试验模态分析
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试验测试方法
支撑方式：自由支撑 激振方式：冲击力锤（软头）
测量方法：在箱体上布置
127个测点，在箱体的后上部、 右侧板中心这两个测点安置加 速度传感器，试验过程中，移 动带有力传感器的力锤，敲击 其余 125 个测点，为了提高信 噪比，每个测点敲击4次，测得 的4次响应数据进行线性平均。
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接触式 纯随机信号 非接触式
正弦扫描
传统的激励方法，比较成熟。它具有激励能
量集中，信噪比大，测试精度高，但测试时 间长
Page:10/25
机械式激振器
利用转动时不平衡质量 惯性力作为激励力 能产生频率可变的常力
Page:11/25
电磁式激振器
将输入信号转换成 交变磁场，在磁场中 放置一个线圈，利用 电磁力产生激励力 激励的频率和幅值彼 此是独立控制的,具有 较大的可控性
Page:19/25
洗衣机箱体的有限元模态分析
1阶24.474Hz
2阶29.201Hz
3阶42.4271Hz
4阶42. 7Hz
箱体的前四阶振型均发生在箱体的两侧，呈“鼓”状振动。 前两阶振型相同，仅相位相差180°，且频率接近于洗衣机的 工作频率（洗衣机按0~1 600r/min计，频率在0~27Hz区 间），是洗衣机整机产生振动噪音的主要源头之一
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F(Hz) F(Hz)
试验准备
结构激振
信号采集
参数识别
根据与被测结 构的接触方式
接触式
根据测试信号
力传感器
根据换能方式
电感式
非接触式
位移传感器
压电式
Fra Baidu bibliotek
速度传感器
压阻式
加速度传感器
涡流式
应变传感器
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试验准备
结构激振
H(f )
信号采集
参数识别
频响函数
频域法 时域信号
试验模态分析
Modal
刘晨阳
引言
What • 模态就是结构固有的动态特性，它包含了系统 的固有频率、阻尼比、振型等参数。 Why
• 运用模态分析，可以帮助我们评价现有结构系 统的动态特性，深入洞察振动发生的根本原因， 进行结构优化
How • 模态分析方法
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模态分析的方法
数值模态分析 （Numerical Value Modal Analysis)
Page:5/25
试验模态分析系统组成
模态试验
激励系统
测量系统
数据分析系统
信号源
传感器
适调放大器 连接部分
功率放大器
激振器
信号分析仪 微机
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试验模态测试系统组成
加速度传 感器
信号放大器
数据采 集仪
计算机
激 振 器
功率放大器
信号发生器
力传感器
Page:7/25
试验模态测试的步骤
试验准备
• 将试验结构以适当 的方式支撑起来
结构激振
• 选择适当的方式 激励试验结构
信号采集
• 通过测量系统测量、 记录激励和响应 • 将记录的数据送入 分析仪
参数识别
• 通过信号处理获得 系统离散频响函数 • 估算出系统的模态 参数
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试验准备 支撑方式
结构激振
信号采集
参数识别
自由支撑
地面支撑
数值模态分析 试验模态分析 别箱体的动态性能，对机箱结构
的改进、减振降噪以及洗衣机整 机多体动力学分析与仿真都具有 重要意义。
对比两次结果 并提出建议
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洗衣机箱体的有限元模态分析
1.建立箱体有限元模型
在Pro/E中建立滚筒 洗衣机箱体的三维 实体的简化模型
2. 有限元离散
将实体模型导入ANSYS中， 用以四边形为主的壳单元对 箱体进行有限元离散 单元数为108 741个 节点数为111 123个
调整箱体材料的相关参数，重新进行有限元计算修正后的有限元 计算和试验结果，各阶固有频率的相对误差在4.5 %以内，各阶振 型仍然保持一致。
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结论
通过模态分析发现，该箱体前4阶模态均发生在两 侧板上，固有频率相对较低。 该洗衣机整机其第1、2阶模态也发生在两侧板上， 固有频率分别为21Hz和24Hz，随着当前滚筒洗衣机脱水 转速的不断提升，易引起箱体的共振，使得箱体的振动 幅值和整机的噪声水平超出相关标准。
洗衣机箱体的试验模态分析
试验模态测试结果
用Test.lab软件对箱体各测点传递函数进行模态拟合，计算模态 参数。 比较两次模态分析的结果 固有振型完全相同 有限元分析结果的各阶固 有频率均低于试验结果 推测为箱体在冲压成型后 产生了残余应力，间接性 提高了箱体刚度。
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箱体有限元模型的修正和分析
试验模态分析 （Experimental Modal Analysis)
运行模态分析 （Operational Modal Analysis)
Page:3/25
试验测试获得模态的思路
我们所研究的对象（系统）与外界的关系一般可用如下 的图来表示：
求模态问题
系统识别问题
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试验模态分析系统组成
FFT
频域信号
传递函 数估计 曲线拟合
Frequency
参数 辨识
传递函数
模态参数
模态分析
时域法
建模
时域信号
数学模型
参数 辨识
模态参数
单自由度模态系统
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模态测试应用实例 ——某型洗衣机箱体模态测试
滚筒洗衣机在工作时，箱体会因
模态分析过程
受到来自筒部撞击及电机的振动 载荷激励而振动。 对洗衣机箱体进行模态分析，识
1、不需要信号发生器、功率放大器及激振器 等精密贵重仪器 2、不必考虑激励设备与试验结构的连接问题 T(ms) T(ms) 及由于连接不当对试验结果的影响 橡胶、充气锤帽 3.试验速度快, 试验周期短。 H(f) 激励能量小、信噪比低，故测试精度不高。 塑料 一般用于中小型结构的快速试验。 H(f) 钢、铝
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试验准备
结构激振
信号采集
参数识别
脉冲信号
信号 特点 根据激励的信 根据与被测结构 号类型 的接触方式 对被测试件无附加质量和刚度约束，能量分
散在很宽频带内，激励能量小、信噪比低， 稳态激励 激励能量分布在很宽的频段内，功率谱是平 谱，经多次平均后可消除各种噪声信号干扰、 随机激励 非线性影响及畸变；但由于信号的非周期性， 导致信号处理时的截断误差，引起能量的泄 露 瞬态激励
改进建议
提高箱体的固有频率 修改侧板冲压结构 改变竖形筋为横向筋
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洗衣机箱体的试验模态分析
试验测试系统
采用比利时LMS 公司的LMS Test.lab 测试系统，实现对箱体的 试验模态试验和分析，测试系统主要由模态加速度传感器、冲击力
锤、LMSSCADAS采集前端、LMS Test.lab分析软件组成
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洗衣机箱体的试验模态分析
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电液式激振器
利用液压原理功率放大 可以产生很大的激振力 在加静载荷的同时又加动载荷 价格昂贵，试验费用高
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冲击锤
附加质量
锤体 锤柄
力传 感器
锤帽
锤帽材质：钢，铝，塑料，橡胶，充气锤帽
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冲击锤
钢、铝
塑料
(t ) 橡胶、充气锤帽 (t ) 锤击法特点及适用
支撑方式：自由支撑 激振方式：冲击力锤（软头）
测量方法：在箱体上布置
127个测点，在箱体的后上部、 右侧板中心这两个测点安置加 速度传感器，试验过程中，移 动带有力传感器的力锤，敲击 其余 125 个测点，为了提高信 噪比，每个测点敲击4次，测得 的4次响应数据进行线性平均。
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接触式 纯随机信号 非接触式
正弦扫描
传统的激励方法，比较成熟。它具有激励能
量集中，信噪比大，测试精度高，但测试时 间长
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机械式激振器
利用转动时不平衡质量 惯性力作为激励力 能产生频率可变的常力
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电磁式激振器
将输入信号转换成 交变磁场，在磁场中 放置一个线圈，利用 电磁力产生激励力 激励的频率和幅值彼 此是独立控制的,具有 较大的可控性
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洗衣机箱体的有限元模态分析
1阶24.474Hz
2阶29.201Hz
3阶42.4271Hz
4阶42. 7Hz
箱体的前四阶振型均发生在箱体的两侧，呈“鼓”状振动。 前两阶振型相同，仅相位相差180°，且频率接近于洗衣机的 工作频率（洗衣机按0~1 600r/min计，频率在0~27Hz区 间），是洗衣机整机产生振动噪音的主要源头之一
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F(Hz) F(Hz)
试验准备
结构激振
信号采集
参数识别
根据与被测结 构的接触方式
接触式
根据测试信号
力传感器
根据换能方式
电感式
非接触式
位移传感器
压电式
Fra Baidu bibliotek
速度传感器
压阻式
加速度传感器
涡流式
应变传感器
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试验准备
结构激振
H(f )
信号采集
参数识别
频响函数
频域法 时域信号
试验模态分析
Modal
刘晨阳
引言
What • 模态就是结构固有的动态特性，它包含了系统 的固有频率、阻尼比、振型等参数。 Why
• 运用模态分析，可以帮助我们评价现有结构系 统的动态特性，深入洞察振动发生的根本原因， 进行结构优化
How • 模态分析方法
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模态分析的方法
数值模态分析 （Numerical Value Modal Analysis)
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试验模态分析系统组成
模态试验
激励系统
测量系统
数据分析系统
信号源
传感器
适调放大器 连接部分
功率放大器
激振器
信号分析仪 微机
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试验模态测试系统组成
加速度传 感器
信号放大器
数据采 集仪
计算机
激 振 器
功率放大器
信号发生器
力传感器
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试验模态测试的步骤
试验准备
• 将试验结构以适当 的方式支撑起来
结构激振
• 选择适当的方式 激励试验结构
信号采集
• 通过测量系统测量、 记录激励和响应 • 将记录的数据送入 分析仪
参数识别
• 通过信号处理获得 系统离散频响函数 • 估算出系统的模态 参数
Page:8/25
试验准备 支撑方式
结构激振
信号采集
参数识别
自由支撑
地面支撑
数值模态分析 试验模态分析 别箱体的动态性能，对机箱结构
的改进、减振降噪以及洗衣机整 机多体动力学分析与仿真都具有 重要意义。
对比两次结果 并提出建议
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洗衣机箱体的有限元模态分析
1.建立箱体有限元模型
在Pro/E中建立滚筒 洗衣机箱体的三维 实体的简化模型
2. 有限元离散
将实体模型导入ANSYS中， 用以四边形为主的壳单元对 箱体进行有限元离散 单元数为108 741个 节点数为111 123个
调整箱体材料的相关参数，重新进行有限元计算修正后的有限元 计算和试验结果，各阶固有频率的相对误差在4.5 %以内，各阶振 型仍然保持一致。
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结论
通过模态分析发现，该箱体前4阶模态均发生在两 侧板上，固有频率相对较低。 该洗衣机整机其第1、2阶模态也发生在两侧板上， 固有频率分别为21Hz和24Hz，随着当前滚筒洗衣机脱水 转速的不断提升，易引起箱体的共振，使得箱体的振动 幅值和整机的噪声水平超出相关标准。
洗衣机箱体的试验模态分析
试验模态测试结果
用Test.lab软件对箱体各测点传递函数进行模态拟合，计算模态 参数。 比较两次模态分析的结果 固有振型完全相同 有限元分析结果的各阶固 有频率均低于试验结果 推测为箱体在冲压成型后 产生了残余应力，间接性 提高了箱体刚度。
Page:23/25
箱体有限元模型的修正和分析
试验模态分析 （Experimental Modal Analysis)
运行模态分析 （Operational Modal Analysis)
Page:3/25
试验测试获得模态的思路
我们所研究的对象（系统）与外界的关系一般可用如下 的图来表示：
求模态问题
系统识别问题
Page:4/25
试验模态分析系统组成
FFT
频域信号
传递函 数估计 曲线拟合
Frequency
参数 辨识
传递函数
模态参数
模态分析
时域法
建模
时域信号
数学模型
参数 辨识
模态参数
单自由度模态系统
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模态测试应用实例 ——某型洗衣机箱体模态测试
滚筒洗衣机在工作时，箱体会因
模态分析过程
受到来自筒部撞击及电机的振动 载荷激励而振动。 对洗衣机箱体进行模态分析，识
1、不需要信号发生器、功率放大器及激振器 等精密贵重仪器 2、不必考虑激励设备与试验结构的连接问题 T(ms) T(ms) 及由于连接不当对试验结果的影响 橡胶、充气锤帽 3.试验速度快, 试验周期短。 H(f) 激励能量小、信噪比低，故测试精度不高。 塑料 一般用于中小型结构的快速试验。 H(f) 钢、铝
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试验准备
结构激振
信号采集
参数识别
脉冲信号
信号 特点 根据激励的信 根据与被测结构 号类型 的接触方式 对被测试件无附加质量和刚度约束，能量分
散在很宽频带内，激励能量小、信噪比低， 稳态激励 激励能量分布在很宽的频段内，功率谱是平 谱，经多次平均后可消除各种噪声信号干扰、 随机激励 非线性影响及畸变；但由于信号的非周期性， 导致信号处理时的截断误差，引起能量的泄 露 瞬态激励
改进建议
提高箱体的固有频率 修改侧板冲压结构 改变竖形筋为横向筋
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洗衣机箱体的试验模态分析
试验测试系统
采用比利时LMS 公司的LMS Test.lab 测试系统，实现对箱体的 试验模态试验和分析，测试系统主要由模态加速度传感器、冲击力
锤、LMSSCADAS采集前端、LMS Test.lab分析软件组成
Page:21/25
洗衣机箱体的试验模态分析
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电液式激振器
利用液压原理功率放大 可以产生很大的激振力 在加静载荷的同时又加动载荷 价格昂贵，试验费用高
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冲击锤
附加质量
锤体 锤柄
力传 感器
锤帽
锤帽材质：钢，铝，塑料，橡胶，充气锤帽
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冲击锤
钢、铝
塑料
(t ) 橡胶、充气锤帽 (t ) 锤击法特点及适用