模态试验及分析的基本步骤
模态试验分析流程与详细方法
模态试验分析方法简介1 试验模态分析的基本步骤试验模态分析一般分为如下的四个步骤：第一步：建立测试系统所谓建立测试系统就是确定实验对象，选择激振方式，选择力传感器和响应传感器，并对整个测试系统进行校准。
第二步：测量被测系统的响应数据这是试验模态的关键一步，所测量得到的数据的准确性和可靠性直接影响到模态试验的结果。
在某一激振力的作用下被测系统一旦被激振起来，就可以通过测试仪器测量得到激振力或响应的时域信号，通过输血手段将其转化为频域信号，就可以得到系统频响函数的平均估计，在某些情况下不要求计算频响函数，只需要时间历程就可以了。
第三步：进行模态参数估计即利用测量得到的频响函数或时间历程来估计模态参数，包括：固有频率，模态振型，模态阻尼，模态刚度和模态质量等。
第四步：模态模型验证它是对第三步模态参数估计所得结果的正确性进行检验，它是对模态试验成果评定以及进一步对被测系统进行动力学分析的必要过程。
以上的每个步骤都是试验模态中必不可少的组成部分，其具体的介绍如下：2、建立测试系统建立测试系统是模态试验的前期准备过程，它主要包括：被测对象的理论分析和计算，测试方案的确定（包括激振方式的确定，传感器的选择，数据采集分析仪器的选择等），按照方案要求安装和调试，测试系统的校准等工作。
接下来对激振方式，传感器的选择和数据采集仪器的选择的具体介绍如下：2.1激振方式的确定：激振方式有很多种，主要分为天然振源激振和人工振源激振。
天然振源包括地震，地脉动，风振，海浪等；其中地脉动常被使用于大型结构的激励，其特点是频带很宽，包含了各种频率的成分，但是随机性很大，采样时间要求较长，人工振源包括起振机，激振器，地震模拟台，车辆振动，爆破，张拉释放，机械振动，人体晃动和打桩等。
其中爆破和张拉释放这两种方法应用较为广泛。
在工程实际中应当根据被测对象的特点，选取适当的激振方式。
2.2传感器的选择：传感器是测试系统的一次仪表，它的可靠性，精确度等参数指标直接影响到系统的质量。
试验模态分析流程
试验模态分析流程（中英文实用版）Title: Experimental Modal Analysis ProcessTitle: 试验模态分析流程Section 1: IntroductionSection 1: 引言In order to understand the dynamic behavior of structures, experimental modal analysis is conducted.This process involves the identification of the natural frequencies, mode shapes, and damping ratios of a structure.为了了解结构的动态行为，需要进行试验模态分析。
这个过程包括识别结构的固有频率、模态形状和阻尼比。
Section 2: PreparationSection 2: 准备Before starting the analysis, it is important to prepare the test structure and the equipment.This includes securing the structure, setting up data acquisition systems, and ensuring that all sensors are properly calibrated.在开始分析之前，准备好测试结构和设备非常重要。
这包括固定结构，设置数据采集系统，并确保所有传感器已正确校准。
Section 3: ExcitationSection 3: 激励The structure needs to be excited in order to obtain its dynamic response.This can be done using various methods such as hammer impact, piezoelectric actuators, or forced vibration.为了获得结构的动态响应，需要对结构进行激励。
机组定子端部模态试验方法与分析
机组定子端部模态试验方法与分析发表时间：2020-12-10T05:35:02.758Z 来源：《河南电力》2020年7期作者：周勇[导读] 为保障机组安全稳定运行，机组在出厂前、新机交接、运行时出现线圈磨损或松动等异常时、大修检查时进行定子端部模态试验十分有必要。
（湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司湖南省长沙市 410213）摘要：定子绕组端部结构的优化设计使定子绕组端部的整体固有频率避开95-110HZ，但因制造、安装或运行中的冲击现象，部分机组的定子绕组端部的固有频率可能落入95-110HZ范围之内，容易发生因振动引起的机组定子绕组端部故障。
为保障机组安全稳定运行，机组在出厂前、新机交接、运行时出现线圈磨损或松动等异常时、大修检查时进行定子端部模态试验十分有必要。
关键词：定子端部模态试验；试验方法；数据统计分析1 引言随着电力系统技术发展，装机单机容量不断增加，定子绕组端部受到的两倍频电磁力随之增大。
如果定子绕组端部的固有频率接近100HZ，将发生谐振，从而可能因振幅过大而发生结构松动、磨损、绝缘损坏等现象，甚至断裂等故障，严重威胁机组的安全运行。
因此有必要对机组进行定子端部模态测试定子线棒和引线固有频率测试，检查定子设备状态，及时发现和处理发电机运行中定子绕组潜在或发展中的故障，采取防止振动的有效措施，确保设备安全稳定运行。
以下结合某电站3号机组定子绕组端部模态试验探讨一下试验内容要求、方法和数据统计分析。
2试验内容及要求2.1定子线棒固有频率测量对定子线棒上下两端进行固有频率测量；要求：1）测量每根线棒上端部的径向固有频率。
2）测量每根线棒下端部的径向固有频率。
2.2定子端部模态数据测量及分析在定子线棒上下两端分别进行模态测试，并给出定子端部整体模态；要求：取线棒上、下端部的二个支持环作为试验圆周，每个圆周上取16个测点，共有2×16个测量点。
测量上、下线棒端部的整体模态。
3 试验方法和数据统计分析3.1定子线棒径向固有频率测量测量定子线棒径向固有频率，线棒下端部有300个，线棒上端部有240个。
模态分析
1. 什么是模态分析？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。
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。
2. 模态分析有什么用处？模态分析所的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以下几个方面：1. 评价现有结构系统的动态特性；通过结构的模态分析可以求得各阶模态参数（模态频率、模态振型以及模态阻尼），从而评价结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计算结构的准确性。
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；近年来，结构故障技术发展迅速，而模态分析已成为故障诊断的一个重要方法。
利用结构模态参数的改变来诊断故障是一种有效方法。
例如，根据模态频率的变化可以判断裂纹的出现；根据振型的分析可以确定断裂的位置；根据转子支承系统阻尼的改变，可以诊断与预报转子系统的失稳等。
4. 控制结构的辐射噪声；结构噪声是由于结构振动所引起的。
结构振动时，各阶模态对噪声的“贡献”并不相同，对噪声贡献较大的几阶模态称为“优势模态”。
模态分析方法与步骤
模态分析方法与步骤下面我将从模态分析的定义、方法、步骤和案例实践等方面进行详细介绍。
一、模态分析的定义模态分析是指通过对系统的不同动态模态（如结构模态、振动模态等）进行分析和评估，以揭示系统的特性、行为和潜在问题。
其目的是为了更好地了解系统的功能、性能、稳定性等，并为系统的优化提供依据。
二、模态分析的方法1.实验方法：通过实际测试和测量，获取系统的模态参数（如固有频率、阻尼比、模态形态等），从而分析系统的动态特性。
2.数值模拟方法：利用数学建模和计算机仿真技术，建立系统的动力学模型，并进行模拟分析，以获取系统的模态响应和模态特性。
3.统计分析方法：通过对大量历史数据或采样数据的分析，探索系统的模态变化规律和概率分布情况。
三、模态分析的步骤1.确定分析目标：明确需要进行模态分析的对象、目的和要求。
例如，是为了定位系统的故障、评估系统的稳定性、优化系统的结构等。
2.数据采集和处理：根据分析目标，确定所需的数据类型和采集方法，例如使用传感器进行采集或获取历史数据。
然后对采集到的数据进行处理，如滤波、时域变换、频域分析等。
3.建立模型：根据已有的数据和系统特性，建立适当的模型。
例如，对其中一结构物进行模态分析时，可以建立结构的有限元模型。
4.分析模态特性：利用实验、仿真或统计方法，分析系统的模态特性，如固有频率、振型等。
可以绘制频谱图、振型图等，以便直观地展示结果。
5.识别问题和改进方案：基于对系统模态特性的分析，识别潜在问题，并提出相应的改进方案。
例如，如果发现其中一模态频率太低，可能意味着系统存在过度振动或共振问题，需要采取相应的措施来改进。
6.验证和优化：对改进方案进行验证和优化，以确保其有效性和可行性。
可以通过迭代分析和实验评估来逐步完善方案。
四、模态分析的案例实践1.桥梁的模态分析：对大跨度桥梁的模态分析可以帮助提前发现潜在的共振问题，并优化桥梁的设计和结构。
例如，可以通过数值模拟方法对桥梁的振动特性进行分析，以确定固有频率和振型，并预测桥梁在不同外界激励下的动态响应。
ansys模态分析及详细过程
压电变换器的自振频率分析及详细过程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。
模态分析过程
模态分析过程由四个主要步骤组成：1.建模；2.加载及求解；3.扩展模态；4.观察结果。
下面分别展开进行详细讨论：§1.6建模主要完成下列工作：首先指定工作名和分析标题，然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型、单元实常数、材料性质以及几何模型。
ANSYS的《建模和网格指南》中对这些工作有更详细的说明。
注意以下两点：•在模态分析中只有线性行为是有效的。
如果指定了非线性单元，它们将被当作是线性的。
例如，如果分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。
•材料性质可以是线性的，各向同性的或正交各向异性的，恒定的或和温度相关的。
在模态分析中必须指定杨氏模量EX（或某种形式的刚度）和密度DENS（或某种形式的质量）。
而非线性特性将被忽略。
§1.7加载及求解主要完成下列工作：首先定义分析类型、指定分析设置、定义载荷和边界条件和指定加载过程设置，然后进行固有频率的有限元求解。
在得到初始解后，再对模态进行扩展，以供查看。
扩展模态将在下一节“扩展模态”中进行详细说明。
§1.7.1进入ANSYS求解器命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution§1.7.2指定分析类型和分析选项ANSYS提供的用于模态分析的选项如下表所示，表中的每一个选项都将在随后详细解释。
分析类型和分析选项选项命令GUI 选择途径New Analysis ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analys isAnalysis Type:Modal ANTYPE Main Menu>Solution>-Analysis Type-Ne w Analysis>ModalMode Extraction Method MODOPT Main Menu>Solution>Analysis Option sNumber of Modes to Extract MODOPT Main Menu>Solution>Analysis OptionsNo.Of Modes to Expand MXPAND Main Menu>Solution>Analysis Op tionsMass Matrix Formulation LUMPM Main Menu>Solution>Analysis Options Prestress Effects Calculation PSTRES Main Menu>Solution>Analysis Op tions注意选择模态分析时，求解菜单将显示与模态分析相关的菜单项。
第十二章 模态分析及模态试验
汽车学院 靳晓雄
2018年11月9日星期五
同济大学汽车学院振动噪声研究所
1
第十二章 模态分析与模态试验
12-1 引言 12-2 频响函数与模态参数的关系 12-3 模态识别的图解方法 12-4 模态识别的曲线拟合法 12-5 模态试验系统 12-6 传感器及其安装 12-7 传感器的标定 12-8 试验结果的检验
——模态密度
同济大学汽车学院振动噪声研究所 10
当系统p点作用激振力时，结构l点的响应为：
X l ( ) li qi ( )
n
X l ( ) Hlp ( ) Fp ( )
n
li pi ( 2 ) F ( ) i 1 mi jci ki
n
i 1
一、迭代法 将频响函数表示为模态的实虚频形式
H R ( ) Ri X i
i 1 N
1 i2 Ri (1 i2 )2 (2i )2
1 Xi kii
2018年11月9日星期五
同济大学汽车学院振动噪声研究所
22
H I ( ) I iYi
i 1
N
(2 i )2 i Ii (1 i2 )2 (2i )2
j 1
M
各阶模态频率可以先根据频响函数确定，对预 估计 的初始值。 ER 令： 0 得线性方程组： X i
R R X RH R
T
（1） （2）
24
I I Y I H R
T
2018年11月9日星期五
同济大学汽车学院振动噪声研究所
i i
T
上式还可表示为：
H ( )
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模态试验及分析的基本步骤
1.动态数据的采集及响应函数分析
首先应选取适当的激励方式。
激励方式可以是正弦、随机或瞬态中的任何一种。
激励方式不同，相应的模态参数识别方法也不同。
目前主要有单输入单输出、单输入多输出和多输入多输出三种方法。
然后进行数据采集。
对于单输入单输出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型数据;单输入多输出及多输入多输出的方法要求大量通道数据的高速采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。
在采集信号数据以后，还要在时域或频域对信号进行处理，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
根据己知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及参数识别的依据，目前一般假定系统为线性的。
由于采用的识别方法不同，数学建模可分为频域建模和时域建模。
根据阻尼特性及频率藕合程度又可分为实模态和复模态等。
3.参数识别
按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法。
激励方式不同，相应的识别参数方法也不尽相同。
并非越复杂的方法识别的结果越可靠。
对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，用简单的识别方法也可能获得良好的模态参数;反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，识别的结果也不会理想。
4.振型动画
参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振型。
但是由于结构复杂，由许多自由度组成的振型的数组难以引起对振动直观的想象，所以必须采用振型动画的办法，将放大的振型叠加到原始的几何形状上。
车身部件的模态试验
1.测点选择和传感器布置
为提高模态参数的识别精度，必须合理布置激励点和响应点的位置，最大限度地
减少模态丢失。
激励点的选择方法是选择几个不同的点分别激励，测得几个频响函数，比较这些频率响应函数，选择函数曲线清晰、光滑，在感兴趣的频率范围内相干函数
均达到0. 9以上的点作为激励点。
对于单点激励的情况，应该确保激励信号能向车身
部件的三个方向有效传递。
为了尽可能准确的求解车身部件的动态特性，所有外力作用点，部件和结构的连
接点，重要的响应点和质量集中点均应作为测点，某些测点的三个方向都应作为测量点，对于刚度较弱，易产生结构振动辐射噪声的部位测点的布置应适当密集。
测点的
布置应该能够明确显示研究频率范围内的结构模态振型，保证研究的关键点在测点范
围内。
由于模态试验的特殊要求，选择加速度传感器时有遵循以下原则:传感器的动态范
围宽、工作频段宽、低频性能好、抗干扰能力强、灵敏度好、线性度好、体积小、质
量小。
传感器的选择和传感器的安装对测量结果都具有很重要的影响，安装传感器时
应确保在具有足够刚性且不增加结构质量的前提下，测量规定方向的真实振动信号。
本试验采用的是带永久磁铁基座的压电式加速度传感器。
2.确定激励方式
模态试验对激励信号有以下要求:包含足够的激励成分;有足够的幅值水平;在结构
存在微小非线性因素时，具有一定的抗干扰能力。
常用的激励信号是正弦激励信号(扫
频和步进)、随机激励信号(宽带、周期和瞬态)与脉冲信号。
脉冲激励是一种宽频带激励，其力信号的频谱较宽，一次激励可以同时激出多阶模态，而且试验时不会对试件
产生附加质量、附加刚度等副作用，同时所需测试设备简单，灵活性较大，特别适用
于现场测试，因此本次模态试验的激励方式采用锤击法(脉冲激励法)。
激励点的选择主要考虑:首先，激励点的位置应避开系统任一阶振型的节点，以
保证采集的测点信号有较高的信噪比，避免模态遗漏;其次，激励点应选择在便于激励
能量传递的位置，一般该位置的刚度应尽量大。
响应点(或测点)的选择主要考虑:基本反应车身结构轮廓;避开各阶振型的节点;能
明确显示模态振型的特征;对于模态可能较多的局部区域可增加测点。
在试验过程中，由于车身部件模型饭金冲压件，各饭件之间通过翻边或点焊联结。
倘若采用多点激励、单点拾振(移动激励点、固定响应点)的测试方法，虽然便于试验
的进行，但是当敲击车身部件中部时，由于在此处刚度较弱，很容易导致激励信号失真，从而增加了敲击的难度。
因此，试验过程中采用了单点激励、多点拾振的方法。
应该指出，根据动力互易定理，单点激励多点拾振和多点激励单点拾振所得到的结果
相同。
3.支承方式
被测车身部件实际工作过程总是处于一定的约束状态中，理论上试验过程中应该
重现这种实际的约束状态，但这种要求在实际操作上很难达到，因此试验过程中总是
考虑替代的支承方式。
替代的支承方式一般有两种:自由支承和地面支承。
自由支承也叫软支承，实验过程中自由支承只是一种近似，但当我们把支承系统
的最高刚体模态频率控制在被测车身部件的最低弹性模态频率的1/5到1/10以内时，
那么这种支承系统的近似引起的误差就可以忽略不计，此时的支承就可以近似为自由
支承。
地面支承也叫硬支承，理论上要求被测车身部件与地面之间的加速度导纳为零，其振动响应只应包括几万赫兹以上的频率成分。
实际上这种替代的支承方式也很难实现，实际过程很难实现结构与地面连接点处的导纳比其它点的导纳小很多。
本次模态试验采用自由支承即软支承，用几根弹簧软绳将车身部件悬挂起来近似
模拟自由状态，通过测试的支承系统的最高刚体模态频率和粗略测试出的车身部件的
最低弹性模态频率来验证所选择的弹簧是否满足要求，测试结果表明这种支承满足试
验的精度要求，最终的试验结果表明这种近似对分析结果的影响可以忽略。
4.模态参数辨识
对采集的数据在频域内进行了参数辨识。
根据研究内容选择在0-120Hz范围辨识，辨识的方法为单模态识别法，用峰值拾取法计算频率、阻尼，峰值法计算留数。
进行
模态频率的计算，得到试验模态参数如表所示，模态振型如图所示。