DASP模态分析的步骤
模态试验分析流程与详细方法
模态试验分析方法简介1 试验模态分析的基本步骤试验模态分析一般分为如下的四个步骤：第一步：建立测试系统所谓建立测试系统就是确定实验对象，选择激振方式，选择力传感器和响应传感器，并对整个测试系统进行校准。
第二步：测量被测系统的响应数据这是试验模态的关键一步，所测量得到的数据的准确性和可靠性直接影响到模态试验的结果。
在某一激振力的作用下被测系统一旦被激振起来，就可以通过测试仪器测量得到激振力或响应的时域信号，通过输血手段将其转化为频域信号，就可以得到系统频响函数的平均估计，在某些情况下不要求计算频响函数，只需要时间历程就可以了。
第三步：进行模态参数估计即利用测量得到的频响函数或时间历程来估计模态参数，包括：固有频率，模态振型，模态阻尼，模态刚度和模态质量等。
第四步：模态模型验证它是对第三步模态参数估计所得结果的正确性进行检验，它是对模态试验成果评定以及进一步对被测系统进行动力学分析的必要过程。
以上的每个步骤都是试验模态中必不可少的组成部分，其具体的介绍如下：2、建立测试系统建立测试系统是模态试验的前期准备过程，它主要包括：被测对象的理论分析和计算，测试方案的确定（包括激振方式的确定，传感器的选择，数据采集分析仪器的选择等），按照方案要求安装和调试，测试系统的校准等工作。
接下来对激振方式，传感器的选择和数据采集仪器的选择的具体介绍如下：2.1激振方式的确定：激振方式有很多种，主要分为天然振源激振和人工振源激振。
天然振源包括地震，地脉动，风振，海浪等；其中地脉动常被使用于大型结构的激励，其特点是频带很宽，包含了各种频率的成分，但是随机性很大，采样时间要求较长，人工振源包括起振机，激振器，地震模拟台，车辆振动，爆破，张拉释放，机械振动，人体晃动和打桩等。
其中爆破和张拉释放这两种方法应用较为广泛。
在工程实际中应当根据被测对象的特点，选取适当的激振方式。
2.2传感器的选择：传感器是测试系统的一次仪表，它的可靠性，精确度等参数指标直接影响到系统的质量。
三等跨连续梁的模态分析试验
三等跨连续梁的模态分析试验作者：陈琨袁向荣来源：《城市建设理论研究》2013年第28期摘要：本文为了研究连续梁的振动特性，结合振动理论和MIDAS有限元分析软件，用DASP软件对三等跨连续梁模型进行了模态分析试验，得出各阶阵型和频率，并用有限元分析结果和实验结果进行了对比。
结果显示，实验所测得各阶阵型图与有限元分析得出阵型图基本一致，二者所得的频率也极为接近，误差均不超过用2%，在允许误差范围内。
说明了用模态试验分析的方法对连续梁进行模态分析的可行性。
关键词：连续梁；模态分析；MIDAS；有限元分析；中图分类号：U446.1 文献标识码：AExperimental modal analysis of the three-span continuous beamsChen Kun.etc（Department of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006,China）Abstract:In order to study the dynamic deformation features of the continuous beam bridge，a modal analysis test of the three-span continuous beams was carried out with the DASP，combined with the vibration theory and finite element analysis software MIDAS in this paper，then the frequency and damp ratio of this continuous beams were obtained . The results of finite element analysis and the test modal analysis were compared. The results shows that the test modal analysis and the analytic modal result are almost the same. Th e deviation of the frequency didn’t exceed 2%. It shows that the modal analysis test is a good way to get the modal parameters of the continuous beams.Keywords： continuous beams ; modal analysis; MIDAS; finite element analysis0引言连续梁桥是中小跨径桥梁中常用的桥型，具有结构刚度大、行车平稳舒适等优点。
模态分析的一般流程ok
模态分析的一般流程ok1/前处理2/求解中施加，零位移约束（固定）-----一般的模态分析，位移有效的“荷载”是零位移约束，可以施加其他载荷（Force/Moment），但在模态提取时将被忽略3/查看振型和频率求解步骤：1/Solution>Analysis Type>New Analysis>Model>OK2/Solution>Analysis Type>Analysis Options>打开模态分析对话框在Mode extraction method模态提取方法中选择Block Lanczos 兰索斯方法在No.of modes to extract模态提取阶数中输入6在Expand mode shapes模态扩展中Yes前打勾，打开该选项，（在这里设定，不需要单独进行设定了）在No.of modes to expand模态扩展的模态数中输入6在Use lumped mass approx质量矩阵形成方式，yes前打勾>OK在弹出的对话框中输入0.001-10000频率范围对于实体（beam梁、板、体）等需要设置密度7.85e-9t/mm3和（重力加速度g=9810N/T可加可不加）3/施加位置约束之后，进行求解SOLVE-->Current LS7/后处理------------------观察振型Set LIST----------------列表显示各阶频率----------若频率为零，说明六个自由度中的某个没有约束住（以整体为对象）PLDISP----------------以云图方式显示振型（纯蓝色振型）通过查看Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu>DOF Solution>Displacement vector sum变形图，然后通过NEXT SET，右键PLOT，√-----------------6×4车架分析时，又卡又慢，勉强符合要求将PlotCtrls>Style>Size and Shape必须关闭以云图方式刷新查看振型，其频率在左上角显示，数据条并不是真实的位移注意：beam188不能以尺寸和形状的方式显示，否则无法查看彩色振型云图前面求解的固有频率将写到.out和振型文件.mode中，但振型还没被写入文件中，还不能对结果进行后处理POST1，要想进行后处理POST1,必须在此之前对模态进行扩展。
DASP模态分析的步骤
在学习模态分析之前，了解一下一些基本知识：1 模态分析：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"。
2 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。
3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。
4最佳激励点的选取：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模态分析目的：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。
6原点导纳位置的选择：当一点激励多点响应时（SIMO方法），激励点即原点导纳的位置；当用多点激励一点响应时（MISO方法），响应点即为原点导纳的位置。
原点导纳应避开感兴趣模态的结点，以免丢失模态。
7测点的命名：响应点用数字来命名，激励点用一字母加数字来命名。
应避免重名，重名会导致频响函数错误。
在掌握了了上述基本知识后，开始进行模态试验及分析，主要过程如下：<1>新建：新建一个模态文件，输入或修改试验名、试验号和数据路径，然后进行参数设置，包括传感器类型、总测点数和原点导纳的位置。
第八章 模态分析
• 子空间法比较适合于提取类似中型到大型模型的较 少的振型（<40）
– 需要相对较少的内存； – 实体单元和壳单元应当具有较好的单元形状，要对任何关于 单元形状的警告信息予以注意； – 在具有刚体振型时可能会出现收敛问题； – 建议在具有约束方程时不要用此方法。
• PowerDynamics 法适用于提取很大的模型（100.000个自由
建议： 由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应
情况，所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。
计算模态分析
通用运动方程：
• 假定为自由振动并忽略阻尼：
• 假定为谐运动：
这个方程的根是ωi平方， 即特征值， i 的范围从1到自由度的 数目， 相应的向量是{u}I， 即特征向量。
注意• 模态分析假定结构是线性的(如, [M]和[K]保持为常数)
• 在模态分析中一般忽略阻尼，但如果阻尼的效果比较明显， 就要使用阻尼法： – 主要用于回转体动力学中，这时陀螺阻尼应是主要的； – 在ANSYS的BEAM4和PIPE16单元中，可以通过定义实常数 中的SPIN（旋转速度，弧度/秒）选项来说明陀螺效应； – 计算以复数表示的特征值和特征向量。 • 虚数部分就是自然频率； • 实数部分表示稳定性，负值表示稳定，正值表示不确定。
工程实例
① 振动筛—利用共振 ② 破碎机---利用共振 ③ 汽车—避免共振 ④ 电脑机箱—避免共振 ⑤ 悬索桥—避免共振 ⑥ 飞机机翼颤振—避免共振 ⑦ 风扇叶片—表面共振 ⑧ 机床—避免共振
模态分析方法与步骤
模态分析方法与步骤模态分析方法与步骤一、模态分析包括下列6种方法：1.降阶法(reduced householder method)：该方法为一般结构最常用的方法之一。
其原理是在原结构中选取某些重要的节点为自由度，称为主自由度(master degree of freedom)，再用该主自由度来定义结构的质量矩阵及刚度矩阵并求出其频率及振动模态，进而将其结果扩展至全部结构。
在解题过程中该方法速度较快，但其答案较不准确。
主自由度的选择依照所探讨的模态、结构负载的情况而定：a. 主自由度的个数至少为所求频率个数的两倍。
b. 选择主自由度的方向为结构最可能振动的方向。
c. 主自由度节点位于较大质量或转动惯量处及刚性较低位置。
d. 如果弯曲模态为主要探讨模态，则可省略旋转自由度。
e. 主自由度的节点位于施力处或非零位移处。
f. 位移限制为零的位置不能选为主自由度节点，因为这种节点具有高刚性的特性。
可以用M命令来定义主自由度。
此外，也可由ANSYS自动选择自由度。
2. 次空间法(subspace method)：通常用于大型结构中，仅探讨前几个振动频率，所得到结果较准确，不需要定义主自由度，但需要较多的硬盘空间及CPU时间。
求取的振动模态数应该小于模型全部自由度的一半。
3. 非对称法(unsymmetrical method)：该方法用于质量矩阵或刚度矩阵为非对称时，例如转子系统。
其特征值(eigenvalue)为复数，实数部分为自然频率；虚数部分为系统的稳定度，正值表示不稳定，负值表示稳定。
4. 阻尼法(damped method)：该方法用于结构系统具有阻尼现象时，其特征值为复数，虚数部分为自然频率；实数部分为系统的稳定度，正值表示不稳定，负值表示稳定。
5. 区块法(block lanczos method)：该方法用于大型结构对称的质量及刚度矩阵，和次空间方法相似，但收敛性更快。
6. 快速动力法(power dynamics method)：该方法用于非常大的结构（自由度大于100,000）且仅需最小几个模态。
模态分析
模态分析过程模态分析过程由四个主要步骤组成：1.建模；2.加载及求解；3.扩展模态；4.观察结果。
下面分别展开进行详细讨论：§1.6建模主要完成下列工作：首先指定工作名和分析标题，然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型、单元实常数、材料性质以及几何模型。
ANSYS的《建模和网格指南》中对这些工作有更详细的说明。
注意以下两点：•在模态分析中只有线性行为是有效的。
如果指定了非线性单元，它们将被当作是线性的。
例如，如果分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。
•材料性质可以是线性的，各向同性的或正交各向异性的，恒定的或和温度相关的。
在模态分析中必须指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。
而非线性特性将被忽略。
§1.7加载及求解主要完成下列工作：首先定义分析类型、指定分析设置、定义载荷和边界条件和指定加载过程设置，然后进行固有频率的有限元求解。
在得到初始解后，再对模态进行扩展，以供查看。
扩展模态将在下一节―扩展模态‖中进行详细说明。
§1.7.1进入ANSYS求解器命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution§1.7.2指定分析类型和分析选项ANSYS提供的用于模态分析的选项如下表所示，表中的每一个选项都将在随后详细解释。
分析类型和分析选项选项命令GUI 选择途径New Analysis ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New AnalysisAnalysis Type:Modal ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis>Modal Mode Extraction Method MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNumber of Modes to Extract MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNo.Of Modes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>Analysis OptionsMass Matrix Formulation LUMPM Main Menu>Solution>Analysis OptionsPrestress Effects Calculation PSTRES Main Menu>Solution>Analysis Options注意—选择模态分析时，求解菜单将显示与模态分析相关的菜单项。
模态分析的一般流程ok
在No.of modes to expand模态扩展的模态数中输入6
在Use lumped mass approx质量矩阵形成方式，yes前打勾
-----------------6×4车架分析时，又卡又慢，勉强符合要求
将PlotCtrls>Style>Size and Shape必须关闭
以云图方式刷新查看振型，其频率在左上角显示，数据条并不是真实的位移
注意：beam188不能以尺寸和形状的方式显示，否则无法查看彩色振型云图
1/前处理
2/求解中施加，零位移约束（固定）-----一般的模态分析，位移有效的“荷载”是零位移约束，可以施加其他载荷（Force/Moment），但在模态提取时将被忽略
3/tion>Analysis Type>New Analysis>Model>OK
前面求解的固有频率将写到.out和振型文件.mode中，但振型还没被写入文件中，还不能对结果进行后处理POST1，要想进行后处理POST1,必须在此之前对模态进行扩展。"扩展"一词在模态分析中是指将振型写入结果文件，要想在后处理器中观察振型，必须先扩展之。
模态分析，有文献指出约束不同，结果不同，在分析车架时，确实因约束不同而造成结果不同。
Set LIST----------------列表显示各阶频率----------若频率为零，说明六个自由度中的某个没有约束住（以整体为对象）
PLDISP----------------以云图方式显示振型（纯蓝色振型）
通过查看Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu>DOF Solution>Displacement vector sum变形图，然后通过NEXT SET，右键PLOT，√
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在学习模态分析之前，了解一下一些基本知识：
1 模态分析：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"。
2 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。
3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。
4最佳激励点的选取：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模态分析目的：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。
6原点导纳位置的选择：当一点激励多点响应时（SIMO方法），激励点即原点导纳的位置；当用多点激励一点响应时（MISO方法），响应点即为原点导纳的位置。
原点导纳应避开感兴趣模态的结点，以免丢失模态。
7测点的命名：响应点用数字来命名，激励点用一字母加数字来命名。
应避免重名，重名会导致频响函数错误。
在掌握了了上述基本知识后，开始进行模态试验及分析，主要过程如下：
<1>新建：新建一个模态文件，输入或修改试验名、试验号和数据路径，然后进行参数设置，包括传感器类型、总测点数和原点导纳的位置。
需要注意的问题：(1)总测点数的选取：响应点总数（SIMO时），输入激励点总数（MISO时）(2)原点导纳的位置：对应激励点位置的频响函数测点号（SIMO时）对应响应点位置的频响函数测点号（MISO时）
<2>采样: 得到模态分析各测点的数据。
如果是用多次激励的方法（如敲击法），应选择变时基采样，其它激励应选择随机采样。
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。
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、程控放大倍数，各通道测点号、标定值、工程单位等，在随机采样中可以边采边显，并且按‘F9’键，可以找极值或时域统计，在应用中有监测车速、开DDE和显示转速的特殊功能。
需要注意的问题：（1）采样通道数乘以采样频率，不可超过A/D卡的最高采样率（2）采样的频率可通过分析频率设置或直接设置，采样频率为分析频率的2.56倍。
<3>频响函数计算:
（1）采样完成后，如果准备用频域方法拟合或时域方法中的特征系统实现算法（用脉冲响应函数）必须准备好频响函数的数据，需要进行频响函数计算。
首先进行参数设置。
需要注意的问题：(1) 计算方式的设定：对于多次触发的数据，FFT的点数不可选，由每次触发采样的块数决定，响应可加指数窗，输入可以加力窗。
对于随机采样的数据，FFT的点数可选，如果加指数窗，则激励和响应同时加指数窗，可选择重迭系数，每次平均时，下一次的数据为移动重迭系数乘以FFT的点数，重叠系数为0表示不重叠。
平均次数可选。
（2）显示的类型有时域、频响函数、实部和虚部、奈奎斯特图、自谱、互功率谱、互功率谱实部和虚部、互功率谱奈奎斯特图八种类型。
除实部和虚部、奈奎斯特图和时域的类型外，其它三种类型可按线形方式显示、也可按对数方式显示，频响函数和互功率谱有相位、相干、相位和相干，自谱有峰值、有效值、功率谱、功率谱密度的显示方式。
总共有25种图形显示方式。
（3）可以收数据并将所收数据列出。
（2）频响函数也可进行实时测量得到，这样就可不经过采样。
实时计算频响函数每次只能做一个测点，效率较低，只适合于多点敲击，一点响应的情况；或者是一点敲击，多点响应，但响应传感器只有一个的情况。
该方法的参数设置及完成功能同第一种方法类似。
<4>输入几何结构/进行模态拟合: 模态分析的结构生成可由多个部件构成，每个部件可选择直角坐标、柱坐标、球坐标、以及原点位置及三轴放向，按点、线、面的顺序先生成结构，再输入各点的约束。
如果有多个部件时，最后还要输入整体的连线和面。
经典的模态分析（激励已知）模态拟合方法有频域、时域和MIMO 三种方法可供选择；对环境激励模态，也可用时域模态的SSI方法、PRONY方法,或者EFDD（增强型频域分解方法）、PPM、PZM、Poly_LSCF方法。
需要注意的问题：（1）当模态不是特别密集时，一般都选用复模态单自由度的拟合方法，其特点是各阶模态的拟合结果相互之间影响很小，即使某一阶模态拟合的结果不理想，也不会影响到其它阶的模态。
模态较密集时，各阶模态之间耦合比较厉害，用复模态多自由度的方法进行拟合，效果较理想。
对于模态频率挨得很近或者重根的情况，应选时域模态分析的特征系统实现算法（ERA)或Poly_LSCF拟合方法，特征系统实现算法需要先计算脉冲响应函数。
对于环境激励的模态分析，应选时域模态的SSI方法、PRONY方法,或者EFDD（增强型频域分解方法）、PPM、PZM、Poly_LSCF方法进行模态拟合。
（2）频域法进行模态拟合时需要定阶（GLOBAL、Poly_LSCF方法除外），当用单自由度方法进行拟合时，建议采用集总平均或集总显示的方式定阶，以免丢失模态。
如用多自由度方法进行拟合，建议采用选择一点频响函数的方式进行定阶，定阶时和拟合时最好采用同一点的频响函数。
(3) 时域模态拟合主要用来进行响应模态的分析，特征值实现算法(ERA)需要先进行脉冲响应函数计算或随机减量法计算自由衰减函数，随机子空间法(SSI)和复指数法(Prony)可用时域数据直接进行拟合。
(4) MIMO方式：有下面几种清形，a)环境激励，每次测量时有多个参照点保持不变。
b)每次多个激励点同时激励。
c)移动激励点，但每次同时测量多个固定的响应点。
d)分多组测量，每组有一个固定的激励点，这时不同组的响应测点编号通过加不同的基数来区别。
<5>振型编辑:质量归一(振型编辑时以各阶模态质量为1确定振型)振型归一(振型编辑时以原点导纳点振型为1确定振型)应变模态振型编辑(先输入和应变模态对应的位移模态的试验名、试验号和数据路径，由位移模态的模态质量及应变模态原点导纳点对应的位移振型，即可确定应变模态的振型)。
<6> 振型动画:在整个模态分析的任务完成后，可用看结构的各阶模态振型的动画演示，还可输出模态分析报告，包括各阶的频率、阻尼、模态质量、刚模态度、各个测点的留数及振型。
以上是我对模态分析概念及步骤的基本认识，不足之处请老师指正。
频响函数也可进行实时测量得到，这样就可不经过采样。
实时计算频响函数每次只能做一个测点，效率较低，只适合于多点敲击，一点响应的情况；或者是一点敲击，多点响应，但响应传感器只有一个的情况。