试验模态分析中的几何信息处理

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2、《三f专5j动慈分析与试技术～试验模态分析中的几何信息处理曾庆华张令萌张春宁沈泉林工程研究所2l00l6)丁fji二●摘要现代的试验摸态分析软件一般由三太部分组成：①前处理，即试验结构的几何造型；②曲线拟夸与振型计算；③后处理，主要是振型的直观显示，如振型动画显示、振型节墁与等高线显示等。前处理、振型计算和后处理总的来说都是几何信息处理。目此，几何信息处理在试验模态分析中占有相当重要的地位末文研究了试验模态分析软件研制及应用中的几何信息处理问题。研究的内容不仅对振动软件研究人员有参考价值，而且

3、对一般的振动模态试验人面也有实用意义。1目1言结构系统的试验模态分析在过去的一、二十年中取得迅速的发展，井在各工程领域获得广泛应用试验模态分析的主要任务是通过试验获得结构系统的频率响应数据，识别结构系统的振动模态参数(固有频率、阻尼系数、振型等)。因此其核心是参数识别过程——曲线拟合。然而为了获得振型，一般应建立结构的几何模型．为了生动直观地表示振型，广泛应用振型动画显示、振型节线与等高线显示等技术。所以，现代的试验模态分析软件一般由三太部分组成：①前处理，即试验对象的几何造型，用于试验前布置激振点和测量点，并为振型计算及振型直观显示提供原始几何信息；②曲

4、线拟合，振型计算和模态参数检验等；③后处理，如振型动画显示、振型节线与等高线显示等，使试验结果能以形象的工程“语言”与工程设计人员“沟通”。前处理、模态(振型)计算和后处理，总的来说都是几何信息处理。因此，几何信息处理在试验模态分析中占有相当重要的地位。结构动态特性分析从时域、频域扩展到空间域，几何信息处理将成为必不可少的一部分。本文研究了试验模态分析软件研制及应用中的几何信息处理问题，并结合SMS—MODAL3．OSE和NAI-MODALV1．3介绍了有关功能的实现途径和使用方法。研究的内容不仅对振动软件研制人员有参考价值，而且对一般的做振动模态试验的技

5、术人员也有实用意义。2几何造型几何造型是计算机辅助设计(CAD)的一个重要组成部分，已经有了许多理论、方法和工具，主要完成几何数据输入、处理及图形输出等工作，一般都包括大量数据，要求有较强的专门的硬件、软件支持。对试验模态分析来说，有许多数据是没必要的，不但硬件、软件能力不具备，而且使用也不便。因此下面只讨论满足试验模态分析需要，用于普通微机的几何造型技术。2．1定义部件收稿日期1992—01—0B维普资讯http://www.cqvip.com第3期试验模志分析中的几何信息处理用结点坐标数据和结点间连线关系数据就可构造结构的网线图，因此几何造型最终只需得

6、到结点坐标和连线数据。对一个复杂结构，把它分成几个部件来描述比作为一个整体来描述要容易得多(这里的部件是几何意义上的部件，而不是力学意义上的部件)。给每个部件定义一个局部坐标系——直角坐标系、柱坐标系或球坐标系。在局部坐标系下输入结点坐标和测量时定义传感器的方向余弦将是非常方便的。对每个部件，不管使用何种坐标系，都在部件上建立一个相应的局部直角坐标系X’Y’z’。因此，坐标变换过程是：f’一p∞鲫柱坐标：’一口(1)【，=：f’一球坐标：【’一n如湖(2)，一p∞。妒其中；pz是柱坐标值{p、口、是球坐标值；、’、。’是局部直角坐标值局部直角坐标变换到总体

7、直角坐标，变换关系为：{}rll1=}+lIC22q3l’}(3)【=J【JLcs。c3zc3【=’J其中；X、，，、z是总体坐标下的坐标值；x0、、z·是局部直角坐标原点的总体坐标值，已是方向余弦矩阵的矩阵元素。所以，定义部件就是选择部件的坐标类型，计算xo、r口、zo和。如果定义了多个部件，还需指定结点与部件的归属关系。2．2结点坐标与连线在几何造型前．一般先在结构上标出测点(但暂不写上测点号)。几何造型中首先应包括这些点，其次为了使图形看起来完整逼真，再增加一些辅助点。使用四个参数定义每个结点：结点号、坐标1、坐标2、坐标3。坐标根据结点所属部件的局

8、部坐标类型决定，即直角坐标为X、Y、z，柱坐标p、0、z，球坐标为p、0、。以网线形式显示结构，除定义结点的坐标外，还需定义结点的连线关系。指定两个结点，即起始点和终止点就定义了一条连线(直线)。这是最简单的方式。但对一个结构的所有连线都要这样一条一条地定义是非常繁锁的，因此软件(如SMSMODAL3．0，NAI-MODAL1．3等)大都使用一些约定，以使手工的输入数据最少，而由计算机根据约定对输入的数据进行解释。2．3自动网格生成手工输入、编辑结点坐标数据和连线数据，工作量较大，而且易出错。大多数被测结构的几何形状是规则的，或是部分规则的，因此某些软件，

9、如SMSMODAL3．0SE，NAI-MODAL1．3，都有自动网