第四章模态分析

1、第四章 模态分析随着计算机技术和各种计算方法的发展，模态分析的应用领域越来越广阔，模态分析技术已经住航空、造船、机械、建筑、交通运输、海洋钻井平台和兵器装备等工程领域得到广泛应用。模态分析的应用大致可分为以下四类。(1)模态分析在结构性能评价中的应用根据模态分析的结果，即模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态频率远离工作频率，具体地说是要求工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内；对结构振动贡献较大的振型，应使其不影响结构正常工作为宜。这是模态分析的直接应用，已成为工程界的基本方法。(2)模态分析在结构动态设计中的应用以模态分析为基础的结

2、构动态设计，是近年来振动工程界开展最为广泛的研究领域之一，有限元方法和试验模态分析方法为结构动态设计提供了两条最为有效的途径，科技工作者在此基础上提出了荷载识别、灵敏度分析、物理参数修改、物理参数识别、再分析、结构优化设计方法，分别从不同方面解决了结构动态设计中的部分问题。(3)模态分析在结构损伤诊断和状态监测中的应用利用模态分析得到的模态参数等结果进行损伤判别，日益成为一种有效而实用的故障诊断和安全检验方法。损伤诊断包括机械的故障诊断和土木结构损伤诊断。例如根据模态频率的变化判断机械结构裂纹的出现与否；根据模态分析判断裂纹的位置；根据模态频率的变化判断水泥桩中是否存在裂纹和空隙；根据位移模态

3、、曲率模态、应变模态、模态柔度、模态应变能等指标可以诊断结构损伤位置及程度等。(4)模态分析在声音控制中的应用声音控制包括利用振动和抑制振动两个方面。抑制诸如机车车辆、汽车、内燃机、工程机械等结构振动的辐射噪声是目前重要的研究领域之一，模态分析理论为分析噪声产生的原因及相应的治理措施提供了有效的方法。目前模态分析技术已经成为一门重要的工程技术，科技工作者将模态分析的应用扩大到更广的范围。本章主要介绍模态分析理论，主要围绕模态分析理论基础、信号处理基本理论、模态分析实验等方面介绍。3.模态试验3.1 时间历程的测量3.1.1引言下图表示典型的实验模态分析的各个方面，每一方面都要求有专门的仪表设备

4、。模态分析试验中，必须给结构施加一个振动力，激振系统或冲激锤就是担当这一任务的；力传感器测量输入到结构中去的激振力，运动传感器测量输出的振动运动。这些信号经过分析系统加以处理：分析系统将这些信号离散化并用以估计频响函数。对于多个激励和响应组合情况来说，这个过程要重复多次。所有这些频响函数储存在分析系统的磁盘存储器上。下一步，分析系统将根据测得的频响函数来确定试件的模态特性(系统极点、振型向量、模态参与因子)。另外，动画软件将在显示屏上按线条模型模拟结构的模态振型。进行实验模态分析的第一步，是获得被测结构激励和响应的时域信号，即时间历程。如果后面采用频域法作参数识别，则必须获得激励和响应两种时间

5、历程信号。如果是采用时域法作参数识别，有时只需(有些情况下也只能)获得响应的时间历程信号。获得振动结构所受激励和振动响应的时域信号是振动测试技术的基本内容。模态试验是一类特殊的振动测试技术，实验过程有许多特殊之处。这里介绍时间历程测量基本技术的基础上，重点讨论与模态实验有关的测试技术。对一个确定的实验对象一般的振动测试系统由以下3部分组成：激振部分：包括信号源、功率放大器、激振装置；拾振部分：包括力传感器、响应传感器、适调放大器；分析、显示、记录部分，包括各种分析仪及其外围设备(显示、记录仪器等)。 如果进行模态实验分析，上述3部分可更详细地叙述如下：将试验结构以适当方式支撑起来；选择适当方式激励试验结构，通过拾振系统测量、记录激励和响应的时间历程(后面采用时域法时往往只需记录响应的时间历程)；将记录到的激励和响应时域信号送入AD(模数)转换器，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号；如果采用频域法进行参数识别，需把上述时域数字信号进行快速傅氏变换(FFT)转换为傅氏谱，通过一定的数字