重庆大学机械工程研究生结构模态实验报告

实验课程名称结构模态实验 开课实验室汽车结构实验室学院机械工程学院年级2014专业班机械电子1班教师签名机械工程学院制机械工程学院制《结构模态分析》实验报告开课实验室：机械工程学院汽车结构实验室学院机械工程学院年级、专业、班2014级机电1班姓名汶睿成绩课程名称结构模态实验实验项目名称结构模态分析指导教师王攀教师签名：一、实验目的1.了解结构模态分析的常用方法；2.掌握模态分析的过程和意义；3.了解并掌握实验模态分析的关键步骤：(1).结构测量点和激振点的选择方法：(2).了解模态分析试验采用的仪器：试验仪器的连接、安装、调整；(3).激振时各测点力信号和响应信号的测量及利用这些测量信号求取传递函数，并分析影响传递函数精度的因素。4.学习并运用常用模态分析软件。二、实验原理模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内，各阶主要模态的特性，就可能预知结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下实际振动响应，而且一旦通过模态分析知道模态参数并给予验证，就可以把这些参数用于(重)设计过程，优化系统动态特性，或者研究把该结构连接到其他结构上时所产生的影响。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。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析的性质，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。模态分析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”，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。实验模态分析采用的方法有主模态法、频响函数法等。主模态法是利用多点正弦激励，使系统作纯模态振动，由此求得模态参数。频响函数法一般是利用单点激振，先求出结构的频响函数，再确定模态参数。模态参数主要包括固有频率ωr，固有振型{φ}r，模态质量mr，模态刚度kr和模态r阻尼c。其中固有频率和固有振型能直接反映系统的振动特性。在工程应用中尤为重要。r由实验模态分析得到的模态参数及模态振型图可用于实验对象的运动精度分析、结构的稳定性分析、结构疲劳强度分析以及结构动态特性的优化设计。对于一个机构系统，其动态特性可用系统的固有频率、阻尼和振型来描述，与模态质量和模态刚度一起统称为机械系统的模态参数。要求取模态参数，可以通过两个方法：一是运用三维软件建立动力学模型进行模态分析；二是通过实验数据求取模态参数即实验模态分析。对于一个线性系统，若在某一点j施加激振力Fj，系统各点的振动响应为xi，则}H]为传递函数矩阵，任意元素hij，可以通过激振试验得到：（1-2）测量方法是给系统施加一有限宽频率的激振力（冲击也是一有限带宽激振力同时测量系统的响应，将力和响应信号进行滤波，A/D转换并离散采样，进行双通道FFT变换，计算激振力Fj与响应Xi之间的传递函数hij。对测量的传递函数进行曲线拟合得到模态参数。本实验采用脉冲锤（力锤）对平板试件进行敲击，激励出各种模态。实验原理图如图1所示。图1试验模态分析原理框图图1试验模态分析原理框图三、使用仪器、材料三、使用仪器、材料1)实验用平板、悬挂或支撑系统；3)预处理器和力传感器，加速度传感器，双通道低通滤波器；4)电荷放大器；5)数据采集卡；6)B&K模态分析和处理软件、计算机；四、实验步骤1)按原理图1连接仪器，并调整好各仪器的开关档位，传递函数灵敏频率分析范围为500HZ以内，低通可取截止频率为300HZ。2)选择测点建立被测结构的几何模型。3)测量信号的数据采集和双通谱分析，主要求各测点传递函数，频率分析范围为0—500HZ，低通滤波截止频率为300HZ，设置冲击激励测量参数，采用8—10段平均，并将数据保存。4)用十个传递函数同时显示功能确定系统的前六阶共有频率。5)求取系统多测点加权传递函数虚频特性。6)产生频率阻尼识别文件。7)识别系统的频率阻尼，产生频率阻尼数据文件。8)显示打印系统的频率阻尼表及振型图。9)模态的动画显示，观察各阶振型的特点，复模态和实模态的区别。10)实验结果分析。五、五、实验录(数据、等)过程原始记图表、计算图1第一阶扭转振型图2第一阶弯曲振型图3第二阶扭转振型图4第二阶弯曲振型图5第三阶扭转振型图6第三阶弯曲振型图7传递函数六、实验结果及分析（1）以下参数为实测的各阶固有频率和阻尼，图1－图9为各阶模态振型图。弯振频率（HZ）弯振阻尼（%）一阶二阶305三阶598扭振频率（HZ）扭振阻尼（%）一阶245二阶507三阶802（2）为获得高精度的模态参数，在信号采集和数据处理、模态参数识别应注意什么问题？1.选用分析精度高的仪器，减少测量仪器的系统误差。2.对采集信号进行滤波处理，减少信号的干扰3.选择合适的数据处理方法，提高信号处理的精度4.满足实验条件，注意模态分析中的一些关键步骤和关键问题。比如测量点和激振点的选择，激振力的大小，悬挂的布置等问题。（3）在进行框架模态分析中要注意的问题：1.结构测量点选择和布置：模态分析布点的基本原则是结构的重要部分密布次要部分稀疏，为了能够使活动振型的显示更直观，整个测点的连线构成的图形要保持测试系统的基本几何特点。2.激振点或不变拾振点（即基本点）的选取：实验模态分析常采用单点激振，逐点拾取振的方法或固定拾振点的方法。本实验采用后一种方法。固定的激振点和固定的拾振点是非常重要的，我们应当选择能反应系统最多固有的频率成分的点作为这种激振点或拾振点。用这点激振或拾振，共振频率的峰值较大，噪声对共振频率的影响小，传递峰值附件相干函数值较高。另外基本点的选择不能在感兴趣的模态的振型节点处，否则这阶模态无法识别出来。3.系统悬置问题：一般来说测试系统的悬置方法有两种。一种是软连接，就是用橡胶绳、弹簧之类的弹性元件将测试系统悬置在某一刚性较好的支架上，测试系统自由状态下的一种方式一般用较小功率的激振器能激振较重的系统，但实际工作情况下激振有时需要更大的功率，但测量的模态参数实用意义更大一些。（4）分析模态分析微机系统的特点，提出改进意见模态分析微机系统已经是一款教学和科研中性价比非常高的结构动态分析仪。它采用中文会话方式和菜单结构、操作简单方便、功能全、精度高、价格便宜。由于该分析仪主要针对科研和教学应用，其功能较国外流行的工程实际运用的模态分析软件较弱，若能增加一些功能并在工程实际应用中不断改进，将会成为一款非常实用的软件。（5）结合框架模态分析过程的典型图写出框架模态分析实验，提出对实验的改进意见。在被测物体上用合适的力度敲击激振点，同时通过力传感器将脉冲信号放大并输入，在其它测点上通过加速度传感器测得系统的响应信号。将测得的两路信号经过低通滤波器消除噪声后求得系统的传递函数。如果将多测点传递函数相加测得系统的传递函数，将会大大提高其识别精度。识别出系统的固有频率、阻尼和振型后，可有公式求出系统的模态刚度和模态质量，并