模态分析入门教程

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锤击法简支梁（固支梁）模态实验
一、实验目的
1、了解模态分析基本原理；
2、了解模态测试及分析方法。
二、实验仪器安装 示意图
力锤
力传感器 加速度传感器 简支梁
动态分析仪
计算机系统及分 析软件
打印机或 绘图仪

安装图

局部安装图
三、实验步骤 实验梁如下图所示，长（x向）700mm，宽(y 向)45mm。用单点拾振法做梁z 方向的振动模态。 具体实验步骤介绍如下。

图解
模态分析
频率 模态参数 阻尼 振型
输入输出
模态分析的应用

评价现有结构系统的动态特性。 在处理结构的振动问题时，必须对其动态特性有全 面的了解。结构的动态特性通常用各阶模态参数（模态 频率，模态振型及模态阻尼）来描述。通过对结构的模 态分析可以求得上述动态特性参数，从而评价结构动态 特性是否符合要求，并校验理论计算的准确性。结构的 动态特性虽然可以用有限元方法计算，但由于实际结构 的复杂性，在建立有限元模型时所引进的一系列人为假 设往往很难与实际结构相符，因此计算结果与实际情况 往往不吻合。模态分析是建立在试验基础上的，因此得 到的动态特性参数比较准确，特别是可以识别系统的阻 尼，而在有限元分析中，阻尼是人为假设的。
（8）动画显示
打开模态参数文件和几何模型窗口，在模态参数文件窗口内， 按数据匹配命令，将模态参数数据分配给几何模型的测点。 进入到几何模型窗口，点击动画显示按钮，几何模型将相应 模态频率的振型以动画显示出来。在振型表文件内鼠标选择 不同的模态频率，几何模型上就相应的将其对应的振型显示 出来。 在几何模型窗口内，使用相应按钮可以动画进行控制，如更 换在视图选择中选取显示方式：单视图、多模态和三视图； 改变显示色彩方式；振幅、速度和大小，以及几何位置。
3. 预览平均方式打开后，软件在每次敲击采集数据后，提示 是否保存该次试验数据。需要判断敲击信号和响应信号的 质量，判断原则为：力锤信号无连击，信号无过载。
实验梁的力锤敲击信号：
(5）数据预处理
调节采样数据
采样完成后，对采样数据重新检查并再次回放计算频响函数数 据。一通道的力信号加力窗，在力窗窗宽调整合适。对响应信号加 指数窗。设置完成后，回放数据重新计算频响函数数据。
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动画显示 参数辨识得到的各阶模态，分别或同时显示在一个或多个模型上；可以连 续动画、步进动画、三维彩色动画、等高线动画、矢量动画、四视图同步动画 等，动画幅度、速度可调； 时域ODS动画 将所有测点的实测数据同步动画显示在模型上，以类似快摄慢放的形式 回放原始数据，生动形象地显示出试件的真实变形过程； 频域ODS动画 将所有测点的频谱或频响函数数据同步动画显示在模型上，以类似闪频 仪的形式、生动形象地显示出试件在某个频率激振下的变形情况； 工作模态OMA 通过测量结构在工作状态时的振动响应信号，进行模态参数辨识。辨识 方法包括经典的自谱、互谱等信息辨识；高级的随机子空间法辨识； 生成报告 几何模型、静态动画图形的拷贝、打印；动画转换成AVI文件；所有识 别的模态参数文件（包括各阶模态的振型数据）可保存、打印，振型文件可 导出为word文件及文本文件。
DHMA模态软件分析方法及应用领域

测力法（频响函数法）


这是经典的模态分析方法，他引入了自动控制理论中 的传递函数（或频率响应函数）概念，传递函数反映 系统的是输入与输出之间的关系，反映系统的固有特 性，根据传递函数来辨识系统的模态参数。 给系统施加一个已知的输入力（力传感器测量得到）， 测量结构各点的响应，利用软件的频响函数分析模块 计算得到各点频响函数数据。利用频响函数据，通过 一定的模态参数识别方法来得到结构的模态参数。
– 环境激励法是基于输入为平稳随机过程假设下的参数 识别方法。也就是说假设给结构的输入力（环境激励 力）为随机信号，随机信号的功率谱为常值。如此得 到的响应信号是随机激励下的响应信号，这样就可以 用响应信号的互谱来代替频响函数进行参数辨识了。
应用
•大型建筑物：
•大型桥梁：
DHMA模态分析软件功能
单击设定 节点的X 坐标
单击设ห้องสมุดไป่ตู้ 节点的Y 坐标
单击设定 节点的Z 坐标
根据实际 情况设定 测点号
导入频响函数数据：单击工具栏按钮“导入数据”，新建一数据文件， 弹出“模态数据文件选择对话框”。
单击“测量类型”按钮，选择测量类型：单点拾振法。
单击“选择文件”按钮，将每个测点的频响函数数据读入模态软件， 本次实验共13组频响数据文件。
应用
•中小型结构：
•大型结构：
DHMA模态软件分析方法及应用领域
• 不测力法（环境激励法） – 应用：虽然测力法测量的得到模态结果比不测力法的 得到的结果要准确，但是对于房屋建筑、大型桥梁等 大型结构，结构无法进行人为激励，而且环境激励力 也无法测量的情况下，只能利用响应信号来辨识结构 的模态参数。
测点号
测量方向
注意： 1. 移动敲击时，当力锤移动到其他点进行敲击测量时，就必 须相应的修改力锤通道的模态信息/节点栏内的测点编号。 每次移动力锤后都要新建文件。
2. 用力锤敲击各个测点，观察有无波形，如果有一个或两个 通道无波形或波形不正常，就要检查仪器是否连接正确、 导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至 波形正确为止。使用适当的敲击力敲击各测点，调节量程 范围，直到力的波形和响应的波形既不过载也不过小。
• 几何建模 读入CAD平面图形、ANSYS有限元模型文件；可以直接在界面上完成部件、 结点、连线的填加、删除、移动、复制、粘贴以及参数修改等；可自动生成 规则模型；为了更接近实际结构，测点之间可插入非测量结点，软件自动根 据周围测点数据编写非测点的约束方程。对模型可以进行平移、旋转、放大 缩小、线条颜色修改、背景颜色修改、四视图单独或同时显示； 数据类型及显示 环境激励下的时域响应数据、频响函数数据（单入单出 SIMO、 单 入 多出MISO、多入多出MIMO）、接受文本文件、UFF数据文件；数据可以 多行多列显示、重叠显示、局部放大缩小显示；单光标、双 光标、峰光标、 光标值显示等 ； 参数辨识 频域峰值法、随机子空间法、导纳圆拟合法、正交多项式拟合法和时域复指 数拟合法等； 模态模型验证 稳态图、模态置信准则（MAC）、模态相位共线性、相位偏移、模态指示函 数、模态参与因子、模态振型的动画显示；
目录：

试验模态分析概念 模态分析的应用 DHMA模态软件分析方法及应用领域 DHMA模态分析软件功能 锤击法简支梁（固支梁）模态实验
模态分析

定义
是一种坐标变换。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。运用这一坐标的好处是： 利用各特征向量之间的正交特性，可使描述响应向量的各个坐标互相 独立而无耦合。换句话讲，在这一坐标系统中，振动方程是一组互无 耦合的方程，每一个坐标均可单独求解。
启动回放 力信号加力窗
响应信号加指数窗
（6）模态分析
几何建模：自动创建矩形模型，输入模型的长宽 参数以及分段数；打开结点信息窗口，编写测点 号； 创建平面
Y方向模型长度
Y方向分段数
X方向分段数 X方向模型长度
注：DHMA-V2软件可自动创建矩形、圆、长方体、圆锥体、圆柱体、以 及球，也可选择手动添加的方法，具体请参考帮助文件。
选中所有频响数 据的上一级目录， 或者单独选中所 有频响文件
参数识别：首先光标选择一个频段的数据，点击参数识别按钮，搜索 峰值，计算频率阻尼及留数（振型）。
搜索峰值 光标设定范围 光标设定范围
光标设定范围
频率计算方法
留数计算方法
显示频率留数
将频率阻尼保 振型存于模态 参数文件
（7）振型编辑 模态分析完毕以后可以观察、打印和保存分析结果，也可以 观察模态振型的动画显示。
实验梁一阶振型图：
实验梁二阶振型图：

图解
物理坐标 模态坐标 求解振动方程
实验模态分析

定义
根据测量结构上各个测点的信号，采用模态参数辨识方法得到结 构的模态参数，这个过程是把结构作为一个“黑盒子”来处理的，只 需要个结构一个输入，测量得到他的输出就可以来判断结构的内部特 性，模态分析是为了得到结构的动力特性，即模态参数（频率、阻尼 和振型）。
灵敏度
工程单位
量程范围：调整量程范围，使实验数据达到较好的信噪比。调整原则：不 要使仪器过载，也不要使得信号过小。
量程范围
灵敏度
量程范围
模态参数：编写测点号和方向。采用单点拾振法时，如果测量1号点的频响 函数数据，在1-1通道（力锤信号）的模态信息/节点栏内输入1，测量方向输 入+Z；响应通道（加速度传感器信号）内输入传感器放置的测点号，方向为 +Z。
（2）仪器连接 仪器连接如下图所示，其中力锤上的力传感器接动态采 集分析仪的第一通道，DH201加速度传感器接第二通道。
实验梁平面图
（3）打开仪器电源，启动DHDAS控制分析软件， 选择分析/频响函数分析功能。
•在菜单“ 分析(N) ”选择分析模式“单输入频响”。 •在新建的四个窗口内，分别单击右键，在“信号选择”对话框中设定四 个窗口依次为：频响函数数据、1-1通道的时间波形、相干函数数据和12通道的时间波形,如下图。
（1）测点的确定
此梁在y、z方向尺寸和 x方向（尺寸）相差较大， 可以简化为杆件，所以只需在 x 方向顺序布置若干敲 击点即可（本例单点拾振法 - 跑激励），敲击点的数 目视要得到的模态的阶数而定，敲击点数目要多于所 要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。此例中 x 方向把梁分成十四等份，布置了十三个测点（两端点 视为不动点）。选取拾振点时要尽量避免使拾振点在 模态振型的节点上，此处取拾振点在四号测点处。
3. 诊断及预报结构系统的故障。
近年来结构故障技术发展迅速，而模 态分析已成为故障诊断的一个重要方法。 利用结构模态参数的改变来诊断故障是 一种有效方法。例如根据模态频率的变 化可以判断裂纹的出现；根据振型的分 析可以确定裂纹的位置；根据转子支撑 系统阻尼的改变，可诊断与预报转子系 统的失稳等等。
2. 在新产品设计中进行机构动态特性的预估及优化设计。 在新产品设计中，通常采用有限元分析方法计算结构 系统的动态特性，但是正如上面所指出的，由于在建立 有限元模型时，在边界条件的处理及力学模型的简化上， 往往与实际结构相差很大，这便导致了动力学分析结果 失去了实用价值，特别是对于大型复杂结构，这种差距 很大。用模态分析所得的模态参数对有限元模型进行修 改，使其更符合实际，从而提高有限元分析的精度。 用模态分析的结果进行结构动力修改，使动力特性 达到预期要求，并使其优化，这亦时模态分析的目标之 一。模态分析进入产品的设计阶段，并用有限元分析、 CAD、CAT、CAE相结合构成所谓“理想设计过程”是 模态分析技术的一个发展方向。
（4）参数设置 分析参数设置


采样率
触发方式
延迟点数
采样率：10KHz；
触发方式：信号触发 延迟点数： 200。 平均方式：线性平均 预览平均：√
平均方式
预览平均
系统参数设置
参考通道：1-1
设定参考通道
l 工程单位和灵敏度：将两个传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。 传感器灵敏度为KCH（PC/EU）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/s2 ，则此处为PC/ m/s2 。