带有各神随机噪声于扰，溅试仪器仪表 的误差，附加质量的影响，信号的模数转换误差，信号的各种变换、加窗截断带 来误差，参数识别的误差，计算误差等均会对激励、撂应信号及模型带来误差t 从1 m 也会列求得的动态特性带来定的误差。 理论建模和试验建模各有自己的优点，又各有其局限性n 因此，将理论建模 一 塑= 垦堑笙 和试验建模结合起来应用是一个理想的方法。综合建模就是将有限元技术和模态 分折技术有机地结合起来，发挥各自的长处，以得到能确切地反映实际，实用的 动态分析技术。利用测试得到的较准确的模态参数来修难理论模型，使修正后的 理论模型能够确切地模拟结构的动力特性，在这样的动力学模型基础上进行分析 和优优设计，就能够充分发挥理论分析的作用。采用有限元法与试验模态分析和 结合的建模方法，有利于在不同设计阶段采用不同的建模方法，提高建模的质量， 更好地满足对系统提出的预定的要求。 1 2 机床结构动态性能研究概况 1 理论建模及分析 理论模态分析是在用理论方法建立系统的动力学模型之后，采用数值方法对 模型进行求解。建模方法包括传递矩阵法、集中质量法、分布参数法以及有限元 建模法等。 早在1 9 6 4 年m a l i t b a e k 和t a y l o r ，t o b i a s 就提出了关于摇臂钻床刚度计算的研 究报告，采用了集中质量法的思想，提出用简单梁元素连接集中质量，建立机床 结构动力学模型的方法，并计算出与实测值比较一致的周有频率和振型。这种方 法的问题在于如何用简单合理的力学模型来模拟复杂的机床结构，而且再进行复 杂结构的动力分析，精度比较低。虽然这种方法存在着很大的缺陷，但它却指引 着后来的学者努力的方向。之后很多学者进行了相关的研究。特别是m y o s h i m u r a 和t h o s h i 等进行了系列有价值的避一步研究。1 9 7 1 年，m y 0 s h i m u r a 和t h o s h i 建立了单柱刨铣床不包括结合部在内的分布质量梁动力学模型并从能量平衡的 原理对机床结构进行了优化设计。同年，国际生产工程研究协会c i r p 对用分布 质量梁和集中质量建立机床动力学模型的方法发起了联合研究，联邦德国、日本、 英国、比利时等多国学者参加了研究，具体对象是卧式铣床。研究结果比较一致， 并对汁算过程中产生的误差及各种计算程序的效率进行了研究，得出的结论指出： 采用这种建模方法时，力学模型的确定，直接影响分析计算的结果。机床结合部 参数处理办法不同，也会导致不同的分析结果，即结合部的阻尼、刚度对机床结 构的动态特性具有很重要的影响作用。为了提高分析精度，用更接近于实际结构 的模型来进行机床的动态特性研究，首先是s t e p h e n 等在】9 6 8 年把有限元应用于 机床结构的建模中。有限元模型方法和集中质量分布质量梁模型是两种各不相同 的特点。为了综合这两种方法的优点，h s a t a ，z k u r o d a 和m s a g a r a ，m w e e k 等人 昆叫理t 人学顶_ 上学位论文 用有限元和分布质量梁相结合的方法建立了车床的整机动力学模型，编制了相应 的计算机程序，对车床的动态特性进行了分析和计算。1 9 7 5 年，m y o s h i m u r a 综 合了集中质量、分布质量梁和有限元模型的特点，研究出了用于三种子结构组成 的动力学模型及计算机程序，用这个程序对双坐标镗床的动态特性进行了分析和 优化。另一方面，对于含有多种结合部的大型复杂机械系统，为了解决由于结构 自由度数多而导致分析计算难以进行的矛盾发展起来了种动态子结构综合方 法。它是以机械阻抗法为基础的。2 0 世纪中，早在4 0 年代初期，b i o t 就提出了 机械阻抗的概念，并在4 0 年代中期由h s e r b i n 和t c s o f r i n 先后将机械阻抗的概 念用于组合结构的动力分析中。2 0 世纪6 0 年代，机械阻抗法开始以一种试验分 析与理论计算相结合的分析方法发展起来。模态综合法则是以瑞利一李兹法为基础 发展起来的。2 0 世纪5 0 年代中期，b a h u n n 曾利用机翼的刚体模态积悬譬弹性 模态分析过机翼的固有振动问题，并把部件模态引入到整体结构的动态李兹分析 中，构成了模态分析方法的基型。2 0 世纪6 0 年 弋h u r t y 穰g l a d w e e 等人正式提 出了模态分析方法的概念，并对古典模态综合技术进行了改造，形成了近代摸态 综合投术f 。 2 试验模态分析 试验模态分析开始于2 0 世纪3 0 年代，最初用于铡量飞机模态参数。当时用 于测量动态力的传感器十分原始，采用的模拟处理方法又使处理过程十分费时， 因此在大多数实际情况下不能应用。到了6 0 年代，数字微机和傅氏变换及快速傅 氏变换等数字处理技术的发展，结构动力特性研究得到迅速发展，试验模态分析 开始了新纪元。 近3 0 年来，大量文献通过试验及数据处理来识别实际结构的动力学特性，发 展了许多试验建模方法【2 3 ，4 ，5 ，6 ，7 1 把复杂结构的运动简化成模态模型，通过激励_ n 向应的因果关系来描述系统中各环节的动态特性，大大简化了系统中求解的数学 运算，而且也为应用控制理论和借助计算机实现最优控制提供了可能性。因此试 验和计算模态分析的结合成为解决现代复杂结构动态特性设计的辐辅相成的重要 手段1 2 6 1 。试验模态分析涉及的内容有四个方面：模态理论、动态测试技术、信号 分析和数据处理、参数估计。 ( 1 ) 模态理论 模态理论是模态分析的基础，近几年来- 它已经由传统的线性位移实模态、 复模态理论发展到广义模态理论，并被迸步引入非线性结构振动分析领域- 一 些学者还发展了其他场的模态( 如应变模态、应力模态) 理论a 传统模态理论包括 d 第一章绪论 实模态理论和复模态理论，它研究和描述系统的固有振动特性其实质是种坐 标变换过程1 4 , 8 _ l ，即利用模态作为r i t z 基，将结构的动力学方程解耦成为一系列 单自由度动力学方程的总和，从而为理论分析或试验研究带来极大的方便。实模 态理论历史悠久，最初是由无阻尼的线性结构振动保守系统导出的，后来被推广 到若干种特殊的结构振动系统【9 】，它的理论基础是正交条件。r a y l e i g h 最早提出 可以得到正交实模态的阻尼条件，而c a u g h e y 【1 0 ，提出最般的阻尼对角化条件。 对于线性非保守非经典阻尼多自由度系统已有许多研究。主要的方法有两种，一 种是状态空间法，其优点是可以解耦，不足是人为增加求解未知量，另一种是位 形空间法，这是习惯方法，其不足是不能利用正交条件解耦。m e i r o v i t c h ”1 1 9 6 7 年论述了非比例阻尼的复模态理论。f a w z y 和b i s h o p 1 3 j 1 9 7 6 年在位形空间论述了 一般复模态理论，建立了复杂的新的正交关系，然后再把响应按复特征矢量展开 求解。胡海昌1 1 4 1 1 9 8 0 年得到了复传递函数的展开式，可以避开正交条件直接得到 响应表达式。该方法较上述两种方法有独特的特点。1 9 8 7 年n e w l a n d t j 5 j 又在状态 空间对复模态作了进一步的论述。国内倪金福和张阿舟【l “，张阿舟和朱德懋【i ”， 李德葆1 8 1 等都详细研究过对称系统的复模态理论；郑兆昌，谭明一【1 9 , 2 0 用摄动法 研究了复模态理论，用级数渐进展开法使实模态修正成复模态。近年来国内学者 还在继续复模态的讨论和完善工作 2 1 , 2 2 , 2 3 】。 ( 2 ) 动态测试技术 试验模态分析技术早在2 0 世纪3 0 年代提出来之后，初期集中在对系统的机 械阻抗的测量，五十年代出现了测量机械阻抗的专用传感器( 阻抗头) 。六十年代 中期。随着跟踪滤波技术的突破，出现了以跟踪滤波技术为基础的传递函数分析 仪和以数字相关技术为基础的频率特性分析仪，使稳态正弦激振的测试技术得到 了解决；随着c o o l y 和t u k e y 提出的快速傅里叶计算方法和计算机技术的发展， 时序分析技术、相关分析技术和功率谱分析技术的应用，出现了许多种性能不断 完善的动态分析系统，如f f t 分析仪、数据处理机以及在软件和硬件方面都扩展 了功能的计算机辅助模态分析系统。相继产生了各种随机和瞬态的激振试验方法， 并且基本上解决了瞬态、随机激振的测试技术及数据处理问题。激振技术从最早 采用的单点稳态正弦激振试验方法逐渐发展为多点宽频激振试验方法，以及瞬态 脉冲激振、随机激振等多点多次激振等方法。另一方面，激励信号也从稳态正弦 信号发展成为纯随机信号、伪随机信号以及瞬态脉冲激励信号等多种激励信号。 激励技术的发展为试验模态分析技术的发展和应用创造了条件。 ( 3 ) 信号分析与数据处理 昆明理r 大学项十学位论文 1 9 6 7 年世界上第一台基于f f t 的动态信号分析仪问世，为动态信号分析技术 在振动、冲击、噪声等领域的应用开辟了新纪元。3 0 年以来，动念信号分析经历 了三次浪潮，取得飞速的发展【2 4 1 。1 9 6 7 年1 0 月t i m e d a t a 公司研制成功世界 上第一台基于快速傅里叶变换的f f t 分析仪，是动态信号分析历史上的一大突破， 劳很快在动态信号分析中获得应用。1 9 7 2 年，t i m e d a t a 公司又推出了基于小型 计算机p d p i i 的t i m e d a t a l 9 2 3 型f f t 分析仪。同时，h p 公司于6 0 年代后期 推出了基于h p 小型计算机的h p 5 4 5 0 动态信号分析仪。随后，又于1 9 7 2 年研制 成功h p 5 4 5 l ，并很快应用于飞机地面和飞行振动试验中。与此同时，该仪器在振 动台随机振动控制、振动模态分析和特征信号分析中获得巨大成功，形成了动态 信号分析技术的第一次浪潮。针对f f t 分析仪体积过于庞大，应用不便的缺点， 1 9 7 7 1 9 8 6 年第二次浪潮中，h p 公司、s d 公司、b & k 公司、小野测器等公司相 继研制用c p u 芯片代替计算机的所谓独立仪器式( s t a n d a l o n g ) f f t 分析仪。动态 信号分析在振动、冲击与声学工程等方面获提了广泛的应用。之后，在1 9 8 7 1 9 9 6 年的第三次浪潮中，h p 公司、z o n i c 公司、b & k 公司、d i f a 公司、小野测器 等公司又推出了多通道、高性能动态信号分析系统以满足大型、复杂结构动态测 试的需要。 自从鲢界上第一台f f t 分析仪器推出以来鸽短短3 0 年中，动态信号分析技 术经历了三次浪潮，动态信号分析的面貌发生了根本的改变，信号分析已经由早 期的机械阻抗分析仅发展成为f f t 分析仪以至各种分析系统：分析手段也从单点 分析发展到采用各种宽频带激振的快速频响测试技术和在小型计算机上实现的多 自由度频域、时域模态识别方法；动态信号分析技术已广泛深入到科研、教学和 工业生产第一线。成为航空、航天、汽车、机械、土木以至家电等工程领域的产 品设计、开发、使用、维护的重要手段，并成为环境振动、噪声治理的不可或缺 的工具。 ( 4 ) 模态参数识别方法 在试验模态分析技术的理论分析方面，由于引进了控制理论中的传递函数的 概念，建立了描述系统动态特性的传递函数和模态参数解析的统一理论基础，使 得模态分析理论自2 0 世纪7 0 年代以来发展很快。从实模态理论发展到复模态理 论，出现了许多模态参数识别方法。模态参数的识别最早是在频域内以图解的方 法识剐，而后发展到计算机优化识剔，并且从频域识别发展为时域识粥，在这方 面很多学者作了大量的工作。a ，l k l o s t e r m a n ，a b e r m a n 2 5 ”1 和 w g g i a n n e l y l 2 7 1 。n m i r a m a n d l 2 的等剖造了许多种在凝域内识尉模态参数的方法c 6 第一章绪论 r p o t t e r ，m r i c h a r d s o n l 2 9 1 h g d g o y d e r l 3 0 】等提出了频域内的复模态参数识别方 法。1 9 7 3 一1 9 7 6 年问，s r i b r a h i m 连续发表了多篇论文，形成了独具一格的时域 模态参数识别方法推动了时域模态参数辨识方法的发展l3 l 】f 3 2 】，称为i b r a h i m 时 域法( 简称i t d 法) 。7 0 年代后期发展起来另一种单输入多输出的模态参数识别 方法，就是最小二乘复指数法( l s c e 法) 。在测量坐标数比待辨识坐标数多的情 况下，计算量比i t d 法小得多，成为7 0 年代后期模态分析软件包中采用的主要 方法之一。1 9 8 2 年美国结构动力研究公司的h a r v a r dv o i d 提出了多参考点复指数 法( p r c e 法) ，该方法同时利用所有激励点和响应点的数据进行分析，大大增加 了参数辨识的信息量，从总体上识别模态参数。使识别精度大大提高。1 9 8 4 年美 国国家航空与宇航局所属的l a n g l e y 研究中心又发展了特征系统实现法( e r a 法) 。它识别精度高，是新近发展起来的时域多输入多输出模态参数辨识方法。但 当测点较多时，解题规模十分巨大，一般只能在大型计算机上实现。 模态分析技术的发展推动了由试验数据建立系统动力学模型的方法的发展。 试验建模的方法可以分为两类：一类是以模态参数为基础的办法；另一类是根据 动态测试数据和识别振动结构的物理参数，建立起系统的动力学模型。1 9 7 6 年， j t l u s t y 3 3j 等人利用前一种方法建立了五自由度的立铣动力学模型，模型的分析结 果与试验数据能够较好的一致。利用坐标变换法识别出物理参数，这种方法的精 度完全取决于模态参数的识别精度和矩阵求逆的误差。1 9 7 4 年，r m m a i n s 和 w e n o o n a n 蚓首先提出了不利用模态参数。直接用测试得到的传递函数来识别系 统的物理参数。s r i b r a h i m t ”】1 3 6 】在1 9 8 2 年提出了一个从复模态中识别主模态， 进而根据主模态识别出结构的物理参数的方法。 ( 5 ) 试验模态分析的集成系统 随着试验模态分析的发展和研究对象的复杂化，对系统进行模态分析已不可 能采用手工计算的方法来完成，必须借助一定的集成系统和专用设备才有可能圆 满地完成模态分析的任务。目前，国际国内各种商品化的模态分析软件层出不穷， 其中比较常用的包括我国东方振动研究所的m a s p 、d a s p 等系列软件、比利时 的l m sc a d a x 试验模态分析软件以及辛辛那提大学、h p 公司、小野测器等开 发的试验模态分析软件以及丹麦的b & k 模态参数识别系统等。 各种模态分析软件都是和一定的数据采集系统联合使用，完成从数据采集到 模态参数识别的一系列工作。我国的m a s p 、d a s p 等系列软件提供了强大的模 态试验分析能力，可以完成示波、采样、信号处理、模态分析以及后处理等功能， 整个系统提供了频域分析的方法。而比利时的l m $ c a d a - x 试验模态分析软件 昆叫理丁大学硕 一学位论文 提供了灵活的、丌放的数据库管理功能，提供了快速而灵活的方法来建立结构的 三维线架模型，还提供了全套的模态试验方法，包括锤击模态试验、m i m o 随机 激励模态试验、m i m o 步进正弦模态试验、m i m o 正弦纯模态试验等。这些模态 试验软件的共同特点是多通道信号并行采集、控制多通道信号源输出、输入信号 调制、多通道示波器功能、实时在线显示功能、多达3 2 0 0 条f f t 谱线、每通道 分析频率范围大于2 0 k h z 、多种在线后处理测量函数库、在模态参数识别方面提 供单自由度法、复模态指示函数法、时域多自由度方法和频域多自由度方法等1 3 7 】。 随着模态分析软件的不断升级，它正在向以下方向发展【3 8 1 ：1 在各工程领域 的应用：2 非线性系统的模态分析；3 输入不可测的现场试验模态分析；4 机械结 合部的模态分析。 3 综合建模 综合建模发展于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 5 年k a s t e t s o n 3 卵提出了阶摄动法： 1 9 7 9 年，j c c h e n l 4 0 l 提出了矩阵摄动法。假设振型矩阵的变化量是计算振型矩阵 的线性组合，分别根据瑞利商原理和正交性原理，推导出以质量和刚度为摄动量 超定方程组，又最小二二乘法求出结构参数的变化量。1 9 8 3 年，j c c h e n 4 1 】又提出 了从模态试验结构中直接识别结构物理参数的方法。由于测试得到的模态数往往 低于理论模态数，l b u g e a t 在1 9 7 8 年提出了相应的算法。先找出由于振型的增量 和频率的增量所引起的质量增量和刚度增量的最显著部分，再计算这部分自由度 的物理参数的改变量。a b e r m a n t 4 2 1 在1 9 7 1 年提出了不完整的动力结构模型理论， 并在l9 7 5 年，1 9 7 9 年不断加以完善。其方法的优点是不需要计算特征值和特征 向量，用试验数据特征向量和频率来修改理论计算的质量、剐度矩阵，直接得到 结构参数。f ，s w e i 4 3 1 1 9 7 9 年用相似的方法找到了刚度矩阵。彭晓洪1 4 4 1 对b e r m a n 的算法提出了个改进算法，使修正矩阵也带有带状性质，使计算简化。这些方 法的共同特点是认为试验得到的数据与分析数据有一个很小韵变化，它们只引起 原分析系统的个很小的摄动，具有测试值是原系统分析值与摄动值之和这样一 利t 关系，根据试验数据与分析数据的变化量来估计结构参数的变化。 利用测试数据修正有限元模型，是当前进行机床结构动力分析和动态设计比 较有效的途径。 4 结合部动态特性研究 理论和实验分析表明，零部件与零部件联接处的结合条件对结构性能的解析 计算精度，特别是结构的动态特性解析计算精度影响很大。有的学者估计，一台 机床9 0 d a 上的阻尼和5 5 的动柔度均来自结合部。所以有必要对结合部参数 r 第一章绪论 进行识射。而结合部参数的识别问题是目前动力学研究领域中一个重要而困难的 问题。 从2 0 世纪6 0 年代开始，人们就开始着手研究结合部问题，研究内容涉及结 合部刚度和阻尼枫理、结合部建模、参数识别、动力特性分亭厅、对机械结构系统 建模及动力特性的影响等诸多方面。其中，结合部刚度和阻尼机理的研究。是揭 示和把握结合部影响因素的关键。4 0 多年来，人们从宏观到微观、从现象副本质， 通过理论分析和试验测试，对机械结构系统中各种典型结合部的作用机理进行里 大量研究，并取得了相应的研究成果。伊东宜h 、b o h l e n 4 6 1 、张学良4 7 等人曾 列螺栓结合部的刚度和阻尼特性进行了分析，得到了剐度和阻尼随着正压力p 、 结合表面的不同加工方法以及结合表面间的介质变化的规律。对于平面联接结合 部的剐度和阻尼特性，基尔萨波娃、科巴赫、索恩利等人进行了深入地研究l l j 。 1 9 7 9 年，吉村允孝对机床结合部进行了研究【4 引，测定了结合面不同结合条件下的 等效刚度和等效阻尼，获得了在结合部单位面积正压力下，不同结合条件的等效 刚度和等效阻尼数据图表，从而提出了可利用结合面单位正压力下的数据获得整 个结台面的剐度和阻尼的方法即结合面积积分法。并将该方法应用子双柱立车 的理论建模中，分析结果表明了该方法的有效性。吉村允孝通过实验证明，尽量 结合面的接触面积不同，但只要平均接触压力相同，结台面每单位面积值的动态 数据均能用于具有同样接触表面特性但形状和接触面积不同的一般结合两。当结 构确定后，相应的结合面也就确定了，这是只要根据结合面条件由图表壹出相应 的单位面积的特性参数，乘以结合砸的面积即得到结合面的等效刚度和阻尼。另 外，f a ns i z h e n g 9 1 在对滑动导轨的刚度和阻尼特性研究中，分折了等效剐度和阻 尼随接触压力和接触面间的介质变化的规律。江早等人【5 0 1 对阻尼油膜的动态特性 进行了模拟分析，定量地分析了平行间隙式阻尼油膜对滚动导轨系统动态特性的 影响。金永辉等人【5 1 1 研究了机床固定锥度结合部的刚度和阻尼特性。对普通滚动 轴承的刚度和阻尼特性的研究由于滚动轴承的广泛使用而显得尤为重要t 比利时 l e u v e ，、大学和德国a a c h e n 大学对滚动轴承的支承刚度和阻尼特性进行了测定 【52 l ，得到了转角刚度、阻尼随预加载荷、转速以及间隙变化的关系。值得注意的 楚，以上的工作成果大都局限在对结合部机理的定性解释上，还不能完全真正解 释结合部作用机理的本质。囡此，可以说关于结合部问题的研究还远未成熟，并 由此导致后续的结合部建模及参数识别等都只能建立在对结合部的基本假设和定 性等效的基础上，从而影响了对机械结构系统动态性能的研究。 结合部参数的识男f j 问题是结合部问题中的又一重要漾题，过去，人们对此所 昆i 埘理 i 人学硕士学位论文 做的工作包括利用结构实测频率响应f r f s 进行结合部参数的识别和利用结构实 验模态参数进行结合部参数的识别。早在2 0 世纪7 0 年代初，i t o 【”1 。d e k o m i n c k t 5 4 1 曾用静力变形方法研究过螺栓联结的弯曲剐度与切向刚度。由于静态实验条件下 识别的结合部刚度参数难以反映其结合部的动态特性，因此，后来的研究重点主 要是利用结构的动态实验数据，进行结合部刚度与阻尼参数识别。如f r i t z e n l 5 5 】， n a p i t o l e l a l 5 酣，h i e l m s t a d 5 7 1 利用整体结构的动态实验数据，对结构做整体有限元 反解，从而获得结构的刚度与阻尼矩阵( 其中也包括结合部的刚度与阻尼参数) 。 t i u s t y l 5 8 1 ，l e e l 5 9 3 利用实测模态参数，进行结合面刚度与阻尼参数的识别。y u a n 6 0 】 曾利用有限元模型自由度凝聚与实测模态参数相结合的方法识别了某机床立柱与 机座间的联结刚度与阻尼参数。y o s h i m u r a l 6 】1 6 2 1 曾采用迭代方法识别过螺栓结合 部的刚度与阻尼参数，并将其应用于机床结合部动态特性的研究。w a n