机械模态分析综述性论

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1、机械模态分析与实验姓名：王能班级：研1401班学号：2014020008模态分析方法综述王能（北京信息科技大学机电工程学院100192）摘要：模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，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，每一个模态具有特定的固有频率、【1】阻尼比和模态振型。综述模态分析在研究结构动力特性中的应用。介绍模态分析的两大方法:数值模态分析与试验模态分析，简单介绍了两种模态分析方法的原理与基本内容，并分析了两种方法优缺点以及它们未来的发展趋势。关键词：模态分析，数值模态分析

2、，试验模态分析0引言模态分析技术源30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术，经过几十年的发展，模态测试和分析技术已经在航空、航天、航海、汽车、土木、机械等【2】几乎所有和结构动态分析相关的领域得到了广泛应用。模态分析的最终目标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。模态分析技术的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的故障；4)控【3】制结构的辐射噪声；

3、5)识别结构系统的载荷。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；目前有限元分析技术已日趋成熟，但自身仍存在不足之处，如设定材料物理参数时存在不确定性，对于有限元模型边界条件的模拟作近似处理，在有限元分析中存在离散化误差，对于结构的阻尼通常忽略不计，所有这些都将导致要建立一个能准确反映结构动态特性的有限元模型比较困难。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。在试验模态分析中要求建立一个尽可能符合实际的实验模型，因而提高了建模成本，在试验模态中实际测

4、量的信息存在不完整性，在信号采集及处理过程中存在人为误差，这些都将导致最终所建立模型的不完备。而且试验模态结果往往只能较好的反映系统的低阶模态特性，对于高阶模态特性不能准确反映，并且模态实验中有些模态激振不出来，存在模态丢失现象，所有这些都将导致试验建模无法获得完备的数学模型。由此可见，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【4】和响应，进行结构的优化设计

5、。1数值模态分析在计算机技术迅速发展的基础上，许多复杂工程的数值计算问题得以迎刃而解，借助于计算机来求取满足现代工程所需求的合理数值解已经成为一种可能。有限元技术作为一种先进的数值计算分析方法经过多年的发展已日趋成熟并被广泛应用于各种工程领域，因有限元技术具备通用性、有效性和灵活性等特点，因此它日益受到人们的关注和重视。经过40余年的发展，国内外已经有许多成熟的有限元软件程序被使用，如ANSYS、ADAMS等，这些软件不仅解决了工程中的关键问题，而且减少了人力劳动，把人们从繁琐的计算中解放出来，产生了巨【5】大

6、的社会经济效益。有限元模态分析又被称为计算模态分析，是指在产品的最初设计阶段利用ANSYS等相关分析软件，根据图纸的设计要求建立有限元模型并作相关的模态分析。根据模态分析结果来评估结构的动态特性，预估产品的结构强度、刚度、应力应变以及振动噪声等结构动态问题。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包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。

7、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。2试验模态分析实验模态分析是通过对物理模型进行测试来获得系统的模态参数，它依赖于数据采集系统的性能和模态参数识别方法的好坏。一般来说，它的结果更接近于真实的物理状态。但是，它的

8、周期长，成本比较高。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究系统动态性能是一种更经济、更有实效的方法。首先，根据已有的知识和经验，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