简支梁模态分析实训报告

2013~2014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

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指导老师：

2013~2014学年第二学期 (1)

一、模态分析的步骤 (3)

1. 确定分析方法 (3)

2. 测点的选取、传感器的布置 (4)

3. 仪器连接 (4)

4. 示波 (4)

5. 输入标定值 (5)

6. 采样 (5)

6.1 参数设置 (6)

6.2 结构生成 (6)

7. 传递函数分析 (7)

7.1 参数设置 (7)

7.2 采样 (7)

8. 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 (9)

（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

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

DASP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DASP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：

①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 ②压电传感器 → 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

③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

④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

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）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

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. 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①②种连接方式，假设：传感器灵敏度为K CH （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/S 2，则此处为PC/M/S 2）； 四合一放大器电荷增益（有的机器也叫单位增益）为K E （V/U ）；

灵敏度适调为K SH （PC/U ）（DLF-2上为钟表式、DLF-3上为拨钮式）；

积分增益为K J

（功能选择为线性时K J =1，为积分Ⅰ时K J =1，为积分Ⅱ时K J =10，为积分Ⅲ时K J =100。 有的仪器只有两个积分档，此时积分Ⅰ时K J =100，积分Ⅱ

时K J =10）；

电压增益为K V 。（对于以前的四合一放大器，只有电荷增益或单位增益，此

时K V 取1即可）。

则DASP 参数设置表中的标定值K 为：

K K K K K mv U CH E J SH =⨯⨯⨯1000(/) （1）

对于第③种连接方式，假设传感器灵敏度为K CH （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DLF-3放大器，在DASP 参数设置表中输入的标定值K 为：

K K K K K mv U CH E J SH =⨯⨯⨯1000(/) （2）

对于电荷增益和电压增益分开的DLF-3四合一放大器：

K K K K mv U CH V J =⨯⨯(/) （3）

对于第④种连接方式，假设传感器灵敏度为K CH （mv/U ），INV 低通滤波放大

器的增益为K V1，则在DASP 参数设置表中输入的标定值K 为：

K K K mv U CH V =⨯1(/) （4）

6. 采样