振动测试技术模态实验报告

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1、振动测试技术模态实验报It was last revised on January 2, 2021研究生课程论文（2013-2014 学年第二学期 ）振动测试技术研究生：提交日期： 2014 年7月10 日 研究生签名：学号学院机械与汽车工程学院课程编号S0802013课程名称振动测试技术学位类别硕士任课教师教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年 月曰模态试验大作业0 模态试验概述模态试验( modal test )又称试验模态分析。为确定线性振动系统的模态 参数所进行的振动试验。模态参数是在频率域中对振动系统固有特性的一种描 述，一般指的是系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量等。模态试验中

2、通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用模态 参数辨识方法得到系统的模态参数。由于振动在机械中的应用非常普遍。振动 信号中包含着机械及结构的内在特性和运行状况的信息。振动的性质体现着机 械运行的品质，如车辆、航空航天设备等运载工具的安全性与舒适性；也反映 出诸如桥梁、水坝以及其它大型结构的承载情况、寿命等。同时，振动信号的 发生和提取也相对容易因此，振动测试与分析已成为最常用、最基本的试验手 段之一。模态分析及参数识别是研究复杂机械和工程结构振动的重要方法，通常需 要通过模态实验获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。模态实验的 方法可以分为两大类：一类是经典的纯模态实验方法，该

3、方法是通过多个激振 器对结构进行激励，当激振频率等于结构的某阶固有频率，激振力抵消机构内 部阻尼力时，结构处于共振状态，这是一种物理分离模态的方法。这种技术要 求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长；另一类是数学上分离模态的 方法，最常见的方法是对结构施加激励，测量系统频率响应函数矩阵，然后再 进行模态参数的识别。为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。目前频响函数测试技术 可以分为单点激励单点测量 ( SISO) 、单点激励多点测量 ( SIMO) 、多点激励 多点测量 ( MIMO) 等。单点激励一般适用于较小结构的频响函数测量，多点激 励适用于大型复杂机构，如机体、船体或大型车辆

4、机构等。按激励力性质的不 同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激 励又有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉 冲激励和阶跃激励等几种方式。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态 正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周 期随机之分，瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方 式。振动信号的分析和处理技术一般可分为时域分析、频域分析、时频域分析 和时间序列建模分析等。这些分析处理技术从不同的角度对信号进行观察和分 析，为提取与设备运行状态有关的特征信息提供了不同的手段。信号的时域分 析包括时域统计

5、分析、时域波形分析和时域相关分析。对评价设备运行状态和 故障诊断而言，时域分析往往是初步的。频域分析是机器状态监测中信号处理 的最重要、最常用的分析方法。工程上所测得的信号一般为时域信号，然而由 于故障的发生、发展往往引起信号频率结构的变化，为了通过所测信号了解、 观测对象的动态行为，往往需要频域信息。它能通过了解测试对象的动态特 性，对机械的状态做出评价并准确而有效的诊断机械故障和对故障进行定位， 进而为防止故障的发生提供分析依据。通过频域分析把复杂的时间历程经傅里 叶变换分解为若干单一的谐波分量，可以获得信号的频率结构以及各谐波幅值 和相位信息。根据信号的性质及变换方法的不同，常用的频域分

6、析方法有：频 谱、自功率谱、互功率谱、倒频谱、细化谱、相干函数、频响函数分析等，这 些频域分析的核心算法是快速傅里叶变换( FFT )。对非平稳或时变信号的分析方法统称为时频分析，它将时域和频域组合成 一体，兼顾到非平稳信号的要求。时频分析方法应用于设备状态监测与故障诊 断，可以很好的为确定设备的运行状态提供判断依据。时频分析中最重要的是 短时傅里叶变 ( STFT) 、小波变换 ( WT) 、Wigner-Ville 时频分析和 Hilbert- Huang 变换。与经典的基于 FFT 的分析方法不同，时间序列分析方法是对采集到的振 动信号建立时间序列模型，通过对模型参数的分析识别系统的特性

7、和状态。时 间序列模型有自回归滑动平均模型 ( ARMA) ，自回归模型 ( AR) 和滑动平均 模型( MA) 三种。目前振动信号测量与分析在很多领域得到了广泛应用，测试和分析也发展 到了较高的水平。但仍然存在很多需要解决的问题。展望未来，有如下几方面 需要突破和发展：无线智能型传感器、传感器的微型化及纳米级结构的动力学 测试问题、更高速度的数字信号处理技术和更快的数据输出速度、激振力无法 测量情况下结构模态参数识别、非稳态信号的分析、非线性信号分析问题、微 弱信号检测问题、激光测振技术的进一步发展。1 实验目的1. 了解模态测试技术的原理和实施方法。2. 学会用“激励法”测量振动系统的模态

8、与振型，通过软件求得系统的 模态参数。3. 初步掌握 MESCOPE 软件的使用方法以及对模态测试结果的分析方 法。2 实验设备上海北智14206加速度传感器2个(9g,8000Hz )，图1 (A)所示。PCB 模态力锤 086C03 个(，8kHz , 5001b )，图 1 (B)所示。IOTECHZonicBook618E 动态信号分析仪一台，图1 (C)所示。铸铁薄板一个，图1 (D )所示。( A )(B)(C)(D)图 1 实验器材3 实验步骤本实验测试对象是一块300mm X 300mm，中央开圆孔(直径为100mm )，厚度为 8mm 的铁板，采用多点激励多点测量 (SIMO

9、) 测试方式。 实验的原理是：用力锤对被测物体进行激振，锤头内的力传感器和被测物体上 的加速度传感器同时记录下脉冲激励和被测物体的响应，经 IOTECH 采集处 理，传入计算机进行进一步计算分析。数据采集完毕后，采用 Mescope 模态 分析软件，首先对被测对象进行建模，导入数据进入模态分析，根据振动理 论，分析系统在各阶的模态，自动生成分析结果并可以生成振动的仿真动画、 各阶频率、模态刚度、模态阻尼比等参数。实验平台的搭建将力锤连接入 IOTECH 的 1 号通道， 2个加速度传感器分别接入 2、3 号 通道。在被测物表面选取测点并编号(如图2) ，将加速度传感器置于物体的24、16 点，

10、用数据线将 IOTECH 与计算机连接，连接框图如图 3 所示。开启 计算机上的 Z-Analyst 软件，调整软件即时显示窗口为 FRF 窗口，冲击脉冲 Time 窗口，传感器响应 time 窗口以及 Coherence 窗口。图 2 薄板测点编号图 3 实验设备的连接框图IOTECH 参数设置 着先需要设置分析频率。由于所分析的结构简单，其固有频率比较小，因 面分析频率范围设在 02000Hz ，奈奎斯特因子可以选取。选取输入信号作为 触发信号，由于力锤的力和操作人员有很大关系，因而可以选取 10 次平均以消除或降低误差，其相应设置见图 4 (A )。力锤连接的1号通道设为Referenc

11、e ，加速度传感器连接的 2、3 号通道设为 Respond ，并去掉其它通道 前面的勾号，同时选取合适的量程并输入灵敏度参数，其具体设置见图 4( B)。 FFT Setup 设置中， Reference Channel 加指数窗， Response Channel 加矩形窗，具体设置见图 4( C)。(A)(B) ( C )图 4 ez-analysis 数据采集参数设置 信号采集用力捶依次敲击被测对象的每一个测点，设定为连续敲击，从每个点敲击10 次。在图中显示力的时域信，以及各输出通道的时域信号。同时显示相干 和 RFR 窗口。实验中前 3 个点的采集数据如图 5 所示。对采集的数据进

12、行保 存，每个点保存一个数据文件，然后用 ezAnalys 将文件转化为可用于 MEScope 处理的格式( unv )，主要保存数据的 FRF 信息。( A)(B)( C )图 5 实验的采集数据(第 1-3 个点)MEscope 模态分析打开 MEscope 模态分析软件，将每个点的 FRF 导入软件中进行模态分 析，算出固有频率，阻尼系数，以及留数。在导入时根据点的不同修改 DOF s。图 6 MEScope 数据点的导入为了能更清晰的观察结果，可以画出板材的结构图，进行动画仿真。其具体步骤为：在 MEscope 中新建一个 Structure ，利用绘图工具，根据被测物体的尺寸大致地画

13、出被测对象的几何图形，并在图形上布置8X4的点阵。如图7 所示。而后导入三个点的数据， DOFs 设置分别为： 1Z:24Z, 2Z:24Z, 3Z:24Z ，其中 1,2,3 分别表示三个敲击点， 4表示加速度传感器所在的点，如 图 8 所示。然后为 8X 4 的点阵标上节点号，每个节点对应敲击点号及加速度 传感器所在的点。将采集到的实验结果导入到模型中，导入成功后，动画效果 会自动显示。图 7 绘制被测件的结构图4 实验结果按照上述的方法对实验测量的结果导入到 MEScope 软件中进行分析，各 点测量的结果经分析得到固频，阻尼系数，以及留数。图8 （A）为频率响应函数（RFR ）重叠后的

14、总体曲线，由此图可以看出被测物体固有频率的大致分 布。图8（B、C）为经MEScope计算得到的固有频率。从图中可知，当分析 频率范围设在了 0至2000Hz，软件在该频段中识别出了 7个模态。（ A）（ B）（ C）图 8 MEScope 分析结果为了能更好的观察系统的振型，在导入测量数据后，可以继续画出系统的 结构图，通过生成各阶固有频率的动画，可以直观的看到振动情况，其各振型如图 9 所示。（A）一阶振型( B)二阶振型（C）三阶振型( D )四阶振型（E ）五阶振型（G ）七阶振型( F)六阶振型5 实验总结图 9 模型各阶振型动画1力锤击振法属于瞬态测试技术的一种方法，该方法虽然简单

15、，但也有 其固有的缺陷，比如敲击的方向和波形不易控制，重复性较差。反映在本次试 验上，由于敲击力度和时间间隔把握不是很好，每个点的 10次敲击相干性并 不是太好，造成了其相干系数值并不在 1 附近波动。2为了能够获得比较准确的模态参数，试验的各个环节都必须经过恰当 的处理，否则会导致试验结果的错误与歪曲。在本试验中，各数据均不可避免 地混入了噪声，影响了结果的准确性。3在实验中被测对象要自由悬挂，真正的自由悬挂是不可行的，只能以 某种悬吊形式非常近似地实现自由悬置。为了得到更为精确的结果，可以用非 常软的弹簧或绳索将构件悬吊于空间，或者将悬挂点设在结构的节点处。4. 试验的最终结果与测试点的个数有关。测试点越多，求得的模态参数越 精确。在要求不高的情况下，也可以采用单点激励单点输出的方法求模态参 数。