结构动态模态分析实验讲义教材

结构动态测量（模态分析）实验讲义模态实验实验目的利用动态信号测量采集分析系统对铝板进行模态分析实验，获取试件的前三阶振型与对应的固有频率，并利用有限元方法进行验算，对比分析得到结果。

使用仪器器材（1）基本仪器：力锤（电压型）、动态信号测试分析仪(东华DH5927N)、加速度传感器（电压型）、便携式计算机（2）软件：动态测试采集软件（DHDAS5927N动态信号采集分析系统）与模态分析软件（DHMA模态分析软件演示版）（3）其他仪器：数据连接线、数据线转接头、仪器电源线、传感器固定螺杆、水晶头、力锤数据线、水晶头网线、接地线、扳手、老虎钳、计算器、直尺、游标卡尺、502胶、砂纸、记号笔、酒精、抹布、胶布（4）实验试件：铝板（588mmX372mmX8mm）、固定螺母、多功能实验台1.1 重要仪器介绍力锤：本实验用的力锤中的传感器属于是电压型传感器，见附件图1.1，线一端接在力锤上，另外一端直接连在信号采集仪。

力锤头可以由多种材料制成，常见的有钢质、铝制、树脂制、橡胶制，还有不同的大小规格。

在实际使用时应该根据结构的材质、尺寸、分析频率范围来进行选取。

本实验得试件为铝板，前三阶固有振动频率较低（<500Hz），可使用质地较软的树脂头力锤进行实验。

动态信号测试分析仪：见附件图1.3(a)，一共有若干个输入通道，其中一个接力锤，其他接加速度传感器。

见附件图1.3(b)，背部有一端口，通过网线与电脑相连，传输数据，并由电脑软件端控制测量采集的主要参数。

1.2 实验基本步骤（1）试件划线、粘贴水晶头（2）安防仪器，连接线路（3）调试软件，测试测量（4）测量结果，做好记录（5）结果后处理分析（6）有限元方法验证1.3动态测量采集软件介绍操作步骤（DHDAS5927N动态信号采集分析系统）必须在PC与动态信号测试分析仪仪连接完毕后才能正常使用，否则无法控制通道参数。

将两者用网线连接，将两者设置在同一局域网段下，如可以在电脑的本地连接设置中设置IPV4属性为使用IP192.168.0.50，双击打开信号采集分析系统软件，左侧设备信息中右键查找设备，查找并载入动态信号测试分析仪的输出通道。

(动态信号测试分析仪IP为192.168.0.108，设置电脑IP前面192.168.0.*不变，后面的数字与108不同即可。

)定义分析类型为频响分析。

在通道参数栏中，通用参数中激活连接力锤和传感器的通道；触发参数栏中选择力锤通道为触发通道；几何参数中设置测点所在的坐标系和方向；通道子参数中设置力锤的灵敏度、测量的工程物理量单位；通道参数：通道状态(需要用到得通道调成“对号”，不用的调成“叉号”)。

图1.3.1 通道参数栏触发参数：参加触发的为力锤通道，为“对号”，其他都为“叉号”。

触发量级10%指的是，力锤产生的电压大于该通道量程10%时，才会触发系统工作采集数据，这里需要合理设置通道量程和触发量级，避免误触发或者触发门槛过高无法采集。

图1.3.2 触发参数栏几何参数最好使后续模态分析时建模的坐标系以及方向与先前设置的方向一致，便于将结果关联到模型的节点中。

参考标识一般选择力锤通道，因为力锤信号是输入信号，以力锤信号为参考可求得导纳即频响函数)图1.3.3 几何参数栏标定信息：这里是对某些信号特征未知的传感器进行标定，获取其频域特性曲线，用一条多项式曲线进行拟合。

但由于传感器的上限分析频率很高，一般实验的频率范围不会都在传感器的正常工作范围，即频域特性曲线为一条平直线，因而不需要标定。

图1.3.4 标定信息栏通道子参数：图1.3.5 通道子参数栏这里是测试软件最主要的设置区域，包括工程单位、灵敏度、量程范围、输入方式、上限频率。

力的工程单位(EU)为(N)、加速度工程单位为(m/s^2)。

传感器的灵敏度单位为mv/EU，即毫伏每工程单位。

量程范围决定了测量结果所能被采集的最大值，敏度*最大量程范围=动态信号测试分析仪的供电电压。

测量结果在所设置量程范围的80%左右误差最小，但不能超过最大量程，否则数据采集仪会亮红灯警告。

可以反复试验，调整量程范围到一个合理的值。

DIF_DC指该通道接的是电荷放大器输出信号，本实验中不用；ICP表示传感器测量数据本身属于电压型；上限频率为pass指不设置上频率频率。

3、点击上侧菜单中的增加窗口，在主窗口中增加适当的窗口显示测量数据。

平铺窗口，分别右键各个窗口设置显示数据类型。

可选择的类型为通道时间曲线、频响函数、相干函数等。

4、在分析参数中选择分析频率，采样方式先选择连续，平衡及清零通道，点击右侧的启动采样，开始采样背景噪声。

发现背景噪声有50Hz的信号干扰时，信号测试分析仪需要接地线，50Hz的信号干扰消失。

点右侧停止测量键，背景噪声测试完毕后，保存。

5、在分析参数中选择分析频率，采样方式选择瞬态，平衡及清零通道，点击右侧的启动采样，力锤敲击激励点，观察各个窗口中的数据曲线，主要有以下要求：所有曲线不超量程、力锤脉冲曲线无连击、相干函数接近1。

获得一个初始平缓之后出现脉冲的典型波形，有利于观察信号初始时刻是否为0，采集结束时是否衰减为0。

而信号采集一般从脉冲信号出现时才开始进行，故需要在脉冲信号前加上一定延迟时间，通过设置延迟点数（常选100）来达到，平均次数3，线性平均。

测量时勾选预览平均，这样3次测量时每次都会弹窗提示是否保存该次测量数据，根据测量数据好坏选择是否保存该次测量数据。

（另外还有其他的平均方式，由不同实验需求而定）1.4 接线（本次实验中无需接电荷放大器）加速度传感器，一端通过水晶头贴在壳体测点上，另一端通过导线连接在；力锤，通过导线连接在动态信号测试分析仪通道上，动态信号测试分析仪，通过网线与电脑相连。

图1.2.1 模态试验仪器连接示意图（本次实验中无需接电荷放大器）1.5 数据处理数据处理时不需要连接测试设备便可以离线进行，需要用的的数据是文件夹下面的*.tf文件。

●在主文件夹下筛选出数个加速度传感器对应的.tf文件。

●在做实验时，用到了1个加速度传感器，且敲击点一共有m个，根据互易定理，相当于用力锤敲击布置加速度传感器处，而得到对应1组m个响应的加速度值。

然后从中得到试件的模态，进行下一步研究。

测点布置(力锤敲击点)原则本次模态实验对象，前三阶振型长短板方向最大半波数均不大于2。

布置测点时，测点要避免布置在二等分点、四等分处，该处可能相应幅值为0，导致获得结果不佳。

本次试验长边划分7份，短板划分5份，满足要求。

处理数据所用的的软件如右上图所示。

思路为：新建一个工程文件结构文件数据文件，得到模态参数文件。

结构文件:结构文件主要由：结点、线、平面、子结构构成。

在模态分析软件中利用建模模块获得。

在建结构模型后，再赋予结构节点测点号，这个编号要与后面导入的数据文件的实际试件测点编号要一致对应，方便后面数据分析。

（结点号是用该软件建模得到的节点编号，测点号是对导入数据的编号，默认为通道编号，对于多点激励单点测量，所有数据编号都是一样的即通道号，故而需要我们修改。

先将结点指定一个测点编号，再将与结点对应的划线编号的测量数据指定同一个测点编号，这样就实现的数据对应导入。

）图1.5.1 结构模型测点编号数据文件：（是各测点对力归一的频响函数）数据文件就是采集的文件*.tf。

首先新建一个数据文件，然后导入数据。

图1.5.2 数据文件测点编号测点号与文件一致对应。

模态参数文件：（此结果仅为范例）图1.5.3 模态参数文件在得到模态文件后，通过插值可以得到结构模态云图，部分云图如下图所示。

（此图形仅为范例）图1.5.4 结构模态云图1.6 软件的一些说明✓分析频率：频域范围。

采样频率/分析频率=2.56✓采样频率：随着分析频率改变。

✓延迟点数：可以根据延迟点数计算出，响应延迟的时间。

延迟时间(s)=延迟点数/采样频率。

分析点数(时域点数)：可以根据分析点数计算出采样时间。

采样时间(s)=分析点数/采样频率谱线数(频域线数)：随着分析点数变化，指的是采样时间内，频域范围。

谱线数=分析频率*分析点数/采样频率（这里的谱线数应该是有效谱线数，即频域线数=时域点数/2.56）。

➢举例：分析频率：1.95kHZ采样频率：5kHZ，1.95k*2.56=4.992k延迟点数：100，计算出延迟时间为100/5k=0.02s分析点数：16384，计算出采样时间为16384/5k=3.2768s谱线数：6400，6400=1.95k*16384/5k=6389,16384/2.56=6400●采样方式：连续(测量白噪声(背景噪声))、瞬态(测力锤响应)●触发方式：信号触发●平均方式：线性平均●平均次数：4次。

(预览平均)，方便取舍每次敲击的数据左图最下面T表示采样时间：3.2768s，与计算结果匹配。

ΔF指所画频域图，频率间距为0.3052HZ。

ΔF=1/采样时间ΔT指所画时域图，时间间距为0.2ms。

ΔT=1/采样频率附件1 模态试验仪器图片图1.1 力锤示意图(a) 动态信号测试分析仪面板(b) 动态信号测试分析仪背部图1.3 动态信号测试分析仪。