模态分析在工程中的应用概述

模态分析在工程中的应用概述

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模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，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（FEA）；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，称为实验模态分析（EMA）。通常，模态分析都是指实验模态分析。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个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。

模态分析所寻求的最终目标在于改变机械结构系统由经验与类比和静态设计为动态、优化设计方法；在于借助试验与理论分析相结合的方法，对已有结构系统进行识别、分析和评价，从中找出结构系统在动态性能上所存在的问题，确保工程结构能安全可靠及有效地工作；在于根据现场测试的数据来这段及预报振动故障和进行噪声控制。通过这些方法为老产品的改进和新产品的设计提供可靠的依据。[1]

模态分析是一项综合性技术，可以应用于各个工程部门及各种工程结构。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息万变。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。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Fourier 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实验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物体的模态参数，从而建立起结构物体的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物体的实际振动的响应历程或响应谱。[2]

模态分析技术的应用可以归纳为以下几个方面：评价现有结构系统的动态特性，在新产品设计中进行结构动态特性的预估及优化设计，诊断及预报机构系统的故障，控制结构的辐射噪声，识别结构系统的载荷。[1]

下面对近几年国内模态分析在工程中各个方面的应用分别进行概述。

1.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，而其动态特性

通常用各阶模态参数（模态频率、模态振型和模态阻尼）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，从而评价结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计算的准确性。模态分析在评价现有结构系统的动态特性的应用及相关文献较多，以下选取其中具有代表性的几篇文献进行介绍。

米良、孙明楠等针对精密卧式加工中心动力学设计的需要，在对该加工中心导轨部件进行模态试验的基础上，提出了一种将模态实验数据与有限元分析模型相集成的导轨结合部动力学参数的优化识别方法，利用 DASP 系统对导轨部件进行了模态试验分析，得到了模态振型、固有频率和阻尼比；并以得到的试验数据为优化目标对结合部动态特性参数（接触刚度、接触阻尼）进行了优化搜索。[3-4]赵维龙也对机床固定结合部动力学参数识别进行了研究，利用理论解析和模态试验相结合的方法对 CK5116 机床整机进行试验模态分析，获得含有固定结合部的装配体的固有频率和阻尼比，并且通过对激振力和响应的时域或频域分析，求得系统的传递函数。[5]

张洪研究了环境激励下的模态参数分析测试理论及辨识算法在铁路客车动力学研究中的应用，运用该技术分析影响在线运行客车性能的主要模态成分及其参数，研究铁路客车物理参数与模态参数以及模态参数与运行特性的关系，研究利用模态辨识技术来改进客车运行性能的途径和方法。[6]

张科在其博士论文中提出了基于广域测量系统的电力系统低频振荡模态分析的研究内容。针对在使用FNET实际测量数据对美国东部互联电网低频振荡进行模态分析时出现的一系列问题，从三种低频振荡模态分析算法入手，对其内部特性进行充分研究，从而改进算法并且给出算法的参数设置指导及算法应用指导。然后针对广域测量系统采集的输入信号包含噪声和非线性分量等特点，给出了输入信号参数设置的最优范围、采用时频分析技术选取合适数据段方法和多输入信号条件下的信号筛选方法以及由以上功能模块所组成的总体方案。[7]

2.在新产品设计中进行结构动态特性的预估及优化设计

在新产品的设计中，通常采用有限元分析方法计算结构系统的动态特性，但是由于建立有限元模型时在边界调剂的处理及力学模型的简化上，往往与实际结构相差较大，这会导致动力分析结果失去使用价值，特别对于大型复杂结构，这种差距更大。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，进而提高有限元分析的精度。

王晓华在完成曲轴建模的基础上，对曲轴进行试验模态分析，并应用 ANSYS 有限元分析软件对该曲轴进行有限元模态分析，为曲轴进一步的强度分析和动态优化设计提供了重要依据。[8]

李校杨通过有限元模态分析探索了实现汽车尾气余热温差发电装置结构优

化的方案，并依据分析结果提出了旨在提高装置振动特性的优化改进方案，实现了装置更加高效平稳地工作。[9]

朱军对XH786A加工中心整机设计方案的有限元模型进行了动力学分析，找出机床结构的薄弱环节，针对这些薄弱环节提出整机改进方案，采用元结构的方法对床身、立柱进行了结构动力学优化设计，采用拓扑优化以振型为依据对立柱进行结构动力学优化设计。[10]

3. 诊断及预报机构系统的故障

利用结构模态参数的改变来诊断结构故障是一种有效的故障诊断方法。

静行综合运用独立分量分析、希尔伯特-黄变换等方法，结合传统模态分析理论来解决结构的模态参数识别与损伤识别，为发展新的工作模态参数识别方法，切实满足结构损伤识别和健康监测的需要进行了探索性研究。在多自由度系统响应模态叠加法的基础上，探讨了多自由度系统动力响应的模态坐标与独立分量之间的关系，基于模态坐标独立性的分析结果，将ICA方法发展为一种利用振动系统响应时域信号进行工作模态参数识别的方法。[11]

丁北斗采用多种模态分析方法对采集到的基于环境激励的动测数据进行分析，形成一套获取结构模态参数的流程，以实现识别网架结构的真实模态；结合网架结构受力特点，研究了基于模态应变能的结构损伤方法，建立了基于模态应变能法的网架结构损伤识别理论；进行网架结构损伤识别数值分析和试验研究，尤其在役大型网架结构的数值分析与试验研究，对获取结构真实模态参数的可行性以及建立的损伤识别理论进行验证并总结网架结构的动力特性；研究在役网架结构安全性评定系统的组成、安全性评定指标的构成，建立在役网架结构安全性评定系统，并结合具体网架结构，组织该安全性评定系统的实施，以验证该系统的有效性，进而为后续研究网架结构的寿命评估、预测提供可靠的研究依据。[12]倪松远以高密度聚乙烯基木塑复合板材为对象，从理论分析、试验测试、有限元模拟等多个角度较系统地研究木塑复合板材的固有频率、位移和曲率模态振型、动弹性模量等振动特性的变化规律，并结合BP神经网络对其缺陷实现定性、定位和定量辨识。[13]

4. 控制结构的辐射噪声

结构辐射噪声实由于结构振动所引起的。结构振动时，各阶模态对噪声的“贡献”并不相同，对再生共享较大的几阶模态称为“优势”模态。抑制或调整优势模态便可降低噪声，而优势模态的确定必须建立在模态分析的基础上。

艾纳基在其博士论文中研究了模态分析方法在汽车消声器中的应用，通过UG建立消声器几何模型，并使用 Altairhyperwork- hypermesh划分网格，而后