模态分析方法-论文

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1、模态分析方法何梦琴摘要:综述模态分析在研宄结构动力特性屮的应用，介绍模态分析的两大方法:数值模态分析与试验模态分析。并着重介绍目前的研宄热点一工作模态分析，对其方法存在的问题进行评述。关键词:模态分析数值模态分析试验模态分析工作模态分析1引言模态分析的经典定义为：将线性定常系统振动微分方程组中的物理染标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。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

2、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。振动模态是弹性结构固有的、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易受影响的频率范围内，各阶主要模态的特性，就可能预知结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下实际振动响应，而且一旦通过模态分析知道模态参数并给予验证，就可以把这些参数用于（重）设计过程，优化系统动态特性，或者研宄把该结构连接到其他结构上时所产生的影响。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器

3、、激励器等技术的发展，模态分析得到了很快的发展。模态分析的理论基础己经由传统的线性位移实模态、复模态理论发展到广义模态理论，并被进一步引入到非线性结构振动分析领域，同时模态分析理论汲取了振动理论、信号分析、数据处理、数理统计以及自动控制的相关理论，结合自身的发展规律，形成了一套独特的理论体系，创造了更加广泛的应用前景，己有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。2模态分析的主要目的及应用模态分析的最终目的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

4、提供依据。模态分析的技术应用可归结为以下几个方面：1）评价现有结构系统的动态特性2）在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计3）诊断及预报结构系统上午故障4）控制结构的辐射噪声5）识别结构系统的载荷机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。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，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换（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试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型，

5、根据模态叠加原理，在己知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。3数值模态分析与试验模态分析现状及局限性模态分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为数值模态分析；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。称为试验模态分析。两种方法各有利弊，目前的发展趋势是把有限元方法和试验模态分析技术有机地结合起来，取长补短，相得益彰。利用试验模态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力模型；利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性和响应，进行结构的优化设计。数值模态分析主要釆用有限元法，它是将弹性结构离散化为有限数量的具体

6、质量、弹性特性单元后，在计算机上作数学运算的理论计算方法。它的优点是可以在结构设计之初，根据有限元分析结果，便预知产品的动态性能，可以在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题，并可改变结构形状以消除或抑制这些问题。只要能够正确显示出毡含边界条件在内的机械振动模型，就可以通过计算机改变机械尺寸的形状细节。有限元法的不足是计算繁杂，耗资费时。这种方法除要求计算者有熟练的技巧与经验外，有些参数（如阻尼、结合面特征等）目前尚无法定值，并且利用有限元法计算得到的结果，只能是一个近似值。正因如此，大多数数学模拟的结构在试制阶段常应做全尺寸样机的动态试验以验证计算的可

7、靠程度并补充理论计算的不足，特别对一些重要的或涉及人身安全的结构，就更是如此。试验模态分析是模态分析中最常用的，它与有限元分析技术一起成为解决现代复杂结构动力学问题的两大支柱。利用试验模态分析研宄系统动态性能是一种更经济、更有实效的方法。首先，根据己有的知识和经验，在老产品基础上试制出一台新的模型；其次，用试验模态分析技术，对样机作全面的测试与分析，获得产品的动力特性，由此识别出系统的模态参数，建立数学模型，进而了解产品在实际使用中的振动、噪声、疲劳等现实问题；再次，在计算机上改变产品的结构参数，了解动态性能可能获得的改善程度或者反过来，设计者事先指定好动力特性