模态分析软件操作
模态分析软件操作说
明及实例
东方振动和噪声技术研究所
1999.3.16
目录
一模态分析的步骤 (2)
1.确定分析的方法 (2)
2.测点的选取、传感器的布置 (2)
3.仪器连接 (3)
4.示波 (3)
5.输入标定值 (3)
6.采样 (4)
7.传递函数分析 (4)
8.进行模态分析 (4)
二模态分析实例 (5)
例一自由梁的模态分析实例 (5)
例二楼房的模态分析实例 (15)
模态分析是一种参数识别的方法，因为模态分析法是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。
模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量（或称特征振型、模态振型）。试验模态分析便是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。
东方所研制的模态分析系统，自推出以来参与了许多重大的科研项目如大型航空航天设备（长征火箭、通信卫星、大型雷达、火箭发射平台等）、大桥（火箭激振钱塘江大桥、锤击法激振乌海黄河铁路大桥属国内首次）、大楼、大坝、、机车（汽车）车辆和大型港口机械等，分析精度高、操作简便，尤其是变时基模态分析及高速模态三视图动画技术更是在国内外处于领先地步。
一、模态分析的步骤
1. 确定分析的方法
DASP中提供的模态分析方法有多输入单输出法、单输入多输出法和多输入多输出方法。一般采用较多的是多输入单输出或单输入多输出方法，在这两种方法中选取时，视哪一种方法简便而定，如激励装置大、不好移动但传感器移动方便就选取单输入多输出方法（即单点激励、多点移步拾振）；如传感器移动不方便但激励装置小、容易移动就选取多输入单输出方法（即单点拾振、多点移步激励）。
有时结构因为过于巨大和笨重，以至于采用单点激振时不能提供足够的能量，将我们所感兴趣的模态都激励出来；其次，结构在同一频率时可能有多个模态，这样单点激振就不能把它们分离出来，这时就要采取两个甚至多个激励来激发结构的振动，即采取多输入多输出方法。
在DASP中进行模态分析时，由于采用了高弹性聚能力锤和先进的变时基传递函数分析技术，对于象大型铁路桥、火箭发射平台这样的大型结构用力锤敲击就能分析出结构的模态；对于大型的混凝土结构（如大楼）可以以天然脉动作为激励信号进行模态分析。所以在大多数情况下，采取单输入多输出或多输入单输出方法就可完全满足工程需要。
2. 测点的选取、传感器的布置
选择好分析方法后，就要根据结构的特点和试验目的确定测点的数目和布置，以及传感器的安装方法等。
测点的选取包括激励点和响应点的选择，如是单输入多输出方法，要先确定敲击点的位置，敲击点位置的选择很重要，要尽量避免选在前几阶模态振型的节点处，以免丢失模态。然后是确定响应点的数目和每一个测点的位置；当采取多输入单输出方法时，要先确定拾振点的位置，然后再确定敲击点的数目、方向和每一个敲击点的位置。（关于测点的选取，后面还会结合例子进行进一步说明）
选取测点时，还要考虑传感器安装的方便，测点选定后，传感器如何安装（用磁座、橡皮泥还是螺钉固定）要和结构的具体情况结合，有时还需要专门做夹具以利于传感器的安装。
3. 仪器连接
使用INV 系统比较典型的几种连接方式有：
①力传感器→DLF 系列四合一放大器（电荷输入通道）→东方科卡→ DASP 采集分析系统
②压电传感器→ DLF 系列四合一放大器（电荷输入通道）→东方科卡→ DASP 采集分析系统
③速度或位移传感器（输出电压的传感器）→ DLF 系列四合一放大器电压输入通道→东方科卡→ DASP 采集分析系统
④速度或位移传感器（输出电压的传感器）→INV LF （AF ）系列低通滤波放大器→东方科卡→ DASP 采集分析系统
4. 示波 采样测试以前要进行示波，通过改变放大器的增益调整波形的大小，使采样数据的信噪比尽可能大，但又不会出现饱和的情况。建议在示波过程中出现的电压最大值（正常数据）控制在3伏以下，这样即使偶尔出现大信号也不至于饱和。
5. 输入标定值 通过示波调整好仪器的状态（如传感器档位、放大器增益、是否积分以及程控放大倍数等）后，要在DASP 参数设置表中输入各通道的工程单位和标定值。 工程单位随传感器类型而定，或加速度单位，或速度单位，或位移单位等等。 对于①②种连接方式，假设：
传感器灵敏度为K CH （PC/U ）（PC/U 表示每个工程单位输出多少PC 的电荷，如是力，而且参数表中工程单位设为牛顿N ，则此处为PC/N ；如是加速度，而且参数表中工程单位设为M/S 2，则此处为PC/M/S 2）；
四合一放大器电荷增益（有的机器也叫单位增益）为K E （V/U ）；
灵敏度适调为K SH （PC/U ）（DLF-2上为钟表式、DLF-3上为拨钮式）； 积分增益为K J （功能选择为线性时K J =1，为积分Ⅰ时K J =1，为积分Ⅱ时K J =10，为积分Ⅲ时K J =100。有的仪器只有两个积分档，此时积分Ⅰ时K J =100，积分Ⅱ时K J =10）；
电压增益为K V 。（对于以前的四合一放大器，只有电荷增益或单位增益，此时K V 取1即可）。
则DASP 参数设置表中的标定值K 为：
DLF 四合一
放大器 或
INV LF 低通
滤波放大器
东方科卡 + DASP 采集分析处理软件 传感器 图1 测试仪器连接图示
K K K K K mv U CH E J SH =???1000(/)（1）
对于第③种连接方式，假设传感器灵敏度为K CH （mv/U ）（mv/EU 表示每个工程单位输出多少mv 的电压，例如mv/mm ，mv/m/s ，其中工程单位要和DASP 参数设置表中的工程单位一样）；其余符号的意义和前面的一样。对于DLF-2四合一放大器以及电荷增益和电压增益没有分开（即只有单位增益旋钮）的DLF-3放大器，在DASP 参数设置表中输入的标定值K 为：
K K K K K mv U CH E J SH
=???1000(/)（2） 对于电荷增益和电压增益分开的DLF-3四合一放大器：
K K K K mv U CH V J =??(/)（3）
对于第④种连接方式，假设传感器灵敏度为K CH （mv/U ），INV 低通滤波放大器的增益为K V1，则在DASP 参数设置表中输入的标定值K 为：
K K K mv U CH V =?1(/)（4）
6. 采样
关于采样的操作可以参见DASP 说明书中的第五章。
采样方式的确定取决于模态分析的方法，一般情况下，建议使用天然脉动法时用随机方式；使用敲击法作模态时用变时基方式。
采样频率的选择要根据欲采信号的最高频率而定，信号采集时一般要经过低通滤波器，作模态时一般采样频率取低通滤波频率的2.5～3倍即可。
天然脉动法作模态时，每通道采样时间最好在半个小时以上，而且采样时，外界干扰越小越好；敲击法作模态时，每个点的敲击次数（即每测点的采样块数）应该在三次以上，这样经过平均后，可以有效减小误差，对于大一些的结构，每个点最好能敲击十次以上。
7. 传递函数分析
关于传函分析的详细操作请参见DASP 说明书中第七章的7.13、7.14和7.15节，需要注意的是如果采样时用的是变时基方式，进行传函分析前，在参数设置中的采样类型必须设为变时基。
8. 进行模态分析
详细操作请参见DASP 说明书中第十章。
二、模态分析实例
例一、有一根梁如下图所示，长（x 向）100cm ，宽（y 向）5cm ，高（z 向）2cm 。欲使用多点敲击、单点响应方法做其z 方向的振动模态，可按以下步骤进行。
（1）测点的确定
此梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在x方向顺序布置若干敲击点即可（本例采用多点移步敲击、单点响应方法），敲击点的数目视要得到的模态的阶数而定，敲击点数目要多于所要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。此例中在x方向把梁分成十等份，即可以布十一个测点。选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，此处取拾振点在第五个敲击点处。
（2
仪器连接如下图所示，其中力锤上的力传感器接DLF-3第一通道的电荷输入端，压电加速度传感器接DLF-3第二通道的电荷输入端，DLF-3前面板
（盒）上的第一、二通道。
（3）示波
仪器连接好后，启动DASP软件，选择示波菜单中的随机方式双踪时域示波，用力锤敲击各个测点，观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器连接是否正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至示波波形正确为止。然后退出本功能，再转到变时基方式双踪示波，选定采样频率（例如8000Hz）和变时倍数（例如4倍），使用适当的敲击力敲击各测点，调节放大器的放大倍数或INV的程控倍数，直到力的波形和响应的波形大小合适为止，下图即为一个示波波形的例子。
（4）参数设置
对示波波形满意后，退出示波菜单，选择参数设置功能，出现参数设置表，首先依自己意愿取一个试验名（不超过三个字母），本例取名为：1EX（例一）；然后选择一个试验号（本例中取1）、数据路径：C:\1EXOUT、结果路径：C:\1EXOUT（数据路径和结果路径可以一样，也可以不一样）；采样类型设为：变时基；单位类型设为：可变；输入类型选为：工程单位；把第一通道的工程单位设为：N（牛顿），第二通道的工程单位设为：M/SS（加速度）；其余通道本例不用。到此步骤，参数设置表如下所示：
最后，输入标定值。通过示波已经定好了放大器的档位，力传感器的灵敏度为：K CH=4PC/N，第一通道电荷增益为K E=1V/N，灵敏度适调为：
K SH=10PC/N，功能选择档为线性（K J可假设为1），低通滤波2KHz，则按
照公式（1），第一通道应输入的标定值为K=
??
?=
411
10
1000400（mv/N）。
加速度传感器的灵敏度为：K CH=4.25PC/M/S2，第二通道电荷增益为K E=0.1V/M/S2，灵敏度适调为：K SH=10PC/M/S2，功能选择档为线性（K J 可假设为1），低通滤波2KHz，则按照公式（1），第二通道应输入的标定
值为：K=
??
?=
425011
10
1000425
..
.（mv/M/S2）。标定值计算完成后，在
DASP参数设置表中，把光标移到“输入类型”项目栏，将工程单位改为标定值，然后输入第一通道的标定值：400、第二通道的标定值：42.5。此时参数设置表如下所示：
参数设置完成后，按[Esc] 键，存盘退出参数设置功能。
（5）采样
在主菜单中选择“S采样”子菜单，选择变时基方式采样功能，接着按照屏幕提示设置采样参数：第1次试验（试验号为1）、采样通道数为2、采样频率为8000Hz、程控放大倍数两通道都为1，输入测点号时，使第一通道（力通道）的测点号为：f1，第二通道（响应加速度通道）的测点号为：1，如下图所示：
第几次试验-------------------------------1
输入采样通道数-------------------------2
输入采样频率----------------------------8000
、采样块数4，并选择自动设测点等，最后采样参数设置屏幕如下图示：
第几次试验-------------------------------1
输入采样通道数-------------------------2
输入采样频率----------------------------8000
触发电平----------------------------------250
变时倍数----------------------------------4
滞后点-------------------------------------4
Y
检查同名文件[N] （Y）N
对吗？[Y] （N）
在“自动设测点”选项中，如果选N，则在采样过程中，更换测点号时，必须手工设置；如果选Y，当采完一个测点的数据并存盘后，测点号自动递增，可以直接采下一个测点的数据，大大提高了工作效率。
确认后，按任意键继续，屏幕如下所示：
此时，用力锤在1#敲击点处敲击，使第一通道触发采集1024个数据点（一块），观察波形，如果波形不好或出现连击现象，按R键取消本次敲击，重新采本块数据；如果对波形满意，按回车键，程序等待下一次触发，此时进行第二次敲击，当采完四块数据时（因为采样块数设置为4），提示音响两次，按S键把本次采样数据存入硬盘，可以看到右边状态栏中的力测点号（For）变为f2，响应测点号（Res）变为2，此时可以移动力锤到第二个敲击点处，进行下一个测点的采样，如此继续一直到采完十一个点的数据，存盘后，程序还会等待采样，这时按Q键，紧接着按Esc退出采样。
（6）传函分析
在主菜单中选择“A分析”子菜单，选择传递函数分析功能，接着按回车键选择通用传函分析，按屏幕提示输入试验号和输入、输出的测点号，如下所示：
第几次试验--------------------------------1
输入输入测点号--------------------------f1
输入输出测点号--------------------------1
然后输入指数窗参数（指数窗参数意义参见DASP说明书，一般取为5即可）、回答是否去直流分量及输入谱修正系数：
指数窗参数（*E-3）--------------------5
去直流分量吗-----------------------------Y
输入谱修正系数---------------------------0
对吗？[Y] （N）
按任意键确认后，程序把相应的波形调出并显示出来，此时移动光标给力信号加力窗（加力窗操作参见DASP说明书中的7.13.节），力窗宽度应该比脉冲信号稍宽一些。加完力窗后如下图所示：
按F9键进行分析，由于每个测点采了四块数据，所以最多可平均四次，计算完成后，屏幕显示计算的传递函数结果：
按S键把结果存盘，再按M键进行自动分析，按屏幕提示输入相应测点号：
输入开始测点号-----------------------f2
输入最后测点号-----------------------f11
输出开始测点号-----------------------2
输出最后测点号-----------------------11
对吗？[Y] （N）
确认后，程序按f2-2、f3-3……的对应关系自动进行传函计算，每次的计算结果都自动存盘。
自动计算完毕后，可以查看计算结果，也可以不看。
（7）模态分析
在主菜单中选择“A分析”子菜单，选择模态分析功能，接着按回车键选择多输入单输出分析方法，按下面的步骤作模态分析。
①参数选择
传感器类型为加速度
原点导纳位置为5
总测点数为11
②输入几何结构及约束
询问“How many parts [1] (<=10)?”时，输入1或者按回车键代替；之后选择直角坐标系生成结构，问坐标原点位置时，按回车键选择缺省值；然后要求
输入总共节点数，按回车键接受缺省值（实际输入时可以更改）。最后屏幕如下所示：
按A键选择自动输入功能，依照下图所示输入结构生成的参数：
按回车键接受XYZ坐标模式，结果程序自动生成44个（11×4）节点的坐标。
按Esc继续下一步：输入连线信息，本例中由于上一步选择自动生成功能，连线信息也自动生成，在此可以对自动生成的连线信息进行修改，如不需要修改，按Esc继续下一步：输入约束信息，在此需要输入几何节点和实际响应测点的对应关系，由于现在不清楚几何节点的具体分布，可以按Esc键，先跳过这一步，等观察完结构后，再回到这一步输入约束。
按Esc键后，屏幕显示生成的结构图，按F1键可以得到操作帮助，按X、Y、Z键可以旋转结构，按N键观察几何节点的分布。生成的结构和节点分布如下图所示：
从图中可以看出，节点1、12、23、34在一个横截面上，节点2、13、24、35在一个横截面上，依次类推，最后节点11、22，33和44在同一个横截面上。我们实际上只有11个测点，分别和1～11节点相对应，但此梁可以简化为杆件，所以应把同一截面上的点约束在同一个测点上，即节点1、12、23、34被测点1约束，2、13、24、35被测点2约束，……
观察结构图形并确认无错后，按Esc键，屏幕提示：
OK？[Y] （N）
选择1
光标（白色光条）到“Z”下方，如下图所示：
按回车键，屏幕右下脚出现光标，提示输入约束测点号，输入1再按回车，屏幕显示：
按A键自动输入，在屏幕右下脚依照下图按提示输入：
**Auto Input**
How many node?
[10] 10
Input Step
[1] 1
程序按步长1自动增加10个测点号，如下图所示：
按向下的方向键，把光标往下移动一格，按回车键输入1，之后按以上相同的步骤自动输入，使节点12～22、23～33、34～44都受测点1～11的约束，输入完成后，屏幕如下显示：
输入完成，按Esc键退出，屏幕显示结构图，依次按Es c键、回车键、Esc 键退到模态分析主菜单。结构生成结束。
③模态拟合
⒈确定模态阶数
选择集总平均方法，程序把计算的十一个传函结果进行平均，完成后，屏幕显示平均结果：
移动屏幕上两条红虚线，收住峰值，具体操作可以按F1键得到帮助，也可以参见DASP说明书中10.6.节内容。本例收集的几阶模态如下图示（共收7阶）：
收完后，按S键存盘，然后按Esc退到模态拟合菜单。
⒉进行模态拟合
有六种拟合方法可供选择，本例选择第二种方法：复模态单自由度拟合方法。拟合完毕后，返回模态拟合菜单。“比较拟合结果”是将拟合所得的结果和实测所得的传递函数曲线进行比较，这一步骤可选。
④振型编辑
质量归一和振型归一两种方式随各自需要任选，本例选择质量归一。编辑完成后退到模态分析主菜单。
至此，模态分析已经完成，以后可以观察分析结果，也可以观察模态振型的动画显示。
⑤显示及打印报告
具体操作可参见DASP说明书10.12.节。
⑥动画显示
具体操作可参见DASP说明书10.13.节。
例二、有一栋七层高的楼房，简图如下所示（几何节点一并标出）：
准备做其水平Y方向的模态，作模态的步骤和例一类似，这里拣需要注意的地方重点说明。
（1）分析方法和传感器选择
类似楼房、大桥这样的结构，作模态时，设备激励比较困难，一般采用环境激励的方法，即以天然脉动作为激励信号，属于单输入多输出方法。采用此种方法，要求测试时间要长（每次采样最好不少于半个小时），测试时要尽量保持安静，以减少干扰的影响，如有条件，可以选在晚上。
象大楼这样的结构，固有频率都比较低，一般要选用低频特性好的位移或速度传感器，本例中选用哈尔滨工力所生产的891-Ⅱ型水平速度传感器。
（2）布点
如果只想做出弯曲模态，可以只布8个测点，测点1放在一层地面，往上每层楼布一个水平方向传感器，一直到楼顶，共8个测点。传感器摆放位置要尽可能靠近每层楼的几何中心处，这样，在输入约束信息时，可以把每层楼的4个几何节点约束在同一个测点上。
如果还想做出扭转模态，可以布16个测点，即每层布两个测点，节点1、3中间布一个，节点2、4中间布一个，依次往上，直至楼顶，共16个测点。在输入约束信息时，1、3约束在同一个测点上，2、4约束在同一个测点上，等等。
总之测点的布置随需要而定，只要在输入约束信息时，把几何节点和实际测点的对应关系输对即可。本例中布8个测点。
（3）仪器连接及采样
本例使用东方所生产的INV LF-8型低通滤波放大器，连接顺序：传感器→INV LF-8→INV采集系统接口盒→DASP软件。
本次的激励由于采用天然脉动信号，频带和楼房振动的频带相差不大，所以采样时没必要用变时基方式，一般用随机方式采样数据进扩充内存或硬盘即可；采样频率视楼房的具体情况和模态分析的需要而定，一般做楼房模态分析时，高于20Hz的模态都不考虑，测试时，在传感器和采集系统之间都要有滤波放大器，如果低通滤波至20Hz，采样频率为50Hz就足够了。
实际测试，要尽量利用现有条件，争取节约测试时间，下面以现有传感器的数量具体说明采样时的情况。
⒈两个传感器的情况
本例中需要的传感器不能少于两个，一个传感器放在一处选好的地面上（也可和地面上某个测点在一起）作为输入激励，在整个测试过程中不要移动；另一个传感器逐点移动，开始测试时，两个传感器如下所示放置：
其中
1，
。做传函时，也要注意它们的对应关系。
⒉多个传感器的情况
对于此例，最好能有8个传感器，测试时每层楼放一个，测点号分别为1、2、……8，这样，一次采样就能全部采完，节约了时间。传函分析时输入输出的对应关系为1-1、1-2、……1-8（一楼的测点1同时作为激励点）。
如果少于8个传感器，例如5个（为便于区分，设编号分别为0#～4#），
测试时，先采5个通道，0#和1#传感器放在一楼，2#、3#、4#分别放在2、3、4楼，测点号可以分别为f1、1、2、3、4；第二次采集时，0#传感器不动，1#～4#分别移到5、6、7层和楼顶，测点号分别为f2、5、6、7、8。这样信号采集要分两次完成，传函分析时，输入输出的对应关系为：f1-1、f1-2、f1-3、f1-4、f2-5、f2-6、f2-7、f2-8。
（4）参数设置
下面是本例实际测试时的参数设置表：
由于传感器用的是速度型的，所以工程单位为m/s，输入标定值时，标定值的计算可以参见公式（4），例如0#传感器→INV LF-8第一通道→INV303第一通道，传感器灵敏度为K CH=7740mv/ms-1，INV LF-8第一通道增益为K Vl=100，则按公式（4），在参数设置表中第一通道的标定值输入：
(/)
K mv ms
77401007740001
=?=-
即在参数设置表中第一通道标定值输入：774000。
（5）模态分析
传感器类型设为速度；如果只设8个测点（每层一个测点），原点导纳位置可设为1；总测点数为8。
如果每层楼高（z向）5米，、长（x向）5米、宽（y向）2米，自动生成结构时的设置为：
约束信息输入如下：
最后生成的结构及节点分布如下图示：
模态分析和频率响应分析的目的
有限元分析类型 一、nastran中的分析种类 （1）静力分析 静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷（如集中载荷、分布载荷、温度载荷、强制位移、惯性载荷等）作用下的响应、得出所需的节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力、应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。 （2）屈曲分析 屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，NX Nastran中的屈曲分析包括两类：线性屈曲分析和非线性屈曲分析。 （3）动力学分析 NX Nastran在结构动力学分析中有非常多的技术特点，具有其他有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。结构动力分析不同于静力分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。 NX Nastran的主要动力学分析功能：如特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等可简述如下： ?正则模态分析 正则模态分析用于求解结构的固有频率和相应的振动模态，计算广义质量，正则化模态节点位移，约束力和正则化的单元力及应力，并可同时考虑刚体模态。 ?复特征值分析 复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型，分析过程与实特征值分析类似。此外
Nastran的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。 ?瞬态响应分析（时间-历程分析） 瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应，分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。 直接瞬态响应分析 该分析给出一个结构随时间变化的载荷的响应。结构可以同时具有粘性阻尼和结构阻尼。该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方程进行数值积分，直接瞬态响应分析求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。 模态瞬态响应分析 在此分析中，直接瞬态响应问题用上面所述的模态分析进行相同的变换，对问题的规模进行压缩，再对压缩了的方程进行数值积分，从而得出与用直接瞬态响应分析类型相同的输出结果。 ?随机振动分析 该分析考虑结构在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应。例如地震波，海洋波，飞机超过建筑物的气压波动，以及火箭和喷气发动机的噪音激励，通常人们只能得到按概率分布的函数，如功率谱密度（PSD）函数，激励的大小在任何时刻都不能明确给出，在这种载荷作用下结构的响应就需要用随机振动分析来计算结构的响应。NX Nastran中的PSD可输入自身或交叉谱密度，分别表示单个或多个时间历程的交叉作用的频谱特性。计算出响应功率谱密度、自相关函数及响应的RMS值等。计算过程中，NX Nastran不仅可以像其他有限元分析那样利用已知谱，而且还可自行生成用户所需的谱。 ?响应谱分析 响应谱分析（有时称为冲击谱分析）提供了一个有别于瞬态响应的分析功能，在分析中结构的激励用各个小的分量来表示，结构对于这些分量的响应则是这个结构每个模态的最大响应的组合。 ?频率响应分析 频率响应分析主要用于计算结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度，虚部代表响应的相角。 直接频率响应分析 直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对于外载荷的响应。该类分析在频域中主要求解两类问题。第一类是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼，分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化以获得传递函数。 第二类是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。此载荷由它的互功率谱密度定义。而结构载荷由上面所提到的传递函数来表征。分析得出位移、加速度、约束力或单元应力的自相关系数。该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。 模态频率响应 模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的两类问题与直接频率响应分析解决相同的问题。
各种模态分析方法总结与比较
各种模态分析方法总结与比较 一、模态分析 模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。 模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，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、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。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；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。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
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，就可能预言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。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 模态分析最终目标是在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。 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF 二、各模态分析方法的总结 （一）单自由度法 一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。但是如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法n1。在给定的频带范围内，结构的动态特性的时域表达表示近似为： ()[]}{}{T R R t r Q e t h r ψψλ= 2-1 而频域表示则近似为： ()[]}}{ {()[]2ωλωψψωLR UR j Q j h r t r r r -+-= 2-2 单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机内存。 这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。然而实际情况通常并不是这样的，所以就需要用包含若干模态的模型对测得的数据进行近似，同时识别这些参数的模态，就是所谓的多自由度(MDOF)法。 单自由度算法运算速度很快，几乎不需要什么计算和计
模态分析理论
模态分析理论 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT
模态分析指的是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。首先建立结构的物理参数模型，即以质量、阻尼、刚度为参数的关于位移的振动微分方程；其次是研究其特征值问题，求得特征对（特征值和特征矢量），进而得到模态参数模型，即系统的模态频率、模态矢量、模态阻尼比、模态质量、模态刚度等参数。 特征根问题 以图3所示的三自由度无阻尼系统为例，设123m =m =m =m ，123k =k =k =k ， 图三自由度系统 其齐次运动方程为： mz?+kz =0（8） 其中m ，k 分别为系统的质量矩阵和刚度矩阵， 12 3m 00m 00m=0m 0=0m 000m 00m ????????????????????，1 12 1222 1k -k 0k -k 0k=-k k +k -k =-k 2k -k 0 -k k 0-k k ???? ???????????????? ，则运动方程展开式为： ¨1 1¨22¨33z m 00k k 0z 00m 0z k 2k k z 000m 0k k z 0z ?? ??-???????? ??????????+--=????????????????????-???????????? （9） 定义主振型 由于是无阻尼系统，因此系统守恒，系统存在振动主振型。主振型意味着各物理坐标振动的相位角不是同相（相差0o ）就是反相位（相差180o ），即同时达到平衡位置和最大位置。主振型定义如下： ()i i j ωt+i i sin ωt+=Im(e )φφi mi mi z =z z （10）
ANSYS中的模态分析与谐响应分析
ANSYS中的模态分析与谐响应分析 作者：未知时间：2010-4-15 8:59:49 模态分析是分析结构的动力特性，与结构受什么样的荷载没有关系，只要给定了质量、弹性模量、泊松比等材料参数，并施加了边界约束就可以得到此状态下的各阶自振频率和振型（也称为模态）。 谐响应分析是分析结构在不同频率的简谐荷载作用下的动力响应，是与结构所受荷载相关的，只是结构所受荷载的都是简谐荷载，而且荷载频率的变化范围在谐响应分析时要给出来。 比如，在ANSYS谐响应分析中要给出这样的语句 FK,3,FX,7071,7071 ！指定点荷载的实部和虚部（或者幅值和相位角） HARFRQ,0,2.5, ！指定荷载频率的变化范围，也就是说只分析结构所受频率从0到2.5HZ之间的荷载 NSUBST,100, ！指定频率从0到2.5之间分100步进行计算 这样，结构所受的这个点荷载的表达式实际上是 F=(7071+i*7071)*exp(i*omiga*t) !式中omiga从0到2.5*2*3.1415926变化 分析得到结果是各点物理量随频率变化的，但物理量的值一般为复数，包括实部的虚部，这可以从后处理LIST结点值看出来。 个人认为进行谐响应分析并不一定要先进行模态分析（也叫振型分析、振型分解等），而直接进行谐响应分析后查看结构的物理量随频率变化曲线时也会看到在结构的自振频率处响应会放大（共振）。如果已经进行过模态分析的话，会发现谐响应分析时的共振频率和模态分析提到的自振频率是一致的。但有些时候模态分析中得到的有些频率在谐响应分析的频响曲线里可能很不明显。因此，只能说在谐响应分析前进行一下模态分析可以对结构的自振特性有个了解，以便验证谐响应分析结果是否合理。 另外，谐响应分析应该是频域分析方法的一个部分。对于相地震那样的时间过程线，直接进行时域分析（ANSYS里用暂态分析）可得到结构随时间的响应。而如果进行频域分析，就应该通过傅立叶变换把时域地震曲线变为由多个简谐荷载的叠加，然后再以此简谐荷载做为谐响应分析时的荷载进行谐响应分析，最后再对谐响应分析得到的结果进行傅立叶逆变换得到时域的结果。不知道这种理解是否正确，我也没有用ANSYS这样做过。如果正确的话，时域分析和频域分析的结果应该是一致的。 模态分析的应用及它的试验模态分析 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
排气系统模态及振动响应分析
机电技术 2012年2月 110 作者简介：卞信涛(1987－)，男，工程师，研究方向：汽车噪声与振动。 排气系统模态及振动响应分析 卞信涛 (东南(福建)汽车工业有限公司研发中心，福建 福州 350119) 摘 要：文章介绍利用Altair/HyperMesh 软件创建某排气系统有限元模型，运用MSC/Nastran 软件计算排气系统的约束模态，对约束模态分析的结果进行评价。最后结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。 关键词：排气系统；模态；振动；频率响应分析 中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2012)01-110-03 动力总成作为车辆的主要振动激励源，其工作时产生的振动传递给排气系统，然后再通过吊耳传递给车身，若吊耳位置及其性能匹配不佳，会导致较大的车身振动通过座椅、地板和方向盘直接传递给乘客，进而影响乘员舒适性。所以，控制传递到车身上的力是排气系统振动控制的最主要目标之一。 本文对某排气系统约束模态分析的结果进行评价，结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。 1 排气系统模型创建 图1 排气系统有限元模型 图1为排气系统的有限元模型，以下是该模型的主要组成部分： 动力总成部分：动力总成(包含排气歧管)是用质量、惯量、刚性梁和弹簧来模拟的，它的质量和惯量参数施加在质心上，用三个弹簧单元(每个弹簧单元有X 、Y 、Z 三个方向的刚度)来模拟悬置衬套，三个刚性梁单元分别将质心与悬置衬套连接起来。动力总成的质心与排气系统的开始端也用刚性梁单元相连。 排气系统部分：排气系统依据3D 模型建立，包括三元催化器、副消音器、主消音器以及吊耳等。 球连接及吊耳橡胶部分：球连接主要控制动力总成传递到冷端的振动，球连接只有三个方向的转动自由度，吊耳车身侧被动挂钩与排气系统侧主动挂钩间的橡胶用弹簧单元模拟，并设置X 、Y 、Z 三个方向的刚度。 2 排气系统模态分析 模态分析是排气系统频率响应分析的关键。排气系统的模态必须与发动机的激振频率和车体的模态分开，否则各系统的频率耦合在一起会产生强烈的共振。在进行排气系统的模态分析时，通常要对以下几个指标设定目标：第1阶横向弯曲模态，第1阶垂向弯曲模态，第1阶扭转模态等。 2.1 边界条件 该模型的约束边界条件有两部分：第一部分是发动机悬置的橡胶衬套，它的一端与动力总成相连，另一端固定。第二部分是吊耳的边界，吊耳橡胶一端与排气系统相连，另一端固定。 2.2 计算结果 由于该动力总成的怠速工况转速为650 r/min 左右。对四缸发动机来说，该动力总成的发火频率要大于20 Hz ，故该排气系统中低于20 Hz 的模态多为刚性模态且很难被激励出来，所以不考虑20 Hz 以下的模态。在设计排气系统时，要使得其模态数目越少越好。如果模态数目太多，那么系统中的某些频率很容易被激励起来。经过计算分析，在20～200 Hz 范围内该排气系统共有13阶模态。
晶钻模态分析软件系列十标准模态分析(Standard Modal Analysis)
EDM-Modal 模态分析软件的标准模态分析是一套完整的分析流程，包括从FRF数据选择到模态参数识别，再到结果验证和振型动画。 模态实验完成后，所有的FRF数据可用来进行下一步的模态分析。用户也可以从外部导入需要的FRF数据，增加或替换某些FRF信号。编辑完成的FRF 数据列表可导出到本地成为一个已选择集合，也可以导入已选择的集合直接用于分析。这些操作集中在“模态数据选择”模块。所有的FRF数据都能在模块浏览，同时几何模型显示已选择信号的测点，信号窗口分单独显示和集中显示两种方式浏览信号。 单击“模态参数”健，模态辨识过程将被启动。模态指示函数（MIF），包括MMIF，CMIF, RMIF，虚部集总，以及Mag集总，有助于指示重根和高度偶合的根（模态）。 稳态图（Stability Diagram）是模态参数识别的一种迭代方法。在标准模态分析中，我们使用最小二乘复指数法（LSCE）识别出所有极点。在稳态图中可以选择稳定的物理极点（而不是计算极点），使用最小二乘频域法进行用于下一步的振型计算。 计算出的振型结果将被保存并用以进行振型的动画显示。模态置信准则
（MAC）和FRF综合都可用来验证模态参数的正确性。 ★EDM Modal 标准模态分析主要特征如下： ①易用的模态数据选择 ②采用反卷积使信号平滑（仅限OMA模态测试） ③模态指示函数：Multivariate MIF, Complex MIF, Real MIF, Image Sum 自定义需要进行参数辨识的频段 ④稳态图 ⑤提供曲线拟合算法LSCE ⑥模态形状计算的最小二乘频域(LSFD)算法 ⑦可编辑的模态振型表 ⑧模态振型动画自/互MAC计算和显示 ⑨拟合FRF与测量FRF对比输入/输出振型：UFF格式 ★EDM Modal模态支持的功能如下： ①几何模型的创建/编辑/导入/导出/动画。 ②工作变形分析(ODS) ③锤击法模态实验
模态分析中的几个基本概念模态分析中的几个基本概念分析
模态分析中的几个基本概念 物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定的比例关系的，可以用一个向量表示，这个就称之为模态。模态这个概念一般是在振动领域所用，你可以初步的理解为振动状态，我们都知道每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、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。有限元中模态分析的本质是求矩阵的特征值问题，所以“阶数”就是指特征值的个数。将特征值从小到大排列就是阶次。实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶。但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态，所以计算时根据需要计算前几阶的。一个物体有很多个固有振动频率（理论上无穷多个），按照从小到大顺序，第一个就叫第一阶固有频率，依次类推。所以模态的阶数就是对应的固有频率的阶数。振型是指体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。每一阶固有频率都对应一种振型。振型与体系实际的振动形态不一定相同。振型对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列，来说第一振型，第二振型等等。此处的振型就是指在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则振动周期越小。在实验中，我们就是通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时频率即为固有频率。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。 固有频率也称为自然频率( natural frequency)。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关（如质量、形状、材质等），称为固有频率，其对应周期称为固有周期。 物体做自由振动时，其位移随时间按正弦规律变化，又称为简谐振动。简谐振动的振幅及初相位与振动的初始条件有关，振动的周期或频率与初始条件无关，而与系统的固有特性有关，称为固有频率或者固有周期。 物体的频率与它的硬度、质量、外形尺寸有关，当其发生形变时，弹力使其恢复。弹力主要与尺寸和硬度有关，质量影响其加速度。同样外形时，硬度高的频率高，质量大的频率低。一个系统的质量分布，内部的弹性以及其他的力学性质决定 模态扩展是为了是结果在后处理器中观察而设置的，原因如下： 求解器的输出内容主要是固有频率，固有频率被写到输出文件Jobname.OUT 及振型文件Jobnmae.MODE 中，输出内容中也可以包含缩减的振型和参与因子表，这取决于对分析选项和输出控制的设置，由于振型现在还没有被写到数据库或结果文件中，因此不能对结果进行后处理，要进行后处理，必须对模态进行扩展。在模态分析中，我们用“扩展”这个词指将振型写入结果文件。也就是说，扩展模态不仅适用于Reduced 模态提取方法得到的缩减振型，而且也适用与其他模态提取方法得到的完整振型。因此，如果想在后处理器中观察振型，必须先扩展模态。谱分析中的模态合并是因为激励谱是其实是由一系列的激励组合成的一个谱，里面的频率不会是只有一个，而不同的激励频率对于结构产生的结果是不一样的，对于结果的贡献也是不一样的，所以要选择模态组合法对模态进行组合，得到最终的响应结果。
排气系统模态及振动响应分析
排气系统模态及振动响应分析 1 排气系统模型 1.1几何模型 排气系统，包括三元催化器、波纹管、前消声器、后消声器、连接管、连接法兰等。四处吊挂分别位于前消声器前后和后消声器的前后，以橡胶悬挂在车厢底板平面上，见图1。整体坐标系采用右手法则的直角坐标系，X轴为从汽车前部指向后部，Y 轴指向汽车右侧，Z 轴指向上方。 图1 排气系统的三维几何模型 1.2有限元模型 排气系统大部分为薄板结构，采用壳单元来进行模拟；对连接法兰，则采用实体进行模拟，生成网格。由于波纹管、三元催化器、消声器结构的复杂性，在分析和建模过程中，进行了以下处理： （1）对波纹管结构，根据设计部门提供的波纹管结构数据，在CAD软件中建立波纹管的壳模型，然后将建立的模型组装进排气系统，进行网格划分。排气系统波纹管段的网格要非常细密，才能保证求解精确。 （2）三元催化器、前消声器取其外壳和内部隔板划分网格，不足的质量采用集中质量单元加在部件质心。 吊挂3 后消声器
（3）后消声器取实际模型； （4）有限元模型中，将连接法兰之间的橡胶密封垫省略，两个法兰间采用 RBE2连接。法兰的体网格与管道的壳网格、管道的壳网格之间用MPC连接。 （5）做自由模态分析时，忽略橡胶悬挂、吊钩等结构； （6）橡胶悬挂简化为线性弹簧。 图2为其有限元模型，体网格划分采用六面体单元，面网格采用四边形单元。 (a) 前段(b) 后段 图2 排气系统有限元模型 2 约束模态与振型节点分析 2.1 模态分析 对排气系统进行了约束模态分析。约束点取排气系统与发动机排气歧管连接法兰螺栓以及5个吊钩与车身连接处。表2为排气系统的前16阶自由模态频率及其振型说明。图3为前10阶振型。 表2 排气系统前16阶自由模态 阶数振型说明(主要变形) 1 XOY面内一阶弯曲 2 XOY面内一阶弯曲 3 XOZ面内，以波纹管为中心整体摆动 4 XOZ面内一阶弯曲 5 一阶扭转 6 二阶扭转 7 前段XOZ面内一阶弯曲，后段扭转 8 三元催化器段XOZ弯曲 9 以XOZ面内弯曲为主 10 以XOY面内弯曲为主 11 三元催化器段弯曲
模态分析意义
模态分析意义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、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。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；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。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、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，就可能预言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。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。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。根据模态叠加原理，在已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。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、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，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。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：（1）动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析1）激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。2）数据采集。SISO 方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。SIMO 及MIMO 的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。3）时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。（2）建立结构数学模型根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依据。目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时
模态分析与谐响应分析区别联系
模态分析是分析结构的动力特性，与结构受什么样的荷载没有关系，只要给定了质量、弹性模量、泊松比等材料参数，并施加了边界约束就可以得到此状态下的各阶自振频率和振型（也称为模态）。 谐响应分析是分析结构在不同频率的简谐荷载作用下的动力响应，是与结构所受荷载相关的，只是结构所受荷载的都是简谐荷载，而且荷载频率的变化范围在谐响应分析时要给出来。 比如，在ANSYS谐响应分析中要给出这样的语句 FK,3,FX,7071,7071 ！指定点荷载的实部和虚部（或者幅值和相位角） HARFRQ,0,2.5, ！指定荷载频率的变化范围，也就是说只分析结构所受频率从0到2.5HZ之间的荷载NSUBST,100, ！指定频率从0到2.5之间分100步进行计算 这样，结构所受的这个点荷载的表达式实际上是 F=(7071+i*7071)*exp(i*omiga*t) !式中omiga从0到2.5*2*3.1415926变化 分析得到结果是各点物理量随频率变化的，但物理量的值一般为复数，包括实部的虚部，这可以从后处理LIST结点值看出来。 个人认为进行谐响应分析并不一定要先进行模态分析（也叫振型分析、振型分解等），而直接进行谐响应分析后查看结构的物理量随频率变化曲线时也会看到在结构的自振频率处响应会放大（共振）。如果已经进行过模态分析的话，会发现谐响应分析时的共振频率和模态分析提到的自振频率是一致的。但有些时候模态分析中得到的有些频率在谐响应分析的频响曲线里可能很不明显。因此，只能说在谐响应分析前进行一下模态分析可以对结构的自振特性有个了解，以便验证谐响应分析结果是否合理。 另外，谐响应分析应该是频域分析方法的一个部分。对于相地震那样的时间过程线，直接进行时域分析（ANSYS里用暂态分析）可得到结构随时间的响应。而如果进行频域分析，就应该通过傅立叶变换把时域地震曲线变为由多个简谐荷载的叠加，然后再以此简谐荷载做为谐响应分析时的荷载进行谐响应分析，最后再对谐响应分析得到的结果进行傅立叶逆变换得到时域的结果。不知道这种理解是否正确，我也没有用ANSYS这样做过。如果正确的话，时域分析和频域分析的结果应该是一致的。 模态分析的应用及它的试验模态分析 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、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。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；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。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、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，就可能预言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。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 模态分析最终目标在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一下几个方面： 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。根据模态叠加原理，在已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
模态分析软件操作
模态分析软件操作说 明及实例 东方振动和噪声技术研究所 1999.3.16 目录 一模态分析的步骤 (2) 1.确定分析的方法 (2) 2.测点的选取、传感器的布置 (2) 3.仪器连接 (3) 4.示波 (3) 5.输入标定值 (3) 6.采样 (4) 7.传递函数分析 (4) 8.进行模态分析 (4) 二模态分析实例 (5)
例一自由梁的模态分析实例 (5) 例二楼房的模态分析实例 (15) 模态分析是一种参数识别的方法，因为模态分析法是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。 模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量（或称特征振型、模态振型）。试验模态分析便是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。 东方所研制的模态分析系统，自推出以来参与了许多重大的科研项目如大型航空航天设备（长征火箭、通信卫星、大型雷达、火箭发射平台等）、大桥（火箭激振钱塘江大桥、锤击法激振乌海黄河铁路大桥属国内首次）、大楼、大坝、、机车（汽车）车辆和大型港口机械等，分析精度高、操作简便，尤其是变时基模态分析及高速模态三视图动画技术更是在国内外处于领先地步。 一、模态分析的步骤 1. 确定分析的方法 DASP中提供的模态分析方法有多输入单输出法、单输入多输出法和多输入多输出方法。一般采用较多的是多输入单输出或单输入多输出方法，在这两种方法中选取时，视哪一种方法简便而定，如激励装置大、不好移动但传感器移动方便就选取单输入多输出方法（即单点激励、多点移步拾振）；如传感器移动不方便但激励装置小、容易移动就选取多输入单输出方法（即单点拾振、多点移步激励）。 有时结构因为过于巨大和笨重，以至于采用单点激振时不能提供足够的能量，将我们所感兴趣的模态都激励出来；其次，结构在同一频率时可能有多个模态，这样单点激振就不能把它们分离出来，这时就要采取两个甚至多个激励来激发结构的振动，即采取多输入多输出方法。 在DASP中进行模态分析时，由于采用了高弹性聚能力锤和先进的变时基传递函数分析技术，对于象大型铁路桥、火箭发射平台这样的大型结构用力锤敲击就能分析出结构的模态；对于大型的混凝土结构（如大楼）可以以天然脉动作为激励信号进行模态分析。所以在大多数情况下，采取单输入多输出或多输入单输出方法就可完全满足工程需要。 2. 测点的选取、传感器的布置 选择好分析方法后，就要根据结构的特点和试验目的确定测点的数目和布置，以及传感器的安装方法等。
第10章 周期对称结构的模态分析
第十章周期对称结构的模态分析 ANSYS的周期对称分析支持静力（Static）分析和模态（Modal）分析。静力分析支持线性和大变形非线性；模态分析支持带有预应力的模态分析和不带有预应力的两种，关于带有预应力的模态分析本书第九章有专门讲述。本章只讲述不带有预应力的模态分析。在静力分析和模态分析这两种分析类型中，关于模型建立部分的要求是一致的，不同的是在进行模态分析时需要指定求解的节径数以及指定对于每个节径数的求解的模态阶数。对于每个节径，ANSYS均将其作为一个载荷步。ANSYS将周期对称边界条件施加于每一载荷步，并且每求解一个载荷步（即节径）后，都将构成周期对称边界条件的约束方程删除（保留任何用户自定义的约束方程）。在静力分析中ANSYS只求解零节径，而在模态分析中默认将求解全部节径。 本章中介绍的实例依然是第7章的轮盘，包括模型和边界条件。 10．1 问题描述 某型压气机盘，见7.1节的对其描述。要求查看其低阶频率结构和振动模态。 10．2 建立模型 在周期对称分析中，在建立模型后，划分网格之前，需要指定周期对称选项。 10．2．1 设定分析作业名和标题 在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名（原因见第二章），并在图形输出窗口中定义一个标题用来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等）ANSYS6.1所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS6.1显示出跟其相对应的菜单选项。 （1）选取菜单路径Utility Menu >File >Change Jobname，将弹出修改文件名(Change Jobname)对话框，如图10.1所示。
模态分析基本内容简介
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、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。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；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。通常，模态分析都是指试验模态分析。 概述 振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。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的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。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。 机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动模态各不相同。模态分析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。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。根据模态叠加原理，在已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。 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、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，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。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。 用处
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) 控制结构的辐射噪声； 5) 识别结构系统的载荷。 最佳悬挂点 模态试验时，一般希望将悬挂点选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点。 最佳激励点 最佳激励点视待测试的振型而定，若单阶，则应选择最大振幅点，若多阶，则激励点处各阶的振幅都不小于某一值。如果是需要许多能量才能激励的结构，可以考虑多选择几个激励点。 最佳测试点 模态试验时测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点。在最佳测试点位置其AD DOF(Average Driving DOF Displacement)值应该较大，一般可用EI(Effective Independance)法确定最佳测试点。 模态参数有那些 模态参数有：模态频率、模态振型、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。 主模态主空间主坐标 无阻尼系统的各阶模态称为主模态，各阶模态向量所张成的空间称为主空间，其相应的模态坐标称为主坐标。 模态截断
模态分析理论基础
点，有图可知节点并不唯一，而且修改前后节点的位置未变。对应尽可能避开结构振动的节点，以免给测量带来误差。４．４试验模态分析 试验模态分析的目的是为了验证理论模态分析的正确性的基础上进行深入研究奠定基础。 ４．４．１试验模态分析的理论基础阻１所以在进行模态实验为在理论模态分析 在物理坐标下，描述Ｎ自由度离散振动系统的运动微分方程为 阻】耕＋【ｃ】扛｝＋医】Ｍ＝沙｝（４．２）式中：【Ｍ］——质量矩阵（对称且正定），Ｍ∈Ｒ～， 【Ｃ】——阻尼矩阵，Ｃ∈Ｒ“”， 晖】——刚度矩阵（对称且正定或半正定），Ｋ∈Ｒ“”， ｛ｘ），｛卦，｛封——Ｎ维位移、速度和加速度响应向量， ｛厂（ｒ））——＿Ｎ维激振力向量。 设系统的初始状态为零，对式（４．２）两边进行拉普拉斯变换可得 （［Ｍｌｓ２“Ｃ］ｓ＋【Ｋ］）｛Ｘ０））＝【Ｚ（ｓ）］｛工０））＝｛Ｆ０））式中的矩阵 【Ｚ（ｓ）］－（［Ｍ］ｓ２＋［ｃ］ｓ＋［Ｋ】） 反映了系统的动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵，其逆阵 ［日（５）】＝［Ｚ（ｓ）】～＝（【Ｍ］ｓ２＋【Ｃ］ｓ＋［Ｋ］）。１称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。由式（２．２）可知 ｛ｘ（Ｊ））＿【日０）】（Ｆ（Ｊ）｝ 在上式中．令Ｓ＝ｊｏＪ，即可得到系统在频域内输出和输入的关系式 ｛并（国）｝＝【日（脚）】（Ｆ（国））（４．３）（４．４）（４．５）（４．６）（４．７） 式中［Ｈ（ｃｏ）】为频率响应函数矩阵。［Ｈ（∞）】矩阵中第ｆ行＿，列的元素 ％（叻２篇（４８）表示仅在』坐标激振（其余坐标激振力为零）时，ｉ坐标的响应与激振力之比。 在式（４．４）中令Ｓ＝＿，∞，可得阻抗矩阵
模态分析软件EDM Modal 的实验模态分析方案
EDM-Modal 模态分析软件一个完整的包括模态测试和模态分析的实验模态分析(Experimental Modal Analysis (EMA))流程，它的结构清晰，界面友好，功能丰富，操作简单方便。基于当代流行的模态分析理论和技术开发，操作流程直观且简单，它是实现模态分析实验得力的工具。支持用户实现数百个测量点和多个激励点的高度复杂的模态分析，无论模态测试是多么复杂，EDM Modal 模态测试系统都提供准确的工具来实现您的目标。 EDM-Modal 完美兼容晶钻所有采集仪器，如Spider-80X 。为操作员做模态实验测试提供必要的引导。操作界面具有直观的逐步过程，引导用户轻松完成设置，然后进行测试，更多时间花在分析上。并提供模态教学数据、模态操作视频等学习资源，让您轻松做实验。 为了成功获得测试数据，实验之前需要在测试模型上规划出所有测点的自由度（DOFs）。几何编辑器提供多种坐标系统，使用组件功能，可以简单地把各个子组件合并对一个几何模型。 在输入通道设置界面，设置所有通道对应的测点和它们的坐标方向。测试开
始后，所有的测试测点都会被测量，并以包含激励和响应自由度的信号名称保存。模态参数识别是模态分析的核心，EDM Modal模态分析为其提供了多种拟合方法。最小二乘复指数法(The Least-Squares Complex Exponential (LSCE))用于获取单参考点频响函数(FRF)的极点(包括频率和阻尼)。而多参考点(多输入/多输出或者MIMO)测试，则使用相应的多参考时域分析法(Poly-Reference Time Domain，PTD)。 动画模块是为了动态展示模态振型的模块，允许用户通过3D动画显示模态振型到几何模型。通过不同颜色标识动画的振动幅度。自由变形(FFT)提供增强模式的动画，比点动画更平滑更逼真。使用同一个几何模型，工作变形分析(ODS)可动画显示所选择的时域和频域响应数据到几何模态。 ★EDM Modal模态支持的功能如下： ①几何模型的创建/编辑/导入/导出/动画。 ②工作变形分析(ODS) ③锤击法模态实验 ④SIMO与MIMO FRF模态测试 ⑤SIMO正弦扫频模态测试 ⑥SIMO与MIMO步进正弦模态测试
ANSYS模态分析报告实例和详细过程
均匀直杆的子空间法模态分析 1.模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。 ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。 2.模态分析操作过程 一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。 (1).建模 模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。 (2).施加载荷和求解 包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。 指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。 指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND. 定义主自由度，仅缩减法使用。 施加约束，Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement。 求解，Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 (3).扩展模态 如果要在POSTI中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。过程包括重新进入求解器、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。 激活扩展处理及其选项，Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes。 指定载荷步选项。 扩展处理，Main Menu-solution-Solve-Current LS。 注意:扩展模态可以如前述办法单独进行，也可以在施加载荷和求解阶段同时进行。本例即采用了后面的方法 (4).查看结果 模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等