有关模态基础的一点总结
模态分析的基础理论
模态分析的基础理论模态分析是一种研究系统中不同模式的分布、生成和演化规律的方法。
在这个理论中，模态是指系统中不同状态或形式的存在形式，例如质量分数、温度、湿度等。
模态分析的基础理论包括概率论、统计学和模态分析技术等。
概率论是模态分析的基础之一、它研究随机事件的发生概率和规律。
在模态分析中，我们可以利用概率论来描述不同模态出现的概率分布，并通过分析系统中的模式，得出不同模态的生成规律。
通过概率论的方法，我们可以预测不同模态的变化趋势，从而指导系统的优化设计和运行管理。
统计学也是模态分析的基础理论之一、统计学研究如何收集、处理、分析和解释数据，通过对大量数据的统计分析，揭示数据背后的规律和趋势。
模态分析中，统计学的方法可以用于分析模态数据的分布情况，寻找模态之间的相关性和影响因素，并建立相应的模型来预测和优化系统的运行情况。
在模态分析技术方面，主要包括聚类分析、主成分分析和模态分析方法等。
聚类分析是一种将相似的对象分组的方法，通过对模态数据进行聚类分析，我们可以将相似的模态归为一类，从而描述系统中的不同模态分布情况。
主成分分析是一种降维技术，它可以将高维的模态数据降低到低维，并保留大部分信息。
这可以帮助我们更好地理解系统模态之间的关系和重要性。
模态分析方法包括有限元模态分析、频响函数法和模态参数识别等。
通过这些方法，我们可以对系统的模态进行分析，包括振型、频率和阻尼等，并找出模态的摄动源和分布规律。
模态分析的基础理论对于理解和优化系统具有重要意义。
通过对模态的分析和研究，我们可以了解系统的特性和不同模态之间的关系，从而指导系统的设计和运行。
同时，模态分析也可以帮助我们发现和解决系统中存在的问题，提高系统的稳定性和可靠性。
因此，深入理解和应用模态分析的基础理论对于各个领域的研究和实践具有重要价值。
模态分析的相关知识(目的、过程等)
MODOPT，...
M2-15
模态分析步骤
选择分析类型和选项 （接上页）
振型归一化： • 因为自由度解没有任何实际意义，它只表明了振型，即各个节点相 对于其它节点是如何运动的； • 振型可以或者相对于质量矩阵[M]或者相对于单位矩阵 [I]进行归一 化：。 – 对振型进行相对于质量矩阵[M]的归一化处理是缺省选项，这种 归一化也是谱分析或将接着进行的振型叠加分析所要求的 – 如果想较容易的对整个结构中的位移的相对值进行比较，就选择 对振型进行相对于单位矩阵[I]进行归一化
M2-27
模态分析步骤
观察结果 （接上页）
观察振型： • 首先采用“ First Set”、“ Next Set” 或“By Load Step” • 然后绘制模态变形图： shape ： General Postproc > Plot Results > Deformed Shape… • 注意图例中给出了振型序号 （ SUB = ） 和频率 （FREQ = ） 。
模态分析
第一节： 定义和目的
什么是模态分析? • 模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术： – 自然频率 – 振型 – 振型参与系数 （即在特定方向上某个振型在多大程度上 参与了振动）
• 模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。
M2-1
模态分析
定义和目的（续上页）
模态分析的好处： • 使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）； • 使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响 应的； • 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。
注: PowerDynamics方法
• 子空间技术使用Power求解器(PCG)和 一直质量矩阵；
第1章模态分析理论基础资料.
2.阻尼对频率或周期的影响；
3.阻尼对振幅的影响；
xn xn1
exp( 2
/d )
1.2 单自由度系统自由振动——有阻尼
1,2 2 1
2. 临界阻尼系统(critically-damped system)
1
1 2
过程的轨迹，该轨迹近似为一个圆。（Nyquist图）
2
2
[H
R
()]2
H
I
()
1
4 k
1
4 k
1.4 多自由度系统振动方程
M x(t) C x(t) K x(t) f (t)
m11 m12 M m21 m22
mn1 mn2
m1n
m2
n
mnn
c11 c12 c1n
C c21
c22
c2
n
cn1 cn2
cnn
k11 k12 k1n
K k21
k22
k2n
kn1 kn2
knn
1.5 多自由度无阻尼系统——自K x(t) 0 特解 x(t) Xe jt
(K 2M)X 0
该方程有非零解的 充要条件是其系数 矩阵行列式为零
1.5 多自由度无阻尼系统——自由振动
➢ 振型分析：Mx(t) K x(t) 0
x(t) Xe jt
(K 2M)X 0
(K 0i2M)Xi 0
1.特征向量，或振型， 一般用φi来表示；
2.对n自由度系统，n个 振型；
模态矩阵
1 2
11 21
n
12
22
n1
n
_模态分析理论基础
IVE
Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China
Iration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China
有限元分析软件(如ANSYS、NASTRAN、SAP、MAC等)在结 构设计中被普遍采用,但在设计中,由于计算模型和实
际结构的误差,而且受到边界条件很难准 确确定的影响,特别是结构的形状和动态特性很复杂时，
IVE
Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China
e. 为结构动力学优化设计提供目标函数或约束条件
动力学设计，即对主要承受动载荷而动特性又至关重要的结构，以 动态特性指标作为设计准则，对结构进行优化设计。它既可在常规静力 设计的结构上，运用优化技术，对结构的元件进行结构动力修改；也可 从满足结构动态性能指标出发，综合考虑其它因素来确定结构的形状， 乃至结构的拓扑（布局设计、开孔、增删元件）。动力学优化设计就是 在结构总体设计阶段就应对结构的模态参数提出要求，避免事后修补影 响全局。
•解的形式（s为复数）及拉氏 变换： x Xest (ms2 cs k ) x(s) f (s)
IVE
Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China
模态分析理论基础
有限元分析软件(如ANSYS、NASTRAN、SAP、MAC等)在结
构设计中被普遍采用,但在设计中,由于计算模型和实
际结构的误差,而且受到边界条件很难准
确确定的影响,特别是结构的形状和动态特性很复杂时，
有限元简化模型和计算的误差较大。通过对结构进行实验模态分 析，可以正确确定其动态特性，并利用动态实验结果修改有限元 模型，从而保证了在结构响应、寿命预计、可靠性分析、振动与 噪声控制分析与预估以及优化设计时获得有效而正确的结果。
•传递函数和频率响应函数
H(s)m2s(11jg)k
H()m21(1jg)k
（1＋jg）k — 复刚度
–用实部和虚部表示
H ()1 k (1 1 2 )22 g2j(1 2)g 2g2
与粘性阻尼系统相比频响函数形式相同 g和2 相互置换即可得各自表达式
位移、速度和加速度传递函数
Hd (s)
e. 为结构动力学优化设计提供目标函数或约束条件
动力学设计，即对主要承受动载荷而动特性又至关重要的结构，以 动态特性指标作为设计准则，对结构进行优化设计。它既可在常规静力 设计的结构上，运用优化技术，对结构的元件进行结构动力修改；也可 从满足结构动态性能指标出发，综合考虑其它因素来确定结构的形状， 乃至结构的拓扑（布局设计、开孔、增删元件）。动力学优化设计就是 在结构总体设计阶段就应对结构的模态参数提出要求，避免事后修补影 响全局。
x(s) f (s)
Hv(s)
v(s) f (s)
Ha(s)
a(s) f (s)
• 位移、速度和加速度频率响应函数
()
x() f ()
Hv()
v() f ()
• 三者之间的关系
Ha()
Ansys模态分析
23
ห้องสมุดไป่ตู้
（3）有预应力的模态分析
在某些情况下，在执行模态分析时可能需要考虑预应力影响。
• • 在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模 态分析，通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。 对于高速部件，工作时由于受离心力的影响，其固有频率跟静止时相 比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。
有预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和模态。 除了首先要通过进行静力分析把预应力加到结构上外，有预应力 模态分析的过程和常规模态分析基本上一样。
24
3、案例分析
案例1：飞机机翼模态分析
25
3、案例分析
案例2：风力发电机叶片预应力模态分析
26
3
（1）什么是振动？
但凡会动的机器、设备、产品等都会有振 动的现象，就连不动的物体都会受到到地 震的影响。 振动可以说无所不在。
4
（2）固有频率
任何结构都具有其固有频率（固有周期），其值由 其本身的结构所决定
5
（3）固有振动模态
系统的每一个固有频率都有一个对应的模态振型，合称为振动模态。 固有振动形态 名称
1阶振动 2阶振动 3阶振动
– 固有模态和固有频率是一一对应的。 对于1阶固有模态，就有以1阶固有频率振动的振动形式，对于2阶固有 模态则有2阶频率振动的振动形式。 – 象这样所定的频率和振动模态组合起来则存在着1阶、2阶、3阶……等 多个振动形式。 6
（4）共振
当结构受外力作用时，若外力的“施力频率”或 称“激振频率”与结构的自然频率相等或相近，就会使 结构有“振动大”的现象，称为共振. 对一般的机器而言，共振现象的发生打斗是造成 机器或结构破坏的主要原因。 设计就要避免出现共振现象
模态分析基本知识
模态分析分析基本知识！1.什么是模态分析？模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
2.模态分析有什么用处？模态分析所的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1) 评价现有结构系统的动态特性；2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3) 诊断及预报结构系统的故障；4) 控制结构的辐射噪声；5) 识别结构系统的载荷。
3.模态试验时如何选择最佳悬挂点？？模态试验时，一般希望将悬挂点选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点。
4.模态试验时如何选择最佳激励点？最佳激励点视待测试的振型而定，若单阶，则应选择最大振幅点，若多阶，则激励点处各阶的振幅都不小于某一值。
如果是需要许多能量才能激励的结构，可以考虑多选择几个激励点。
5.模态试验时如何选择最佳测试点？模态试验时测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点。
在最佳测试点位置其ADDOF(Average Driving DOF Displacement) 值应该较大，一般可用EI(EffectiveIndependance) 法确定最佳测试点。
6. 模态参数有那些？模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼。
7. 什么是主模态、主空间、主坐标？无阻尼系统的各阶模态称为主模态，各阶模态向量所张成的空间称为主空间，其相应的模态坐标称为主坐标。
8. 什么是模态截断？理想的情况下我们希望得到一个结构的完整的模态集，实际应用中这即不可能也不必要。
实际上并非所有的模态对响应的贡献都是相同的。
对低频响应来说，高阶模态的影响较小。
对实际结构而言，我们感兴趣的往往是它的前几阶或十几阶模态，更高的模态常常被舍弃。
模态分析的基础理论
运动微分方程
单自由度系统无阻尼自由振动是简谐振动
2π
m
T 2π
n
k
fn
1 T
n
2π
1 2π
k m
能量关系
mx dx kx dx 0 dt dt
意义：惯性力的功率Fm与弹性力的功率Fs之和为零
d dt
1 2
mx2
1 2
kx 2
0
ET
1 mx2 2
单自由度系统
自由振动 简谐振动 非周期强迫振动
自由振动
振动系统在初始激励下或外加激励消失后的 运动状态。
自由振动时系统不受外界激励的影响，其运 动时的能量来自于初始时刻弹性元件和惯性 元件中存储的能量。
振动规律完全取决于初始时刻存储的能量和 系统本身的性质。
运动微分方程
•使该矢量以等角速度在复平面内旋转（复数旋转矢量）
虚轴
ei x cos i sin
P A
t
z Acost i sint Aeit
实轴
y Asint Im z Im Aeit
运动学
速度、加速度的复数表示
位移 x Aeit
速度 x d Aeit iAAeeiitt / 2
2.0
0.5 和 0.7 临 界 阻 尼 比 无
c/cc=0
抛物线
阻尼曲线更接近理想加
1.5
速度计曲线
c/cc=0.5
1.0
c/cc=0.7
0.5
0 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
模态分析基本内容简介
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，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。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
概述振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。
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的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。
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。
机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动模态各不相同。
模态分析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。
首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。
用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。
根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。
近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。
已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。
用处模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1) 评价现有结构系统的动态特性；2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3) 诊断及预报结构系统的故障；4) 控制结构的辐射噪声；5) 识别结构系统的载荷。
模态分析知识点总结
模态分析知识点总结一、基本用法1. 表示能力或可能性can 表示一种能力或者可能性，常用于表示某人有某种能力或者经验。
例如：He can speak English fluently.（他能流利地说英语。
）2. 表示允许或请求can 还可以表示允许或请求，常用于询问或请求。
例如：Can I borrow your pen?（我可以借用你的笔吗？）3. 表示推测may/might 表示一种推测或者可能性。
may 表示较肯定的可能性，而 might则表示较不肯定的可能性。
例如：She may be at home.（她可能在家。
）4. 表示意愿或请求will/would 表示一种意愿或请求，用于表达主观上的愿望。
例如：I will go with you.（我愿意和你一起去。
）5. 表示必须must 表示一种必须或者必然性，常用于表示情态。
例如：We must finish the work before 5 o'clock.（我们必须在5点之前完成工作。
）二、情态动词在疑问句和否定句中的用法1. 疑问句情态动词在疑问句中通常直接放在主语之后，而不需要借助助动词 do/does/did。
例如：Can you swim?（你会游泳吗？）2. 否定句在否定句中，情态动词需要在后面加上 not形成否定形式。
例如：I can not solve the problem.（我解决不了这个问题。
）三、情态动词在动词不定式中的用法情态动词后一般跟动词原形构成动词不定式。
例如：You must finish the work on time.（你必须按时完成工作。
）四、情态动词在完成时态中的用法情态动词在完成时态中不使用have/has/had构成完成时态的形式，而是直接加上动词原形。
例如：She must have known the truth.（她一定知道了真相。
）五、情态动词在被动语态中的用法在被动语态中，情态动词与 be 动词构成被动语态形式。
各种模态分析方法总结与比较
1
（一）单自由度法
一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。但是
如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以
单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，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。这个分析过程如果是 由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集 的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。 通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、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，就可能预言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。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故 障诊断的重要方法。
数的基本公式为：
H tj j
U
jV
j r
R
j1
2-6
因此，首先要选择共振频率附近的一组频率响应点，通过这些点拟合
成一个圆。阻尼固有频率r 可以看成是复平面上数据点之间角度变化率最 大(角间隔最大)的那个点的频率，也可以看成是相位角与圆心的相位角最
为接近的那个数据点的频率。对于分得开的模态而言，二者的差别是很小。
个固有频率就是阻尼固有频率r 的良好估计。相应的阻尼比 r ，的估计可
有关模态的知识
什么是模态分析？你能为我解释模态分析吗？好，需要花费一点时间，但是这是任何人都能明白的事情……你不是第一个要求我用通俗易懂的语言解释模态分析的人，这样一来，任何人都能明白模态分析到底是怎样一个过程。
简单地说，模态分析是根据用结构的固有特征，包括频率、阻尼和模态振型，这些动力学属性去描述结构的过程。
那只是一句总结性的语言，现在让我来解释模态分析到底是怎样的一个过程。
不涉及太多的技术方面的知识，我经常用一块平板的振动模式来简单地解释模态分析。
这个解释过程对于那些振动和模态分析的新手们通常是有用的。
考虑自由支撑的平板，在平板的一角施加一个常力，由静力学可知，一个静态力会引起平板的某种静态变形。
但是在这儿我要施加的是一个以正弦方式变化，且频率固定的振荡常力。
改变此力的振动频率，但是力的峰值保持不变，仅仅是改变力的振动频率。
同时在平板另一个角点安装一个加速度传感器，测量由此激励力引起的平板响应。
现在如果我们测量平板的响应，会注意到平板的响应幅值随着激励力的振动频率的变化而变化。
随着时间的推进，响应幅值在不同的频率处有增也有减。
这似乎很怪异，因为我们对此系统仅施加了一个常力，而响应幅值的变化却依赖于激励力的振动频率。
具体体现在，当我们施加的激励力的振动频率越来越接近系统的固有频率（或者共振频率）时，响应幅值会越来越大，在激励力的振动频率等于系统的共振频率时达到最大值。
想想看，真令人大为惊奇，因为施加的外力峰值始终相同，而仅仅是改变其振动频率。
时域数据提供了非常有用的信息，但是如果用快速傅立叶变换（FFT）将时域数据转换到频域，可以计算出所谓的频响函数（FRF）。
这个函数有一些非常有趣的信息值得关注：注意到频响函数的峰值出现在系统的共振频率处，注意到频响函数的这些峰出现在观测到的时域响应信号的幅值达到最大时刻的频率处。
如果我们将频响函数叠加在时域波形之上，会发现时域波形幅值达到最大值时的激励力振动频率等于频响函数峰值处的频率。
实验模态分析基础
实验模态分析基础实验模态分析是一种因果推断方法，它可以确定不同变量之间的因果关系。
它通常用于实验研究中，其中研究人员对一组受试者进行操作，在不同处理条件下观察和测量结果变量。
通过比较不同处理条件下的结果变量，研究人员可以确定不同变量之间的关系。
实验模态分析包括几个主要步骤。
首先，研究人员需要设计实验研究，以确定不同的处理条件和结果变量。
然后，研究人员将受试者随机分配到不同的处理条件中，并在每个处理条件下测量结果变量。
接下来，研究人员使用分析方法来确定主效应和相互作用效应。
最后，研究人员对结果进行解释和解读。
主效应和相互作用效应实验模态分析的目标是确定主效应和相互作用效应。
主要效应是指一个变量对结果变量的直接影响。
相互作用效应是指两个或多个变量之间的交互作用对结果变量的影响。
通过分析主效应和相互作用效应，研究人员可以确定变量之间的关系。
实验模态分析使用统计学方法来确定主效应和相互作用效应。
通常使用方差分析（ANOVA）来进行分析。
方差分析将总变差分解为组内变差和组间变差。
组内变差反映了随机误差的影响，而组间变差反映了处理条件的影响。
通过比较组内变差和组间变差，可以确定主效应和相互作用效应。
实验模态分析可以广泛应用于各个领域的研究中。
例如，在医学研究中，实验模态分析可以用来研究药物和治疗的效果。
在农业研究中，实验模态分析可以用来研究不同肥料对作物产量的影响。
在教育研究中，实验模态分析可以用来研究不同教学方法的效果。
总结实验模态分析是一种统计学方法，用于研究和解释不同变量之间的关系。
通过实验模态分析，我们可以确定主效应和相互作用效应，从而更好地理解变量之间的相互关系。
实验模态分析可以应用于各个领域的研究中，并为实践提供建议和决策。
模态分析物理公式总结归纳
模态分析物理公式总结归纳物理公式在科学研究和工程实践中起着至关重要的作用，它们用于描述自然界中各种物理现象的规律。
在这篇文章中，我将对几种常见的物理公式进行模态分析，总结归纳其特点和应用。
一、牛顿第一定律牛顿第一定律，也被称为惯性定律，它表明一个物体如果没有受到外力的作用，将保持静止或匀速直线运动的状态。
其物理表达式为：F=0，其中F表示物体上的合力。
根据牛顿第一定律，我们可以解释为什么物体静止不动或者匀速直线运动。
二、牛顿第二定律牛顿第二定律是描述物体受力情况的基本定律，它表示物体所受合力等于质量乘以加速度。
其物理表达式为：F=ma，其中F表示合力，m表示物体的质量，a表示物体的加速度。
牛顿第二定律是牛顿力学的核心公式，可以用于解决各种物体在受力情况下的运动问题。
三、牛顿万有引力定律牛顿万有引力定律是描述物体之间引力相互作用的定律。
根据这个定律，两个物体之间的引力大小与它们的质量和距离的平方成正比，与它们之间的相对方向成反比。
其物理表达式为：F=G*((m1*m2)/r^2)，其中F表示引力大小，G表示引力常数，m1和m2表示两个物体的质量，r表示它们之间的距离。
牛顿万有引力定律可以解释天体之间的引力相互作用和行星运动等现象。
四、能量守恒定律能量守恒定律是描述封闭系统中能量不受影响的定律。
它表示在一个封闭系统中，能量的总量是不变的。
能量可以在不同形式之间相互转化，但总能量保持不变。
通过能量守恒定律，我们可以研究能量的转化和利用。
五、动量守恒定律动量守恒定律是描述系统动量守恒的定律。
它表示在没有外力作用的情况下，系统的总动量是守恒的。
动量的物理表达式为：p=mv，其中p表示动量，m表示物体的质量，v表示物体的速度。
动量守恒定律在解决碰撞问题和流体力学等领域有重要应用。
综上所述，物理公式是研究自然界物理规律的重要工具，它们通过数学形式明确了物理现象之间的关系。
牛顿定律、引力定律、能量守恒定律和动量守恒定律是几个常见的物理公式，它们在物理学和工程学的研究中起着重要作用，帮助我们解释和预测自然界中的各种现象。
模态分析复习重点
一、 概念题注：标红部分为2015年试题内容工作变形：频响函数第2估计：泄漏：采集的信号非整数个周期，测得的频谱不能表示为原时间信号所具有的单一频率，能量已泄漏到许多靠近真实频率的谱线上，谱扩展成一些谱线或窗。
混淆：如果在离散过程中采样频率过低，原信号中很高频率的分量可能造成曲解，某些高频分量就会出现在低频中，它也就不可能从低频分量中区分出来。
加窗：进行傅立叶变换以前，把一指定的外形置于时间信号上，且这外形或“窗”通常可以描述为时间函数。
灵敏度分析：分析各个结构参数或设计变量的改变对结构动态特性变化的敏感程度。
纯模态：根据特征相位延迟理论，只要对试件各自由度上分别安装一个激振器，使得他们的激振力满足{}{}K k k C F ϕω=,即频率相同且等于某一个固有频率、相位相同，那么这种激振力真好抵消了阻尼力，整个系统就呈现该阶纯模态的振动。
相干函数：输入信号与输出信号的相关程度。
如果相干函数为零,表示输出信号与输入信号不相干,那么,当相干函数为1时,表示输出信号与输入信号完全相干.若相干函数在 1之间,则表明有如下三种可能：(1）测试中有外界噪声干扰；(2）输出y(t)是输入x(t)和其它输入的综合输出；(3）联系x(t)和y(t)的线性系统是非线性的。
模型修正：获得一个能够重现所有模态参数的模型或者是获得一个能够重现所有测得的频率响应函数的模型，或者是一个具有正确的质量、刚度、阻尼矩阵的模型。
两种方法：直接修正矩阵法、灵敏度分析的参数修改法。
响应模型：可以方便地表示结构在“标准”激励下响应分析（在任何特定情况下的解都可由此构造出来）。
空间模型：用质量、刚度、阻尼等描述特性的模型。
模态模型：对空间模型进行理论的模态分析，用一组振动模态、固有频率等来描述结构的特性。
模态模型由模态频率，模态振型，模态阻尼，模态质量矩阵和模态刚度矩阵给出。
动刚度：动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。
模态理论基础介绍
c /(2 km)
0 k / m
实部：衰减因子，反映系统阻尼 虚部：有阻尼系统的固有频率
阻尼比 范围（0－1）
内为欠阻尼
无阻尼固有频率
结构阻尼（滞后阻尼）系统
• 阻尼力：与位移成正比，相位比位移超前90度
fd jx
• 结构阻尼系数
gk
g — 为结构阻尼比或结构损耗因子
第一章模态分析理论基础
姜节胜 西北工业大学 振动工程研究所
0/26
模态分析理论基础是20世纪30年代机械阻抗 与导纳的概念上发展起来。吸取了振动理论、 信号分析、数据处理、数理统计、自动控制理 论的有关营养，形成一套独特的理论。
模态分析的最终目标是识别出系统的模态 参数，为结构系统的振动分析、振动故障诊断 和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析定义为：将线性时不变系统振动微分方程组中 的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以 模态坐标及模态参数描述的独立方程，坐标变换的变换矩 阵为振型矩阵，其每列即为各阶振型。
解析模态分析可用有限元计算实现，而试验模态分析则是对结构进行 可测可控的动力学激励，由激振力和响应的信号求得系统的频响函数 矩阵，再在频域或转到时域采用多种识别方法求出模态参数，得到结 构固有的动态特性，这些特性包括固有频率、振型和阻尼比等。
试验模态分析的典型应用
a. 获得结构的固有频率,可避免共振现象的发生
当外界激励力的频率等于振动系统的固有频率时，系统发生共振 现象。此时系统最大限度地从外界吸收能量，导致结构过大有害振动。 结构设计人员要设法使结构不工作在固有频率环境中。
相反，共振现象并非总是有害的：振动筛、粉末碾磨机、打夯机 和灭虫声发射装置等等就是共振现象的利用。结构设计人员此时要设 法使这种器械工作在固有频率环境中，可以获得最大能量利用率。
模态分析基本原理
模态分析基本原理
模态分析是一种用于研究系统的行为和性能的方法。
它可以帮助我们理解系统在不同条件下的行为和响应。
模态分析的基本原理是通过建立数学模型来描述系统的动力学特性。
这个模型通常由一组微分方程组成，描述了系统各个部分之间的相互作用和能量传递。
通过分析这些微分方程的解，可以得到系统的稳态和暂态响应。
为了进行模态分析，首先需要确定系统的状态空间。
状态空间是描述系统状态的一组变量，这些变量可以是位置、速度、加速度等。
状态空间的选择取决于具体问题的需求。
在模态分析过程中，还需要确定系统的边界条件和初始条件。
边界条件描述了系统与外界之间的交互，而初始条件描述了系统在初始时刻的状态。
模态分析通过研究系统的特征方程和特征根来揭示系统的行为模式。
特征方程是通过将系统的微分方程转化为代数方程得到的，而特征根是特征方程的解。
特征根的实部和虚部可以提供关于系统的稳定性和振荡特性的信息。
通过分析特征根，可以确定系统的模态响应。
模态响应描述了系统在不同特征根下的行为，包括稳定性、发散性和振荡性等。
模态分析可以应用于很多领域，包括机械工程、电气工程、控制系统等。
它可以帮助工程师设计和优化系统，提高系统的性
能和可靠性。
总之，模态分析是一种基于数学模型的方法，通过研究系统的行为特性和相互关系来理解和优化系统的性能。
关于模态的详细介绍
关于模态的详细介绍模态（Modality）是语言学中的一个概念，用来描述说话者在陈述其中一种情况时对其肯定或否定、可能性或实际性的表达方式。
在语法上，模态常常通过词语或语法结构来表示，如情态动词（modal verb）或情态助动词（modal auxiliary verb）。
模态可以用于表示命令、建议、推断、可能性、能力和必要性等不同的含义。
下面将分别对这些方面进行详细介绍：2. 建议（Advice）：模态可以用于提出建议或给予意见。
例如，情态动词“should”表示合适或正确的做法，如“You should exercise regularly”（你应该经常锻炼）。
情态助动词“could”表示一种可能性或选择，如“You could try this new restaurant”（你可以试试这家新餐厅）。
3. 推断（Inference）：模态可以用来表示说话者对其中一种情况的推断或估计。
例如，情态动词“might”表示可能性较小，如“He might be busy”（他可能很忙）。
情态助动词“must”表示非常有把握的推断，如“It must be raining outside”（外面肯定在下雨）。
4. 可能性（Possibility）：模态可以用于表示其中一种情况的可能性。
例如，情态动词“may”表示允许或有可能，如“You may leave now”（你可以现在离开）。
情态助动词“can”表示能力或可能性，如“I can swim”（我会游泳）。
5. 能力（Ability）：模态可以用于表达人的能力或技能。
例如，情态动词“can”表示能力或技能，如“She can play the piano”（她会弹钢琴）。
情态助动词“will”表示愿意或能够，如“I will help you”（我会帮助你）。
需要注意的是，不同的模态在意义上有些许的差异，并且在不同的语境中可能有不同的解释。
此外，模态的用法也会受到不同语言和文化的影响。
模态知识点
1、ANSYS做模态分析的时候会把荷载全部忽略，或者说白了，荷载对结构的模态不产生影响，除非你的荷载对结构的约束形式产生了改变。
任何一本振动力学的书上都能找到这个结论。
结构的模态分析，是求解结构的特征方程，与外荷载无关。
2、1、结构确定之后，其模态频率、振型、阻尼就确定了，但是，这仅仅是理性的静止状态情况。
对于机械结构而言，关注的是运动状态下的模态特性，由于阻尼是随时间而变化的量，导致模态频率、振型会出现一定程度的变化。
观察自动控制理论、测试技术中的二阶带阻尼系统。
或者不考虑阻尼，只考虑陀螺效应，都会出现一个陀螺项，这些都影响实际结构的模态频率和振型，进一步影响动态响应（按模态叠加理论）。
2、模态特性，无论静止的理想结构，或者运动状态下的结构，都与初始条件无关。
但是，与工作条件(比如与速度有关的陀螺效应)和边界条件有关（机械结构边界本质上都是与时间有关的变边界)。
就算是理性静止状态下的机械结构，测试时候，也需要激振，而激振会引起边界条件的微小或较大幅度变化（与结构本身有关，举例：悬臂梁影响就很小，而简支梁影响就较大）。
3、会变的，一般理解的固有频率指的是静止状态下的，但是随着设备工作状态的改变，设备的的边界条件（约束、应力）等发生了改变，则整个结构的刚度矩阵也发生了变化，因此是变化的，这就是所说的传说中的运行模态！4、线性分析时，固有频率是不会变的，实际运转中不会是线性的，我们模态分析是为了方便而假设成线性5、非线性情况下有时还有初始状态有关，和激振力也有关系6、不同的约束，改变了模型的自由度。
模态分析结果与约束有关，不同约束其频率和阵型是不同的。
7、网上经常看到一些朋友询问关于自由模态与约束模态的问题，而且看到了很多不同的说法。
而最近又有朋友向我问到了这个问题，我想，还是彻底地解决这个问题为好。
而要彻底解决它，就需要考察其理论基础。
所以这篇文章专门去看看它的理论底层。
首先我们要明确，无论是自由模态还是约束模态，都属于模态分析的范畴。
模态分析中的几个基本概念模态分析中的几个基本概念分析
模态分析中的几个基本概念物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定的比例关系的，可以用一个向量表示，这个就称之为模态。
模态这个概念一般是在振动领域所用，你可以初步的理解为振动状态，我们都知道每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。
一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。
一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。
模态是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。
有限元中模态分析的本质是求矩阵的特征值问题，所以“阶数”就是指特征值的个数。
将特征值从小到大排列就是阶次。
实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶。
但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态，所以计算时根据需要计算前几阶的。
一个物体有很多个固有振动频率（理论上无穷多个），按照从小到大顺序，第一个就叫第一阶固有频率，依次类推。
所以模态的阶数就是对应的固有频率的阶数。
振型是指体系的一种固有的特性。
它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。
每一阶固有频率都对应一种振型。
振型与体系实际的振动形态不一定相同。
振型对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。
按照频率从低到高的排列，来说第一振型，第二振型等等。
此处的振型就是指在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则振动周期越小。
在实验中，我们就是通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时频率即为固有频率。
实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。
固有频率也称为自然频率( natural frequency)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
什么是模态分析
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，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。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
振动模态是弹性结构的固有的、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，就可能预言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。
因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。
模态参数
模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。
模态分析的经典定义
模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型
模态分析的基本过程
（1）动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析
1）激励方法。
试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。
激励方法不同，相应识别方法也不同。
目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。
以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。
2）数据采集。
SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。
SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。
3）时域或频域信号处理。
例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。
（2）建立结构数学模型根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依据。
目前一般假定系统为线性的。
由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。
根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。
（3）参数识别按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型，激励方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相应的参数识别方法也不尽相同。
并非越复杂的方法识别的结果越可靠。
对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，即使用较简单的识别方法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，则识别的结果一定不会理想。
（4）振形动画参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振形。
由于结构复杂，由许多自由度组成的振形也相当复杂，必须采用动画的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。
以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程。
结构动力修改与灵敏度分析
结构动力修改（Structure Dynamic Modify——SDM）有两个含义：①如果机器作了某种设计上的修改，它的动力学特性将会有何种变化？这个问题被称为SDM的正问题。
②如果要求结构动力学参数作某种改变，应该对设计作何种修改？这是SDM的反问题。
上述两个问题，如果局限在有限元计算模型内解决，其正问题是比较简单的，即只要改变参数重新计算一次就可以。
其反问题就是特征值的反问题，由于结构的复杂性和数学处理的难度较大，目前在理论上还不完善。
只有涉及雅可比矩阵的问题得到了比较完善的解决，相应的力学模型是弹簧质量单向串联系统或杆件经过有限元或差分法离散的系统。
此外，特征值反问题的解决要求未修改系统计算的特征值及特征向量是精确的。
因此，现在通常所指的SDM是指在试验模态分析基础上的。
不论是结构动力修改的正问题还是反问题，都要涉及针对结构进行修改。
为了避免修改的盲目性，人们自然要问，如何修改才是最见成效的？换而言之，对一个机械系统，是进行质量修改，还是进行刚度修改？质量或刚度修改时，在机械结构上何处修改才是最灵敏部位，使得以较少的修改量得到较大的收获？由此，引出了结构动力修改中的灵敏度分析技术。
目前较为常见的是基于摄动的灵敏度分析。
模态分析的用处
模态分析所的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：
1) 评价现有结构系统的动态特性；
2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；
3) 诊断及预报结构系统的故障；
4) 控制结构的辐射噪声；
模态试验时如何选择最佳悬挂点
模态试验时，一般希望将悬挂点选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点。
模态试验时如何选择最佳激励点
最佳激励点视待测试的振型而定，若单阶，则应选择最大振幅点，若多阶，则激励点处各阶的振幅都不小于某一值。
如果是需要许多能量才能激励的结构，可以考虑多选择几个激
励点。
模态试验时如何选择最佳测试点
模态试验时测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点。
在最佳测试点位置其ADDOF(Average Driving DOF Displacement)值应该较大，一般可用EI(Effective Independance)法确定最佳测试点。
模态截断
理想的情况下我们希望得到一个结构的完整的模态集，实际应用中这即不可能也不必要。
实际上并非所有的模态对响应的贡献都是相同的。
对低频响应来说，高阶模态的影响较
小。
对实际结构而言，我们感兴趣的往往是它的前几阶或十几阶模态，更高的模态常常被舍弃。
这样尽管会造成一点误差，但频响函数的矩阵阶数会大大减小，使工作量大为减小。
这种处理方法称为模态截断。
主模态、主空间、主坐标？
无阻尼系统的各阶模态称为主模态，各阶模态向量所张成的空间称为主空间，其相应的模态坐标称为主坐标。
实模态和复模态
按照模态参数（主要指模态频率及模态向量）是实数还是复数，模态可以分为实模态和复模态。
对于无阻尼或比例阻尼振动系统，其各点的振动相位差为零或180度，其模态系数是实数，此时为实模态；对于非比例阻尼振动系统，各点除了振幅不同外相位差也不一定为零或180度，这样模态系数就是复数，即形成复模态。
模态分析和有限元分析结合使用
1）利用有限元分析模型确定模态试验的测量点、激励点、支持点（悬挂点），参照计算振型队测试模态参数进行辩识命名，尤其是对于复杂结构很重要。
2）利用试验结果对有限元分析模型进行修改，以达到行业标准或国家标准要求。
3）利用有限元模型对试验条件所产生的误差进行仿真分析，如边界条件模拟、附加质量、附加刚度所带来的误差及其消除。
4）两套模型频谱一致性和振型相关性分析。
5）利用有限元模型仿真分析解决实验中出现的问题！
用试验模态分析的结果修正有限元分析的结果
1）结构设计参数的修正，可用优化方法进行。
2）子结构校正因子修正。
3）结构矩阵元素修正，包括非零元素和全元素修正两种。
4）刚度矩阵和质量矩阵同时修正。