模态分析
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时域算法,
稳定图比PolyMAX更为清晰
东方所技术资料
DASP模态分析的特点及创新
PolyIIR vs PolyMAX – 卢浦大桥
PolyIIR
PolyMAX
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27
DASP模态分析的特点及创新
PolyIIR vs PolyMAX - 轴对称制动盘
25
DASP模态分析的特点及创新
4.1.1 DASP - PolyIIR
PolyIIR
多参考点无限脉冲响应参数识别方法 东方所首次发表于 14届亚太振动会议，2011.12，香港 适用于EMA,OMA,MIMO，相当于时域的PolyMAX 1.和PolyMAX具备完全相同的频率特征方程, A unified matrix polynomial approach (UMPA) 2.PolyIIR 的Hankel矩阵的所有系数是直接得到，PolyMAX方法Hankel 矩阵的系数需要经过复数运算，FFT运算以及逆矩阵运算 3.PolyIIR可看作是规范化后的PRCE方法或UMPA 方法
实例分析
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2
DASP模态分析的特点及创新
一、模态分析和试验
什么是模态分析
模态分析的实质，是一种坐标变换，将原物理坐标的振 动方程，转换成“模态坐标”，坐标系统的每一个基向 量是振动系统的一个特征向量。新坐标的好处是：响应 向量解藕。 简单地说，模态分析是一种方法，藉此我们可以根据频 率、阻尼、振型这些本质特征来描述结构。帮助我们明 白结构是怎样振动的。 模态分析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。
DASP模态软件特点及创新
2012.07
北京东方振动和噪声技术研究所
ver2.0,2012.07.08
东方所技术资料
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1
DASP模态分析的特点及创新
主要内容
模态分析和试验简介 准备数据 – 模态测试试验 结构生成 – 几何建模 参数识别 – 模态拟合算法和自动化 结果校验
DASP模态 – 集成解决方案
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18
DASP模态分析的特点及创新
2.7 准备数据的其他关键点
EMA
试验方法选择:分为SIMO,MISO,MIMO
分析频率确定:保证重要的模态 激励方式:力锤锤击或激振器激励 传感器类型的选择:低频用位移,高频用加速度 参考点的位置: 避免重要模态的节点
EMA (Experimental Modal Analysis)
1. 分析频率合适 2. FRF峰值点相干在0.75以上
OMA (Operation Modal Analysis)
1. 分析频率合适 2. 两点互功率谱峰值点相干在0.75以上
数据不好的原应：
1. 连线不好，测量的是噪声，不是实际信号 2. 信号过栽，欠栽，有干扰信号
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东方所技术资料
DASP模态分析的特点及创新
主要用于
评价现有结构的动态特性
验证有限元模型 结构设计优化
响应计算
载荷识别 检验产品的质量 振动故障诊断和预报 深入洞察振动发生的根本原因 有助于识别出设计的薄弱环节 监测结构的渐变
结构健康监测
……
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1 抗干扰能力强，稳态图清晰；
2 可进行宽频带分析，可任意选择分析频带，同时处理多阶模态； 3 易于识别密集模态，能区分重根； 4 易于区分虚假模态； 5 采用快速算法，运算速度非常快； 6 具有多参考点形式 要求选择合适的阶数，需要清晰的稳定图
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30
DASP模态分析的特点及创新
2 需要持续时间长的激励力
移动发射平台
火箭移动发射平台示意图
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13
DASP模态分析的特点及创新
2.4.3 VTB解决办法
DFC弹性聚能力锤
(m 锤头质量越大,k越小即锤头越软,对低频激励越有利)
增大激励力-可达20T 延长激励时间--能量集中于低频 激励力的持续时间 T/2=π/ω (ω =(k/m)1/2) 力和时间的积分面积为2mv0 ,最大的激励力为kv0/ω =(km)1/2v0 m增加了β倍,在低频的能量增加了β3/2倍 k缩小了γ倍,在低频的能量增加了γ1/2倍 激励和响应采用不同的采样频率 使用VTB传函细化计算方法
一般过程
准备数据 结构生成
参数识别 分析结果验证 结果输出
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6
DASP模态分析的特点及创新
二.准备数据(试验技术)
EMA和OMA 判断数据的好坏 东方所DASP创新点和优点
VTB：变时基传函测量（专利技术） 连续激励时脉冲响应函数的快速精确计算
基于声振互易性的非接触测试
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23
DASP模态分析的特点及创新
四.模态参数识别新方法
各种常用模态拟合算法
频域
PPM、PZM、VTB 、PolyLSCF、EFDD
时域
PolyIIR、 SSI、ERA、Prony
DASP特有
DASP的特有创新
基本算法：PolyIIR，PPM，PZM 参数优化：多方法结果的优化统一 自动化： MII和自动化模态，一键求模态
高精度数据采集:
24位AD(120dB)或双核(160dB),高信噪比
GPS无线同步:
远距离无线同步测量, 可省导线
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11
DASP模态分析的特点及创新
2.4.1 VTB(变时基)
VTB
变时基锤击激励模态 Varied-Time-Base
东方所专利技术
PolyIIR
PolyMAX
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28
DASP模态分析的特点及创新
4.1.2 PolyLSCF (PolyMAX)
PolyLSCF
LSCF：多参考点的最小二乘复频域法
Least-Squares Complex Frequency-Domain method
OMA
分析频率确定:保证重要的模态
传感器类型的选择:低频用位移,高频用加速度 参考点的位置: 避免重要模态的节点
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DASP模态分析的特点及创新
三.结构生成Байду номын сангаас
支持点、线、面的鼠标直接输入(所见即所得)
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20
DASP模态分析的特点及创新
f i 0
i
点给予激励力，在
j
点得到声压，得到的频响函数和第 点用体积声源进行激励，在 i 点得到速度响应，得到的频响函数大 小相同，方向相反。
pj fi
j 0 q
f i 0
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17
DASP模态分析的特点及创新
2.6.2 通过声压的非接触测量
避免附加质量的影响破坏对 称结构的重根
DASP模态分析的特点及创新
益处
提高产品的竞争优势
缩短产品开发周期 减少产品召回
应用领域
航空航天飞行器、船舶、汽 车工业等 土木领域：大桥、大坝、高 层建筑、海洋平台、闸门、 桩基检测
……
各种机械设备：如机床、发 电设备、压缩机、汽轮机
军工领域
等等
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5
DASP模态分析的特点及创新
OMA (Operation Modal Analysis)
1. 环境激励和运行状态下，激励力不可测
2. 可得到强迫振动的实际振型，EMA无法直接得到 3. 选多个参考点，为MIMO方法
ODS 工作变形分析
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DASP模态分析的特点及创新
2.2 判断测试数据的好坏
多种结构显示方式
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21
DASP模态分析的特点及创新
结构生成方式
多部件,多种局部坐标系(直角、柱、球） 允许几何结构用柱坐标，约束用直角坐标 支持约束合成 强大的自动生成功能
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22
DASP模态分析的特点及创新
结构生成
标准部件扩充 可从CAD文件直接得到几何结构 支持纹理贴图及半透明显示方式
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24
DASP模态分析的特点及创新
4.1 模态拟合新算法
适合EMA 激励可测
PolyIIR、PolyLSCF、ERA、VTB
适合OMA 激励不可测
PolyIIR 、PPM、PZM
PolyLSCF、ERA、 SSI、Prony、EFDD
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互易性方法利用声压传感器非接触测量:
小型大面积结构,避免附加质量的影响,破坏对称结构的重根.
高精度数据采集:
24位AD(120dB)或双核(160dB),高信噪比
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DASP模态分析的特点及创新
2.3.2 DASP在OMA中的优点和创新点
OMA
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16
2.6.1基于振动与声的互易性原理的模态试验
互易性原理
• 振动和振动 • 声和声 • 振动和声
第
xj fi
pj qi
f j 0
xi fj
pi qj
f i 0
q j 0
qi 0
pj fi
j
j 0 q
i x j q
i x qj
3. OMA多组测量时，测量时间不够长，各组之间的数据融合不好。
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9
DASP模态分析的特点及创新
2.3.1 DASP在EMA中的优点和创新点
EMA
VTB变时基:
对大型低频结构,改善FRF精度
时域和频域快速算法求连续激励的脉冲响应函数:
速度和解卷积相比，提高上千倍，精度损失不到5% 和常规方法相比，精度提高了90%
高精度数据测量和GPS无线同步
其他关键问题
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DASP模态分析的特点及创新
2.1 EMA和OMA
EMA (Experimental Modal Analysis)
1. 锤击和激振器激励，激励力可测 2. 包括：SIMO，MISO，MIMO多输入多输出 3. 特色：VTB 变时基，SMA 应变模态，互易性方法(无附加质量)
DASP：
提出了高效的迭代算法,可将时域法的计算时间缩短上百倍,但精度 损失非常小,使之成为实用算法.
发表于 Journal of Vibration and Acoustics , 2011, December, Vol.133, ISS.6, DOI:10.1115/ 1.4005221(SCI)
特点
结合DFC型高弹性聚能力锤
适合大型低频结构的锤击激励试验
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DASP模态分析的特点及创新
2.4.2 VTB解决的问题
大型低频结构锤击试验
相比OMA可以获取完整的模态参数
1 采样频率设置的矛盾
激励力为脉冲，需要高采样频率
响应为低频信号，需要低采样频率
国外称PolyMAX 频域算法中最佳模态分析方法之一
特点
采用离散时间频域模型，属于总体拟合法 快速递推的运算技巧，具有很多优点 既适合锤击和激振器激励，又适合环境激励模态 支持MIMO，适合EMA和OMA
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DASP模态分析的特点及创新
PolyLSCF的优缺点
750吨神舟飞船发射平台 ,乌海黄河铁路桥,航天员超重训练机,大型港口机械……
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VTB传函计算
典型实例
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DASP模态分析的特点及创新
2.4.4 VTB自动落锤激励
INV自动落锤激励装置
可根据锤击对象改变落锤质量
有效地防止二次连击 可根据需要改变落锤下落高度 可微调平衡，考虑地面不平整 特殊的弹性聚能装置 激励力大，持续时间长 激励能量集中于低频段 适合桥梁等大型结构
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DASP模态分析的特点及创新
2.5 脉冲响应函数的快速精确识别算法
频域法:
计算速度非常快,先求FRF,猝发激励多次平均为精确解,连续激励引 入误差,数据长时误差变小
时域法:
计算速度很慢,先求IRF,猝发激励多次平均及连续激励都为精确解, 只适合于短的连续数据,但仍不实用
时域算法,
稳定图比PolyMAX更为清晰
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PolyIIR vs PolyMAX – 卢浦大桥
PolyIIR
PolyMAX
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PolyIIR vs PolyMAX - 轴对称制动盘
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DASP模态分析的特点及创新
4.1.1 DASP - PolyIIR
PolyIIR
多参考点无限脉冲响应参数识别方法 东方所首次发表于 14届亚太振动会议，2011.12，香港 适用于EMA,OMA,MIMO，相当于时域的PolyMAX 1.和PolyMAX具备完全相同的频率特征方程, A unified matrix polynomial approach (UMPA) 2.PolyIIR 的Hankel矩阵的所有系数是直接得到，PolyMAX方法Hankel 矩阵的系数需要经过复数运算，FFT运算以及逆矩阵运算 3.PolyIIR可看作是规范化后的PRCE方法或UMPA 方法
实例分析
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一、模态分析和试验
什么是模态分析
模态分析的实质，是一种坐标变换，将原物理坐标的振 动方程，转换成“模态坐标”，坐标系统的每一个基向 量是振动系统的一个特征向量。新坐标的好处是：响应 向量解藕。 简单地说，模态分析是一种方法，藉此我们可以根据频 率、阻尼、振型这些本质特征来描述结构。帮助我们明 白结构是怎样振动的。 模态分析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。
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主要内容
模态分析和试验简介 准备数据 – 模态测试试验 结构生成 – 几何建模 参数识别 – 模态拟合算法和自动化 结果校验
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2.7 准备数据的其他关键点
EMA
试验方法选择:分为SIMO,MISO,MIMO
分析频率确定:保证重要的模态 激励方式:力锤锤击或激振器激励 传感器类型的选择:低频用位移,高频用加速度 参考点的位置: 避免重要模态的节点
EMA (Experimental Modal Analysis)
1. 分析频率合适 2. FRF峰值点相干在0.75以上
OMA (Operation Modal Analysis)
1. 分析频率合适 2. 两点互功率谱峰值点相干在0.75以上
数据不好的原应：
1. 连线不好，测量的是噪声，不是实际信号 2. 信号过栽，欠栽，有干扰信号
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DASP模态分析的特点及创新
主要用于
评价现有结构的动态特性
验证有限元模型 结构设计优化
响应计算
载荷识别 检验产品的质量 振动故障诊断和预报 深入洞察振动发生的根本原因 有助于识别出设计的薄弱环节 监测结构的渐变
结构健康监测
……
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1 抗干扰能力强，稳态图清晰；
2 可进行宽频带分析，可任意选择分析频带，同时处理多阶模态； 3 易于识别密集模态，能区分重根； 4 易于区分虚假模态； 5 采用快速算法，运算速度非常快； 6 具有多参考点形式 要求选择合适的阶数，需要清晰的稳定图
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2 需要持续时间长的激励力
移动发射平台
火箭移动发射平台示意图
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2.4.3 VTB解决办法
DFC弹性聚能力锤
(m 锤头质量越大,k越小即锤头越软,对低频激励越有利)
增大激励力-可达20T 延长激励时间--能量集中于低频 激励力的持续时间 T/2=π/ω (ω =(k/m)1/2) 力和时间的积分面积为2mv0 ,最大的激励力为kv0/ω =(km)1/2v0 m增加了β倍,在低频的能量增加了β3/2倍 k缩小了γ倍,在低频的能量增加了γ1/2倍 激励和响应采用不同的采样频率 使用VTB传函细化计算方法
一般过程
准备数据 结构生成
参数识别 分析结果验证 结果输出
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二.准备数据(试验技术)
EMA和OMA 判断数据的好坏 东方所DASP创新点和优点
VTB：变时基传函测量（专利技术） 连续激励时脉冲响应函数的快速精确计算
基于声振互易性的非接触测试
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四.模态参数识别新方法
各种常用模态拟合算法
频域
PPM、PZM、VTB 、PolyLSCF、EFDD
时域
PolyIIR、 SSI、ERA、Prony
DASP特有
DASP的特有创新
基本算法：PolyIIR，PPM，PZM 参数优化：多方法结果的优化统一 自动化： MII和自动化模态，一键求模态
高精度数据采集:
24位AD(120dB)或双核(160dB),高信噪比
GPS无线同步:
远距离无线同步测量, 可省导线
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变时基锤击激励模态 Varied-Time-Base
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PolyIIR
PolyMAX
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4.1.2 PolyLSCF (PolyMAX)
PolyLSCF
LSCF：多参考点的最小二乘复频域法
Least-Squares Complex Frequency-Domain method
OMA
分析频率确定:保证重要的模态
传感器类型的选择:低频用位移,高频用加速度 参考点的位置: 避免重要模态的节点
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三.结构生成Байду номын сангаас
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点给予激励力，在
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点得到声压，得到的频响函数和第 点用体积声源进行激励，在 i 点得到速度响应，得到的频响函数大 小相同，方向相反。
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2.6.2 通过声压的非接触测量
避免附加质量的影响破坏对 称结构的重根
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益处
提高产品的竞争优势
缩短产品开发周期 减少产品召回
应用领域
航空航天飞行器、船舶、汽 车工业等 土木领域：大桥、大坝、高 层建筑、海洋平台、闸门、 桩基检测
……
各种机械设备：如机床、发 电设备、压缩机、汽轮机
军工领域
等等
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DASP模态分析的特点及创新
OMA (Operation Modal Analysis)
1. 环境激励和运行状态下，激励力不可测
2. 可得到强迫振动的实际振型，EMA无法直接得到 3. 选多个参考点，为MIMO方法
ODS 工作变形分析
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2.2 判断测试数据的好坏
多种结构显示方式
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结构生成方式
多部件,多种局部坐标系(直角、柱、球） 允许几何结构用柱坐标，约束用直角坐标 支持约束合成 强大的自动生成功能
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结构生成
标准部件扩充 可从CAD文件直接得到几何结构 支持纹理贴图及半透明显示方式
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DASP模态分析的特点及创新
4.1 模态拟合新算法
适合EMA 激励可测
PolyIIR、PolyLSCF、ERA、VTB
适合OMA 激励不可测
PolyIIR 、PPM、PZM
PolyLSCF、ERA、 SSI、Prony、EFDD
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互易性方法利用声压传感器非接触测量:
小型大面积结构,避免附加质量的影响,破坏对称结构的重根.
高精度数据采集:
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2.3.2 DASP在OMA中的优点和创新点
OMA
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2.6.1基于振动与声的互易性原理的模态试验
互易性原理
• 振动和振动 • 声和声 • 振动和声
第
xj fi
pj qi
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xi fj
pi qj
f i 0
q j 0
qi 0
pj fi
j
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i x j q
i x qj
3. OMA多组测量时，测量时间不够长，各组之间的数据融合不好。
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2.3.1 DASP在EMA中的优点和创新点
EMA
VTB变时基:
对大型低频结构,改善FRF精度
时域和频域快速算法求连续激励的脉冲响应函数:
速度和解卷积相比，提高上千倍，精度损失不到5% 和常规方法相比，精度提高了90%
高精度数据测量和GPS无线同步
其他关键问题
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2.1 EMA和OMA
EMA (Experimental Modal Analysis)
1. 锤击和激振器激励，激励力可测 2. 包括：SIMO，MISO，MIMO多输入多输出 3. 特色：VTB 变时基，SMA 应变模态，互易性方法(无附加质量)
DASP：
提出了高效的迭代算法,可将时域法的计算时间缩短上百倍,但精度 损失非常小,使之成为实用算法.
发表于 Journal of Vibration and Acoustics , 2011, December, Vol.133, ISS.6, DOI:10.1115/ 1.4005221(SCI)
特点
结合DFC型高弹性聚能力锤
适合大型低频结构的锤击激励试验
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DASP模态分析的特点及创新
2.4.2 VTB解决的问题
大型低频结构锤击试验
相比OMA可以获取完整的模态参数
1 采样频率设置的矛盾
激励力为脉冲，需要高采样频率
响应为低频信号，需要低采样频率
国外称PolyMAX 频域算法中最佳模态分析方法之一
特点
采用离散时间频域模型，属于总体拟合法 快速递推的运算技巧，具有很多优点 既适合锤击和激振器激励，又适合环境激励模态 支持MIMO，适合EMA和OMA
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PolyLSCF的优缺点
750吨神舟飞船发射平台 ,乌海黄河铁路桥,航天员超重训练机,大型港口机械……
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VTB传函计算
典型实例
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2.4.4 VTB自动落锤激励
INV自动落锤激励装置
可根据锤击对象改变落锤质量
有效地防止二次连击 可根据需要改变落锤下落高度 可微调平衡，考虑地面不平整 特殊的弹性聚能装置 激励力大，持续时间长 激励能量集中于低频段 适合桥梁等大型结构
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2.5 脉冲响应函数的快速精确识别算法
频域法:
计算速度非常快,先求FRF,猝发激励多次平均为精确解,连续激励引 入误差,数据长时误差变小
时域法:
计算速度很慢,先求IRF,猝发激励多次平均及连续激励都为精确解, 只适合于短的连续数据,但仍不实用