试验模态分析.pdf

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1、试验模态分析东北大学李鹤试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第1页1、什么叫模态分析ß简单地说，模态分析是一种方法，藉此我们可以据频率，阻尼，模态振型这些本质特征来描述结构。ß模态分析实质上是一种坐标变换，其目的在于把原物理坐标系统中描述的相应向量，转换到"模态坐标系统"中来描述，模态试验就是通过对结构或部件的试验数据的处理和分析，寻求其"模态参数"。ß下面我们以一个简单平板的振型为例来解释模态分析。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第2页1、什么叫模态分析图1、平板的激励/响应

2、模型试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第3页1、什么叫模态分析ß自由支撑平板ß在平板一角施加一个常力。我们通常从静态的角度来考虑一个力，这个力将引起平板的静变形。ß但是现在施加的力是按照正弦变化的：幅值不变，改变频率，力的峰值将保持恒定。ß在平板的另一角安装一个加速度传感器来测量激励引起的响应。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第4页1、什么叫模态分析图2、平板响应试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第5页1、什么叫模态分析ß测量平板的响应时，

3、注意到：输入激振力频率改变时，输出响应的幅值也随之改变，幅值时大时小。ß也许有人会感到奇怪，因为我们对系统施加了一个常力。但是，响应幅值却随着输入力振荡频率的变化而变化。ß当我们施加的激振力的频率与系统的固有频率（谐振频率）越来越接近时，响应幅值将不断增加，当力的频率与系统固有频率相等时，幅值达到最大。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第6页1、什么叫模态分析ß时域数据中包含了很多有用的信息。但是，如果我们利用快速傅立叶变换FFT将时域数据转换到频域，我们可以计算得到所谓的频率响应函数FRF，见图3。ß我们注意到

4、：ß1.在系统的共振频率处，FRF达到峰值。ß2.峰值处，时域响应达到最大值，此频率输入激振力频率相对应。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第7页1、什么叫模态分析图3、平板的频响函数试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第8页1、什么叫模态分析图4、时域响应波形与频响函数迭加图试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第9页1、什么叫模态分析ß如果将时域波形与频域波形迭加在一起，我们可以注意到：在时域波形达到最大值时对应的输入激振力频率与FRF峰值处频

5、率相对应。ß所以我们既可以由时域波形也可以由FRF来确定最大幅值发生处的频率。ß显然，FRF更易于求频率值。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第10页1、什么叫模态分析ß大多数人对结构为什么具有这些本质特性感到惊讶。但更令人惊奇的是：在这些固有频率处，结构的变形形式也非常不同。ß现在我们来看在每个固有频率处结构的变形形式。在平板上均匀布置45个加速度传感器，测量不同激振频率时平板的响应。ß如果以某个固有频率的输入力来激励平板，我们可以看到平板存在多个变形形式。见图5。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所

6、李鹤2005/10/6，第11页1、什么叫模态分析图5、平板正弦驻留响应试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第12页1、什么叫模态分析ß当我们以第一阶固有频率激振时，平板具有第一阶弯曲变形（图中蓝色所示，一阶模态）。以第二阶固有频率激振时，平板具有第一阶扭转变形（图中红色所示，二阶模态）。当以三、四阶固有频率激振时，平板分别具有第二阶弯曲和扭转变形（图中绿色、紫红色所示，三、四阶模态）。ß这些变形形式称为：模态振型。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第13页1、什么叫模态分析ß在

7、我们设计的所有结构中都存在这样的固有频率和模态振型。它们由结构的质量和刚度分布决定。ß作为一个设计工程师，需要识别这些频率，并且要知道当有外部激励施加于结构时，这些特性如何影响结构的响应。理解模态振型和结构在被激振时如何振动有助于设计更好的结构。ß模态分析还有很多内容，这只是一个非常简单的解释。试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，第14页1、什么叫模态分析ß综上，模态分析是对结构的本质特性进行研究。ß理解固有频率和模态振型可以帮助我们设计在噪声和振动情况下应用的结构系统。ß我们应用模态分析来设计很多类型的结构，包括

8、汽车、飞机，航天器、计算机、乒乓球拍、高尔夫球杆……试验模态分析主讲人:东北大学机械电子工程研究所李鹤2005/10/6，