使用COCO80和Me’scopeVES进行支架零件的模态分析

使用COCO80和Me’scopeVES 进行支架零件的模态分析

前言

试验模态分析作为一种技术手段，主要目的是对试验结构进行动态特性分析得到其动态特性参数，根据所得参数对试验结构进行动力学仿真，进而对其进行动力学修改。在结构安全性方面，试验模态分析结果可以给出结构动力安全性方面的设计依据。试验模态分析还可以作为声振耦合分析的一部分，分析固体结构振型与外辐射声场的关系，以及诊断和预报结构系统故障和辨识系统载荷。

试验条件

试验模态分析作为一种成熟的技术手段，涵盖了多种学科的知识，其过程包括：测点编号及方向定位、几何模型建立、激励信号和响应信号数据采集、信号加窗、FFT处理、互谱自谱及频响函数计算、模态参数识别、振型动画显示。在试验模态分析之后，可进行MIMO动态仿真及对试验结构进行结构动力学修改。一个成功的试验模态分析需要有良好的试验条件：优秀的数据采集硬件、功能完善的模态分析软件、性能稳定且测量准确的传感器及经验丰富的操作人员。

在本案例中，我们采用了美国Crystal Instrument公司的手持式动态数据分析仪COCO80和美国Vibrant公司的Me’scope VES模态分析软件。

图1 汽车底盘支架零件

图2 COCO80时域块信号(激励和响应)

图3 COCO80实时得到频响和相干函数

图4 激励点和响应点设置

对于声和振动分析，所采用的数据采集硬件是有一定要求的：必须具备高精度、高动态范围、

高采样率、试验规定的通道数及通道间的信号的高同步精度。COCO80作为一款性能非常优良的动态信号分析仪，具有24位A/D转换精度，120dB动态范围，102.4KHz最高采样频率，输入通道数可选2/4/8/16，通道间相位误差±0.02度、幅值误差±0.02dB。在对试件进行激振器激励模态试验时，通常需要数据采集硬件具有高精度的信号输出功能。COCO80具有输出DC-40KHz的频率范围，24位A/D转换精度，电压范围±10V、输出信号种类有正弦、方波、三角波、白噪声、粉红噪声(Pink Noise)、chirp及扫频信号。COCO80内置多种数据采集功能，可实时进行触发、加窗、平均、FFT计算、频响函数计算甚至还包括倍频程、声压级、阶次分析和冲击响应谱的功能。对于试验模态分析，COCO80具有模态数据采集模块，专门用于试验模态分析的数据采集过程，对整个数据采集过程的采样频率、触发、平均次数、窗函数类型和信号存储方式进行选择，可对测点进行编号和测试方向的编辑，还可以自动进行测点编号。这些特性让COCO80成为一款理想的模态数据采集前端。

图5 模态数据保存设置

图6 支架零件Pro/E 3D模型

图7 Me’scopeVES中生成激励点位置

图8 Me’scopeVES生成的激励点方向

试验设置及过程

试验零件如图1所示。此零件为泛亚汽车技术中心有限公司某型汽车底盘上的支架类零件。结构比较复杂，有加强筋、空腔结构。汽车零件结构一般是应该放在与零件工作位置相同的边界条件上进行模态试验，这里按照客户要求，将其按照自有边界条件进行测试。如图1所示，将试件放置于软海绵上模拟自由边界条件。

对该试件采用锤击法来进行模态数据采集。将测点1固定为响应点，其余点为激励点，用力锤逐一在激励点敲击，由COCO80完成模态数据采集。

这里设置COCO80的分析频率为2.56KHz(COCO80里可直接设置分析频率)，平均次数为4次，对激励和响应信号加力-指数窗，并设置手动触发模式。值得一提的是，COCO80由于其良好的动态范围，无需像某些传统数据采集硬件那样需要调整激励信号的量级范围，省却了麻烦的步骤，并可以随时改变触发的量级大小。对试件进行一次敲击，采集系统由激励信号触发，按照规定的参数进行数据采集过程，得到的时域波形数据和频响函数数据如图2和图3所示，

通过观察这两个窗口中的结果判断试验数据是否可以接受。主要的标准是时域波形中激励信号不能存在多个极大值，响应信号具有良好地衰减，不存在泄露的情况，频响函数较为平滑，在需要分析的频段内，相干函数没有很大的衰减。通过观察图2和图3，判定所得结果可以接受。点击COCO80触发窗口中的“接受”按钮，进行下一次的敲击。当达到该测点的平均次数后，选择下一测点进行试验，如图4所示。在图4所示步骤中，可以编辑测试点的号码及方向，这为试验提供了很大的灵活性。

模态数据的存储是在试验开始之前预先设定的，如图5所示。选择需要保存的信号种类及文件名，数据会在完成测点平均次数的锤击试验后自动保存在内置的存储卡上，测点的编码和方向跟随当前试验的设定而变动。

图9 Me’scope VES模态分析软件中模态数据显示窗口

对于一般模态软件，手动输入坐标点的位置的作法比较常见。但是对于本试验中如此复杂的零件，难以获得精确的几何尺寸。Me’scopeVES模态分析软件的一个优势在于可以直接从Pro/E等CAD软件中直接获得试件的几何尺寸(见图6)，并可以采用在面上加测试点的方式，将测试点直接加到导入的几何模型中(见图7)，这无疑给了测试工程师一个良好的建模环境，增加了效率和准确性。

另外对于测试方向，由于零件几何形状十分复杂，以XYZ坐标形式来描述测试轴几乎不可能。Me’scopeVES软件提供了一个功能，手动旋转单个或一组测试点(同时)的测试轴。如图8中看到的，所有测试点的方向均为z轴，在操作Me’scopeVES时，所有测试点的z轴被旋转至指定的方向，即测试点所在平面的法向。

在COCO80的数据管理软件EDM中，COCO80得到的频响函数数据可以转化为uff格式，在Me’scopeVES中读取，并将测点和方向的信息一并读取。

Me’scopeVES软件具有优良的模态分析功能和简单的分析界面。将COCO80之前模态数据采集过程得到的频响函数数据导入Me’scopeVES工程文件的Datablock中，通过模态指示函