机械结构模态分析报告

测试

大实验

一．实验目的

1、学习模态分析原理；

2、学会模态测试方法；

3、学习简支梁、等强度梁和圆盘模态分析的测试过程

二．实验原理

对于一个机构系统，其动态特性可用系统的固有频率、阻尼和振型来描述，与其模态质量和模态刚度一起统称为机械系统的模态参数。模态参数既可以用有限元的方法对结构进行简化得到，也可以通过激振实验对采集的数据进行处理识别得到。测量方法是给系统施加一有带宽频率的激振力（冲击力也是一有限带宽激振力），同时测量系统的响应，将力和响应信号进行滤波，然后进行双通道FFT变换，计算出激振力F与响应X之间的传递函数h。由任意点传递函数曲线拟合可以识别出系统的固有频率和阻尼。

识别出系统的固有频率和阻尼比后，就可以求出系统的模态质量和模态刚度，此外，软件程序可以确定结构的振型，振型代表了在结构的第K阶固有频率下，各测点位移振幅之间的比例关系，并以模型动画的形式展示出来，从而可以对结构的模态进行直观地认知和感受。

三．实验仪器及激振方法的选择

1.实验仪器：INV1601B型振动教学试验仪、INV1601T型教学实验台（安装简支梁、等强度梁和圆盘）、加速度传感器、电涡流传感器、MSC-1力锤

2.实验软件：INV1601型DASP软件

3.激励方法-------锤击法激振

为进行模态分析，首先要测得激振力及相应的响应信号，进行传递函数分析。根据模态分析的原理，我们要测得传递函数矩阵中的任一行或任一列，因为该实验所用结构较为轻小，阻尼不大，所以要得到矩阵中的任一行，要求采用各点轮流激励，一点响应的方法；要得到矩阵中任一列，采用一点激励，多点测量响应的方法。而实际应用时，常用单点响应法中的锤击法激振。

四．实验项目

（一）简支梁模态分析

a.电涡流传感器测量

1.实验步骤

（1）简支梁如下图所示，长（x向）680mm，宽（y向）50mm，高（z向）8mm。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6个敲击点处。

（2）将实验仪器按照下图方式进行连接

（3）将仪器连接完毕后，打开INV1601型DASP软件，设置好各项参数，检查无误后，开始准备采样

（4）按照点号顺序依次敲击各个测点，软件会自动记录下每次测试结果。测试过程中尽量避免连击现象，如果有连击现象，按中止采样按钮，改变测点号重新开始采样，将覆盖原来数据。

（5）数据采集完毕后利用电脑软件对数据进行分析：调采样数据——传函拟合——模态分析——模态定阶——振型编辑——动画显示——保存实验结果

2.实验结果

（1）传函拟合结果

（3）各阶模态振型图第一阶

第二阶

第三阶

第四阶

第五阶

b.压电加速度传感器测量

1.实验步骤

与电涡流传感器测试的操作过程相同，只需将电涡流传感器换成压电加速度传感器即可。

2.实验结果

（1）传函拟合结果

（3）各阶模态振型图

第一阶：

第二阶：

第三阶：

第四阶：

第五阶：

（二）等强度梁模态分析

a.电涡流传感器测量

1.实验步骤

（1）选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，所以取拾振点在第六个敲击点处，即传感器安装在第6个结点处

（2）将实验仪器按照下图方式进行连接

（3）将仪器连接完毕后，打开INV1601型DASP软件，设置好各项参数，检查无误后，开始准备采样

（4）按照点号顺序依次敲击各个测点，软件会自动记录下每次测试结果。测试过程中尽量避免连击现象，如果有连击现象，按中止采样按钮，改变测点号重新开始采样，将覆盖原来数据。

（5）数据采集完毕后利用电脑软件对数据进行分析：调采样数据——传函拟合——模态分析——模态定阶——振型编辑——动画显示——保存实验结果

2.实验结果

（2）传函拟合结果

第一阶：

第二阶：

第三阶：

第四阶：

b.压电加速度传感器测量

1.实验步骤

与电涡流传感器测试的操作过程相同，只需将电涡流传感器换成压电加速度传感器即可。

2.实验结果

（2）传函拟合结果

第一阶：

第二阶：

第三阶：

第四阶：

（三）圆盘模态分析

a.电涡流传感器测量

1.实验步骤

（1）圆盘的结点布置沿径向分布如下示，因为选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，所以取拾振点在第三个敲击点处，即传感器安装在第3 个结点处

（2）将实验仪器按照下图方式进行连接

（3）将仪器连接完毕后，打开INV1601型DASP软件，设置好各项参数，检查无误后，开始准备采样

（4）按照点号顺序依次敲击各个测点，软件会自动记录下每次测试结果。测试过程中尽量避免连击现象，如果有连击现象，按中止采样按钮，改变测点号重新开始采样，将覆盖原来数据。

（5）数据采集完毕后利用电脑软件对数据进行分析：调采样数据——传函拟合——模态分析——模态定阶——振型编辑——动画显示——保存实验结果

2.实验结果

（1）传函拟合结果

第一阶：

第二阶：

第三阶：

第四阶：

第五阶：

b.压电加速度传感器测量

1.实验步骤

与电涡流传感器测试的操作过程相同，只需将电涡流传感器换成压电加速度传感器即可。

2.实验结果

（3）传函拟合结果

第一阶：

第二阶：

第三阶：

第四阶：

第五阶：

五．实验数据分析

（一）通过对实验数据的总结分析，发现以下实验规律：

1.对于同一个机构，用压电加速度传感器测出的模态质量比电涡流传感器测出来的大；

2.随着阶数的增加，机构的刚度逐渐增大；

3.随着阶数的增加，机构的振型越来越复杂；

（二）实验结论分析如下：

结构的自然频率可以代表结构整体的刚度：频率低表示结构的刚度很低（结构很柔软），相反的频率高表示结构的刚度很高（结构很坚硬）。所以随着阶数的增加，每阶的固有频率也在增加，对应结构

的刚度也就随着阶数的增加而增大。

物体的实际振动是各阶模态的叠加效果.物体理论上有无穷阶模态,振动是这无穷阶模态的叠加.但是实际上各阶模态对系统振动的贡献度不同,一般前几阶比较大,越往后越小,所以一般截取前面的模态，这种方法叫做模态截断。每阶模态的振型都有特定的形式，都是由弯曲扭转这些基本变形组合而来的，随着阶次增加，变形的组合形式也就越复杂，对应的模态振型也就越来越复杂。

在实验过程中，不可避免要用到传感器，而传感器的种类是会对测量结果产生一定影响的，比如压电加速度传感器工作时要和机构固连在一起，变相的增加了机构的质量，而用电涡流传感器测量时则不会出现这种情况，所以用电涡流传感器测量更能反映机构中每一阶的模态质量。

六．实验的意义和对实验的感想

模态分析技术在现实生活中有很大的用途，具体可归结为以下几个方面：

1.评价现有机构的动态特性；

2.在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计，像在车壳设计中，可以通过对模态进行分析，找出其结构的薄弱位置，进行加固或使其工作频率避开其共振频率，从而避免危害的发生；

3.诊断及预报结构系统的故障；

4.控制结构的辐射噪声，例如对某摩托车噪声的声源进行有限元次的模态分析，可以得到相应频段的模态振型，指明噪声源的位置，

从而实现对噪声的控制；

5.识别结构系统的载荷；在此次模态分析实验，我们组密切配合，共同完成了实验操作、

数据分析等工作。在这个过程中，我们首先了解和学习了机构模态的概念以及各个模态参数的测量方法；然后理解和学习了每个模态参数的意义以及他们各自的变化规律，并从中分析出了各自之间的部分内在联系；最后，我们根据实验的结论，并联系目前行业中模态分析的

应用实例，深刻领会了模态分析的重要用途和意义，虽然由于我们本身知识面还不够，对模态分析的还不是很全面，但在整个实验过程中，我们学到了很多课本上学不到的东西，像实验方法、操作经验......受益匪浅。