简支梁模态分析实训报告

1、20132014学年第二学期简支梁模态分析实训报告 学院：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器 班级：11级测控一班 姓名： 学号： 联系电话： 指导老师：20132014学年第二学期1一、模态分析的步骤31. 确定分析方法32. 测点的选取、传感器的布置43. 仪器连接44. 示波45. 输入标定值56. 采样56.1 参数设置66.2 结构生成67. 传递函数分析77.1 参数设置77.2 采样78. 进行模态分析8二、模态分析实例8（1）测点的确定9（2）仪器连接9（3）示波10（4）参数设置10（5）采样12（6）传函分析14（7）模态分析15三、实训总结23简支梁模态分析实训报告

2、模态分析是一种参数识别的方法，因为模态分析法是在承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”。模态分析实质上是一种坐标变换，其目的在于把原物理坐标系统中描述的相应向量，转换到模态坐标系统中来描述，模态试验就是通过对结构或部件的试验数据的处理和分析，寻求其模态参数。模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量（或称特征振型、模态振型）。试验模态分析便是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建

3、立传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。主要应用有:用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。可用模态试验结果去指导有限元理论模型的修正，使理论模型更趋完善和合理。用模态试验建立一个部件的数学模型，然后再将其组合到完整的结构中去。这通常称为子结构方法。用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。用来进行响应计算和载荷识别。由于理论模型计算很难得到模态阻尼，因而进行响应计算结果往往不理想。利用模态试验结果进行响应计算则无此弊端。一、模态分析的步骤1. 确定分析方法DA

4、SP中提供的模态分析方法有多输入单输出法、单输入多输出法和多输入多输出方法。一般采用较多的是多输入单输出或单输入多输出方法，在这两种方法中选取时，视哪一种方法简便而定，如激励装置大、不好移动但传感器移动方便就选取单输入多输出方法（即单点激励、多点移步拾振）；如传感器移动不方便但激励装置小、容易移动就选取多输入单输出方法（即单点拾振、多点移步激励）。 有时结构因为过于巨大和笨重，以至于采用单点激振时不能提供足够的能量，将我们所感兴趣的模态都激励出来；其次，结构在同一频率时可能有多个模态，这样单点激振就不能把它们分离出来，这时就要采取两个甚至多个激励来激发结构的振动，即采取多输入多输出方法。 在D

5、ASP中进行模态分析时，由于采用了高弹性聚能力锤和先进的变时基传递函数分析技术，对于象大型铁路桥、火箭发射平台这样的大型结构用力锤敲击就能分析出结构的模态；对于大型的混凝土结构（如大楼）可以以天然脉动作为激励信号进行模态分析。所以在大多数情况下，采取单输入多输出或多输入单输出方法就可完全满足工程需要。2. 测点的选取、传感器的布置 选择好分析方法后，就要根据结构的特点和试验目的确定测点的数目和布置，以及传感器的安装方法等。 测点的选取包括激励点和响应点的选择，如是单输入多输出方法，要先确定敲击点的位置，敲击点位置的选择很重要，要尽量避免选在前几阶模态振型的节点处，以免丢失模态。然后是确定响应点

6、的数目和每一个测点的位置；当采取多输入单输出方法时，要先确定拾振点的位置，然后再确定敲击点的数目、方向和每一个敲击点的位置。（关于测点的选取，后面还会结合例子进行进一步说明） 选取测点时，还要考虑传感器安装的方便，测点选定后，传感器如何安装（用磁座、橡皮泥还是螺钉固定）要和结构的具体情况结合，有时还需要专门做夹具以利于传感器的安装。3. 仪器连接使用INV系统比较典型的几种连接方式有：力传感器 DLF系列四合一放大器（电荷输入通道） 东方科卡 DASP采集分析系统DASP,(Data Acquisition & Signal Processing),数据采集和信号处理压电传感器 DLF系列四合

7、一放大器（电荷输入通道） 东方科卡 DASP采集分析系统速度或位移传感器（输出电压的传感器） DLF系列四合一放大器电压输入通道 东方科卡 DASP采集分析系统速度或位移传感器（输出电压的传感器） INV LF（AF）系列低通滤波放大器 东方科卡 DASP采集分析系统DLF四合一放大器或INV LF低通滤波放大器东方科卡+DASP采集分析处理软件传感器图1 测试仪器连接图示4. 示波 采样测试以前要进行示波，通过改变放大器的增益调整波形的大小，使采样数据的信噪比尽可能大，但又不会出现饱和的情况。建议在示波过程中出现的电压最大值（正常数据）控制在3伏以下，这样即使偶尔出现大信号也不至于饱和。5.

8、 输入标定值 通过示波调整好仪器的状态（如传感器档位、放大器增益、是否积分以及程控放大倍数等）后，要在DASP参数设置表中输入各通道的工程单位和标定值。 工程单位随传感器类型而定，或加速度单位，或速度单位，或位移单位等等。 对于种连接方式，假设：传感器灵敏度为KCH（PC/U）（PC/U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，则此处为PC/N；如是加速度，而且参数表中工程单位设为M/S2，则此处为PC/M/S2）； 四合一放大器电荷增益（有的机器也叫单位增益）为KE（V/U）； 灵敏度适调为KSH（PC/U）（DLF-2上为钟表式、DLF-3上为拨钮式）；

9、积分增益为KJ（功能选择为线性时KJ=1，为积分时KJ=1，为积分时KJ=10，为积分时KJ=100。 有的仪器只有两个积分档，此时积分时KJ=100，积分时KJ=10）； 电压增益为KV。（对于以前的四合一放大器，只有电荷增益或单位增益，此时KV取1即可）。则DASP参数设置表中的标定值K为： （1） 对于第种连接方式，假设传感器灵敏度为KCH（mv/U）（mv/EU表示每个工程单位输出多少mv的电压，例如mv/mm，mv/m/s，其中工程单位要和DASP参数设置表中的工程单位一样）；其余符号的意义和前面的一样。对于DLF-2四合一放大器以及电荷增益和电压增益没有分开（即只有单位增益旋钮）的

10、DLF-3放大器，在DASP参数设置表中输入的标定值K为： （2） 对于电荷增益和电压增益分开的DLF-3四合一放大器： （3） 对于第种连接方式，假设传感器灵敏度为KCH（mv/U），INV低通滤波放大器的增益为KV1，则在DASP参数设置表中输入的标定值K为： （4）6. 采样6.1 参数设置进行模态分析，首先在文件菜单命令中选择“新建”命令，出现图 1所示对话框，输入试验名、试验号和数据路径，应和频响函数的试验名、试验号和数据路径一致，今后所有模态分析的相关文件都将存放在数据路径中。试验名、试验号和数据路径确定后，应在菜单命令中选择“设置参数” ，出现图1 、图2所示对话框。图1 图2传

11、感器类型：根据响应传感器的类型，在位移、速度、加速度和应变中选择一种。如选择应变，表示响应传感器的类型为应变片，这时采用单点激励多点响应(SIMO)将得到应变模态，但得到的模态结果如采用普通的振型编辑方法，其模态质量和刚度为不确定值；要得到完整的应变模态结果，需要先得到其位移模态的结果，再采用应变模态振型编辑的方法编辑振型。如采用多点激励单点响应(MISO)仍将得到位移模态，但得到的模态结果如采用振型归一的办法，其模态质量为不确定值。如果没有购买应变模态分析模块，则传感器的类型选择中没有应变。6.2 结构生成生成或修改几何结构，包括输入几何坐标、连线信息、面信息和约束信息。这部分工作必须在振型

12、编辑以前完成。生成结构包括输入结构各几何结点的坐标和各几何结点之间如何连接的连线信息和面信息。如果结构比较复杂，可将结构划分成多个部件，通常情况下为一个部件。每个部件可选择不同的子坐标系，有直角坐标、柱坐标和球坐标三种坐标系供选择，子坐标系还可设置自己的原点和三个轴坐标的方向，缺省时和总坐标相同。几何坐标采用何种长度单位都可以，如 m、cm、mm 都行，但对于多个部件，所有部件必须采用相同的长度单位。约束信息指的是各几何结点三个方向的测量情况，对于单输入多输出测量方向为响应传感器的方向，对于多输入单输出测量方向为激励力的方向，在所测方向填上对应的测点号（时域模态）或频响函数测点号（频域模态）即

13、完成了约束信息的输入。在测点号前加负号表示测量方向与坐标轴正向相反。没有测量的方向不用输入。如果有某个测点无法直接测量，可测量其附近两点，通过这两点合成得到该点的约束。如果某个方向的测点无法直接测量，也可测量其它的两个相互垂直方向，再通过投影得到。7. 传递函数分析7.1 参数设置变时基采样适用于锤击法，为模态分析的频响函数分析准备数据。标定值和工程单位的设置同随机采样和触发采样。采样前应首先设置采样参数，然后用示波命令检查各测点是否工作正常，放大器档位是否合适，放大器档位确定后，再返回采样参数设置设定采样频率、变时倍数、触发电平、触发滞后点数、程控放大倍数，各通道测点号、标定值、工程单位等。

14、对于有些类型的硬件，可设置每通道是 AC 或 DC 的输入方式，采入端是电压、ICP、电荷还是应变方式。设采样参数对话框如图3所示。图 37.2 采样采样时，可通过“采样”命令进行。第一次触发采样前，要先检查同名文件，如同名文件存在，会出现提示信息，按“否”钮停止采样，按“是” 钮继续采样，覆盖已经存在的文件。采样前，还要检查数据路径是否有足够的空间。如果没有，会出现提示信息，告知当前的空间只够采多长的数据，这时你可更换数据路径，也可进入 Windows 资源管理器清理出空间。采样过程中，右边有提示信息“等待触发，按Q键停止采样” ，采样过程中，只有按Q键或“停止”按钮才能提前结束采样。采样完

15、成后，直接进入回放状态图48. 进行模态分析在主菜单中选择“A 分析”子菜单，选择模态分析功能，接着按回车键选择多输入单输出分析方法，按下面的步骤作模态分析。选择集总平均方法，程序把计算的十一个传函结果进行平均，完成后，屏幕显示平均结果：移动屏幕上两条红虚线，收住峰值，具体操作可以按F1键得到帮助，也可以参见DASP说明书内容。本例的模态如下图示（共收4阶）质量归一和振型归一两种方式随各自需要任选，本例选择质量归一。编辑完成后退到模态分析主菜单。至此，模态分析已经完成，以后可以观察分析结果，也可以观察模态振型的动画显示二、模态分析实例例一、 有一根梁如下图所示，长（x向）680mm，宽（y向）

16、50mm，高（z向）8mm。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）测点的确定此梁在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方向顺序布置若干敲击点即可（本例采用多点移步敲击、单点响应方法），敲击点的数目视要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。此例中在x方向把梁分成十等份，即可以布十一个测点。选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，此处取拾振点在第五个敲击点处。1110987654321拾振点（2）仪器连接INV采集系统DASPV6.61分析软件DLF-3双通道四合一放大器11109

17、87654321力锤压电加速度传感器仪器连接如下图所示，其中力锤上的力传感器接DLF-3第一通道的电荷输入端，压电加速度传感器接DLF-3第二通道的电荷输入端，DLF-3前面板的输入选择相应地拨到电荷一端。DLF-3的两通道输出分别接INV接口箱（盒）上的第一、二通道。（3）示波仪器连接好后，启动DASP软件，选择示波菜单中的随机方式双踪时域示波，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，就要检查仪器连接是否正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至示波波形正确为止。然后退出本功能，再转到变时基方式双踪示波，选定采样频率（例如8000Hz）和变时倍

18、数（例如4倍），使用适当的敲击力敲击各测点，调节放大器的放大倍数或INV的程控倍数，直到力的波形和响应的波形大小合适为止，下图即为一个示波波形的例子。图5（4）参数设置对示波波形满意后，退出示波菜单，选择参数设置功能，出现参数设置表，首先依自己意愿取一个试验名（不超过三个字母），本例取名为：1EX（例一）；然后选择一个试验号（本例中取1）、数据路径：C:1EXOUT、结果路径：C:1EXOUT（数据路径和结果路径可以一样，也可以不一样）；采样类型设为：变时基；单位类型设为：可变；输入类型选为：工程单位；把第一通道的工程单位设为：N（牛顿），第二通道的工程单位设为：M/SS（加速度）；其余通道本

19、例不用。到此步骤，参数设置表如下所示：图6图7最后，输入标定值。通过示波已经定好了放大器的档位，力传感器的灵敏度为：KCH=4PC/N，第一通道电荷增益为KE=1V/N，灵敏度适调为：KSH=10PC/N，功能选择档为线性（KJ可假设为1），低通滤波2KHz，则按照公式（1），第一通道应输入的标定值为 （mv/N）。加速度传感器的灵敏度为：KCH=4.25PC/M/S2，第二通道电荷增益为KE=0.1V/M/S2，灵敏度适调为：KSH=10PC/M/S2，功能选择档为线性（KJ可假设为1），低通滤波2KHz，则按照公式（1），第二通道应输入的标定值为： （mv/M/S2）。标定值计算完成后，在

20、DASP参数设置表中，把光标移到“输入类型”项目栏，将工程单位改为标定值，然后输入第一通道的标定值：400、第二通道的标定值：42.5。此时参数设置表如下（图8）所示：图8参数设置完成后，按Esc 键，存盘退出参数设置功能。（5）采样在主菜单中选择“S 采样”子菜单，选择变时基方式采样功能，接着按照屏幕提示设置采样参数：第1次试验（试验号为1）、采样通道数为2、采样频率为2000Hz、程控放大倍数两通道都为1，输入测点号时，使第一通道（力通道）的测点号为：f1，第二通道（响应加速度通道）的测点号为：1，如下图所示：第几次试验-1输入采样通道数-2输入采样频率-400输入测点号1 Channel

21、 12 Channel 2f11之后，选择触发电平250mv、变时倍数4、滞后点4、采样块数4，并选择自动设测点等，最后采样参数设置屏幕如下图示：第几次试验-1输入采样通道数-2输入采样频率-400触发电平-250变时倍数-4滞后点-4采样块数-4CH.12AMP11NODf11自动设测点 N （Y） Y检查同名文件 N （Y） N对吗？ Y （N）在“自动设测点”选项中，如果选N，则在采样过程中，更换测点号时，必须手工设置；如果选Y，当采完一个测点的数据并存盘后，测点号自动递增，可以直接采下一个测点的数据，大大提高了工作效率。确认后，按任意键继续，屏幕如下所示：此时，用力锤在1#敲击点处敲击

22、，使第一通道触发采集1024个数据点（一块），观察波形，如果波形不好或出现连击现象，按R键取消本次敲击，重新采本块数据；如果对波形满意，按回车键，程序等待下一次触发，此时进行第二次敲击，当采完四块数据时（因为采样块数设置为4），提示音响两次，按S键把本次采样数据存入硬盘，可以看到右边状态栏中的力测点号（For）变为f2，响应测点号（Res）变为2，此时可以移动力锤到第二个敲击点处，进行下一个测点的采样，如此继续一直到采完十一个点的数据，存盘后，程序还会等待采样，这时按Q键，紧接着按Esc退出采样。（6）传函分析在主菜单中选择“A 分析”子菜单，选择传递函数分析功能，接着按回车键选择通用传函分析

23、，按屏幕提示输入试验号和输入、输出的测点号，如下所示：第几次试验-1输入输入测点号-f1输入输出测点号-1然后输入指数窗参数（指数窗参数意义参见DASP说明书，一般取为5即可）、回答是否去直流分量及输入谱修正系数：指数窗参数（*E-3）-5去直流分量吗-Y输入谱修正系数-0对吗？ Y （N）按任意键确认后，程序把相应的波形调出并显示出来，此时移动光标给力信号加力窗（加力窗操作参见DASP说明书中的7.13.节），力窗宽度应该比脉冲信号稍宽一些。加完力窗后如下图所示：按F9键进行分析，由于每个测点采了四块数据，所以最多可平均四次，计算完成后，屏幕显示计算的传递函数结果：按S键把结果存盘，再按M键

24、进行自动分析，按屏幕提示输入相应测点号：输入开始测点号-f2输入最后测点号-f16输出开始测点号-2输出最后测点号-16对吗？ Y （N）确认后，程序按f2-2、f3-3的对应关系自动进行传函计算，每次的计算结果都自动存盘。自动计算完毕后，可以查看计算结果，也可以不看。（7）模态分析在主菜单中选择“A 分析”子菜单，选择模态分析功能，接着按回车键选择多输入单输出分析方法，按下面的步骤作模态分析。 参数选择传感器类型为加速度原点导纳位置为5总测点数为16输入几何结构及约束询问“How many parts 1 (=10)?”时，输入1或者按回车键代替；之后选择直角坐标系生成结构，问坐标原点位置时

25、，按回车键选择缺省值；然后要求输入总共节点数，按回车键接受缺省值（实际输入时可以更改）。最后屏幕如图所示：按A键选择自动输入功能，依照下图所示输入结构生成的参数：按回车键接受XYZ坐标模式，结果程序自动生成44个（114）节点的坐标。按Esc继续下一步：输入连线信息，本例中由于上一步选择自动生成功能，连线信息也自动生成，在此可以对自动生成的连线信息进行修改，如不需要修改，按Esc继续下一步：输入约束信息，在此需要输入几何节点和实际响应测点的对应关系，由于现在不清楚几何节点的具体分布，可以按Esc键，先跳过这一步，等观察完结构后，再回到这一步输入约束。按Esc键后，屏幕显示生成的结构图，按F1键

26、可以得到操作帮助，按X、Y、Z键可以旋转结构，按N键观察几何节点的分布。生成的结构和节点分布如下图所示：从图中可以看出，节点1、12、23、34在一个横截面上，节点2、13、24、35在一个横截面上，依次类推，最后节点11、22，33和44在同一个横截面上。我们实际上只有11个测点，分别和111节点相对应，但此梁可以简化为杆件，所以应把同一截面上的点约束在同一个测点上，即节点1、12、23、34被测点1约束，2、13、24、35被测点2约束，观察结构图形并确认无错后，按Esc键，屏幕提示：OK？ Y （N）按回车键退出，屏幕显示：选择1，之后或按回车，或按Esc键一直到输入约束信息步，用方向键

27、移动光标（白色光条）到“Z”下方，如下图所示：按回车键，屏幕右下脚出现光标，提示输入约束测点号，输入1再按回车，屏幕显示：按A键自动输入，在屏幕右下脚依照下图按提示输入：程序按步长1自动增加10个测点号，如下图9所示：图10按向下的方向键，把光标往下移动一格，按回车键输入1，之后按以上相同的步骤自动输入，使节点1222、2333、3444都受测点111的约束，输入完成后，屏幕如下显示：图11输入完成，按Esc键退出，屏幕显示结构图（图11），依次按Esc键、回车键、Esc键退到模态分析主菜单。结构生成结束。然后进行FFT计算，即可得出图。图12模态拟合确定模态阶数选择集总平均方法，程序把计算的

28、十一个传函结果进行平均，完成后，屏幕显示平均结果：移动屏幕上两条红虚线，收住峰值，具体操作可以按F1键得到帮助，也可以参见DASP说明书内容。本例的模态如下图13示（共收4阶）：图13收完后，按S键存盘，然后按Esc退到模态拟合菜单。进行模态拟合有六种拟合方法可供选择，本例选择第二种方法：复模态单自由度拟合方法。拟合完毕后，返回模态拟合菜单。“比较拟合结果”（图14）是将拟合所得的结果和实测所得的传递函数曲线进行比较，这一步骤可选。图14振型编辑质量归一和振型归一两种方式随各自需要任选，本例选择质量归一。编辑完成后退到模态分析主菜单。至此，模态分析已经完成，以后可以观察分析结果，也可以观察模态

29、振型的动画显示。接着进行阵型相关矩阵校验（图15）图15显示及打印报告图16阶数频率(Hz)阻尼(%)139.7280.5502154.8630.3703270.3790.0214351.1050.201动画显示图17图 18三、实训总结模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别（系统识别），从而大大地简化了系统地数学运算。通过实验测得实际响应来寻示相应的模型或调整预想的模型参数，使其成实际结构的最佳描述。工程实际中的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分布的性质，只有掌握无限多个点在每瞬间时的运动情况，才能全面描述系统的振动。因此，理论上它们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。但实际上不可能这样做，通常采用简化的方法，归结为有限个自由度的模型来进行分析，即将系统抽象为由一些集中质量块和弹性元件组成的模型。如果简化的系统模型中有n个集中质量，一般它便是一个n 自由度的系统，需要n 个独立坐标来描述它们的运动，系统的运动方程是n个二阶互相耦合（联立）的常微分方程。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