锤击法简支梁(固支梁)模态实验
用锤击法和变时基技术进行黄河铁路桥的模态试验分析
用锤击法和变时基技术进行黄河铁路桥的模态试验分析沈松应怀樵雷速华 赵增欣东方振动和噪声技术研究所,北京,100085摘要 (1) 用特殊的弹性聚能力锤进行激励 本文介绍了一次用力锤激励铁路桥进行模态分析的 特别试验。
1996 年 7 月 24 日，东方振动和噪声技术研究 所(COINV) 使用弹性聚能力锤作为激励设备， 成功地进行 了三道坎黄河铁路大桥的模态试验。
由于弹性聚能力锤 延长了力的激励时间，使激励力的能量聚集在低频处， 从而使锤击法进行大型土木结构的模态试验成为可能。
为提高大型结构的传递函数的分析精度，试验中还使用 了一种新的分析方法—变时基（Varied-Time-Base）传递函 数细化分析方法。
试验利用每两次列车经过的间隔时间， 保证了整个铁路的运行不受任何影响。
本次试验得到了 包括模态质量、模态刚度等各种参数的前四阶模态。
在 中国，这是首次利用锤击激励进行的铁路运行实际桥梁 模态试验,具有重要的科研价值。
2 桥梁结构和测点布置 (2) 在传递函数分析中使用了变时基（VTB）方法 (3) 使用 INV306 智能信号采集分析系统， 利用该系统可以 实现数据采集、信号处理、模态分析等工作的现场实 时分析和一体化处理。
1引言 图 1: 简化结构图和测点布置 三道坎黄河铁路大桥位于内蒙古乌海市。
近年来，其水平振动越来越剧烈，振幅大大超过国家标准中的限 值。
为研究其原因，对该桥需做两方面的测试： (1) 水平方向振动幅值.。
(2) 水平方向的模态测试和分析。
本文主要讨论第二方面的问题。
对正在运行中的桥 梁进行模态试验是很困难的。
本次试验使用了如下一些 新方法：该桥共有九跨。
试验对象为 7#桥墩和 8#桥墩之间的 一跨，该跨长 28 米。
虽然其结构很复杂，但可以简化成 两边简支的钢板梁结构。
简化的模态结构如图 1 所示。
模态测试采用单输入多输出的方法。
点 ‘x’表示了激励点 的位置，在整个结构上则均匀布置了 36 个输出测点，其 中测点 33,34,35,36 位于桥墩上，测点 17,25,24,32 为桥墩 和钢板梁的铰接点。
梁的振动实验报告
梁的振动实验报告实验目的改变梁的边界条件，对比分析不同边界条件，梁的振动特性（频率、振型等）。
对比理论计算结果与实际测量结果。
正确理解边界条件对振动特性的影响。
实验内容对悬臂梁、简支梁进行振动特性对比，利用锤击法测量系统模态及阻尼比等。
实验原理1、固有频率的测定悬臂梁作为连续体的固有振动，其固有频率为：()1,2,.......r r l r ωλ==其中，其一、二、三、四阶时， 1.87514.69417.854810.9955.....r l λ=、、、 简支梁的固有频率为：()1,2,.......r r l r ωλ==其中其一、二、三、四阶时， 4.73007.853210.995614.1372.....r l λ=、、、 其中E 为材料的弹性模量，I 为梁截面的最小惯性矩，ρ为材料密度，A 为梁截面积，l 为梁的长度。
试件梁的结构尺寸：长L=610mm, 宽b=49mm, 厚度h=8.84mm. 材料参数： 45＃钢，弹性模量E ＝210 (GPa), 密度ρ＝7800 (Kg/m 3)横截面积：A ＝4.33*10-4 (m 2),截面惯性矩：J ＝312bh =2.82*10-9(m 4)则梁的各阶固有频率即可计算出。
2、实验简图图1 悬臂梁实验简图图2简支梁实验简图实验仪器本次实验主要采用力锤、加速度传感器、YE6251数据采集仪、计算机等。
图3和图4分别为悬臂梁和简支梁的实验装置图。
图5为YE6251数据采集仪。
图3 悬臂梁实验装置图图4 简支梁实验简图图5 YE6251数据采集分析系统实验步骤1:"在教学装置选择"中，选择结构类型为"悬臂梁"，如果选择等份数为17，将需要测量17个测点。
2:本试验可采用多点激励，单点响应的方式，如果是划分为17等份,请将拾振点放在第5点。
3:请将力锤的锤头换成尼龙头,并将力通道的低通滤波器设置为1KHz,将拾振的加速度通道的低通滤波器设置为2KHz。
简支梁模态分析实训报告
2013~2014学年第二学期简支梁模态分析实训报告学院：机械与汽车工程学院专业：测控技术与仪器班级：11级测控一班姓名：学号：联系电话：指导老师：2013~2014学年第二学期 (1)一、模态分析的步骤 (3)1. 确定分析方法 (3)2. 测点的选取、传感器的布置 (4)3. 仪器连接 (4)4. 示波 (4)5. 输入标定值 (5)6. 采样 (5)6.1 参数设置 (6)6.2 结构生成 (6)7. 传递函数分析 (7)7.1 参数设置 (7)7.2 采样 (7)8. 进行模态分析 (8)二、模态分析实例 (8)（1）测点的确定 (9)（2）仪器连接 (9)（3）示波 (9)（4）参数设置 (10)（5）采样 (12)（6）传函分析 (14)（7）模态分析 (15)三、实训总结 (23)简支梁模态分析实训报告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”。
模态分析实质上是一种坐标变换，其目的在于把原物理坐标系统中描述的相应向量，转换到"模态坐标系统"中来描述，模态试验就是通过对结构或部件的试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。
主要应用有:用于振动测量和结构动力学分析。
可测得比较精确的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。
可用模态试验结果去指导有限元理论模型的修正，使理论模型更趋完善和合理。
锤击法模态试验原理
你也可以...
使用弹性垫将测试结构支撑起来。 弹性垫一般选择海绵之类具有弹性的材 料。对于一些轻质结构，你甚至可以使 用棉花糖来支撑。
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加速度传感器
原则上，常用的加速度传感器都可以完成模态实验。但对于结构测试，我 们还需要注意以下问题： ➢ 实验前注意传感器的有效频率范围； ➢ 尽量选择质量较轻的传感器，避免产生附加质量改变测试结构的特性； ➢ 模态激振器法中，较多的传感器可以节约移动测量所需要的试件；
不管吊什么，弹性绳 都不可少
Tips：购买晶钻设备时可以提供您一套模态实验工具包
35
如何正确激励
应该移动力锤还是传感器
你应该会注意到，力锤法有移动力锤和移 动传感器两种方式。 从理论的角度来说，两种方法并没有什么 区别，存在互易性，结果也是一致的。
但实际实验中，我们也要考虑到一些影响 测量的现实因素： ➢ 移动传感器会改变结构的时不变性； ➢ 力锤不一定能方便地敲击到结构的所
1
我们为什么需要模态实验？
评价结构设计合理性
故障诊断和预报
识别设计的薄弱环节
获得合理的安装位置
2
验证有限元模型
模：态分析能得到什么？
共振频率
结构系统在受到外界激励产生运动时，将按 特定频率发生自然振动，这个特定的频率被 称为结构的固有频率。
阻尼比
阻尼比是无单位量纲，表示了结构在受激 振后振动的衰减形式。
右下显示了平板的某一阶模态振型， 红色的九个点被称为节点。 同样，这九个点所采集的数据，是 无法识别出这一阶模态的。
28
把测试结构悬挂起来
测试结构需要处于自由状态，采用弹性 连接。 在足够牢固的台架上，使用弹性绳悬挂 测试结构。 一般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节点。 测试结构在激振方向要有一定行程。 对强方向性结构，激振方向之外保持一 定程度固定，避免大幅晃动。
锤击法测量悬臂梁的固有振动参数试验报告
锤击法测量悬臂梁的固有振动参数试验报告
学号：试验时间：
一、试验目的
(1) 了解锤击法测量结构固有振动参数仪器设备的构成；
(2) 掌握锤击法测量结构固有振动参数的试验方法和试验原理；
(3) 熟悉锤击法测量结构固有振动参数的基本步骤；
二、试验对象
悬臂梁；
三、试验方法
采用模态试验中的锤击法得到力锤和各测定之间的频率响应函数，从而通过参数辨识得到测量对象的固有振动频率和振型。
四、试验系统的组成
本试验系统包括力锤、加速度传感器和数据采集与分析系统，系统示意图：
图1 试验系统示意图
五、试验过程
(1) 试验的基本步骤
a) 夹持试件
b) 安装并连接好加速度传感器
c) 设置好测量设备的采集参数和传感器参数
d) 定义好测量点几何信息
e) 设置好锤头的触发电平
f) 力锤锤击测量点，进行振动测量
g) 测量结束后，对测量结果进行分析，得到测量对象的振动频率和对应的振型。
(2) 试验的注意事项
a) 力锤锤击时力度要适度，避免因力度过大而造成试件和力锤损坏；
b) 由于采用锤击法试验，人员离测试对象较近，从而需注意测量过程中不要碰传感器导线。
六、试验结果
(1) 梁前三阶的固有振动频率
表1 梁前三阶
频率值模态阻尼值振型描述
的固有振动频
率列表频率
(Hz)
第一阶频率
第二阶频率
第三阶频率。
锤击法测量梁构建的模态-工程振动matlab仿真分析
实验报告锤击法测量梁构建的模态姓名：***学号：***指导老师：***院系：***目录1. 实验目的 (1)2. 实验装置 (1)2.1 试件及传感器的布置 (1)2.2 采集系统设置 (2)3. 实验数据处理 (2)3.1 1号传感器与力锤的时域分析 (2)3.2 1号传感器与力锤的频域分析 (3)4. 1号传感器与力锤的频响函数估计 (5)4.1 H1估计 (5)4.2 H2估计 (6)4.3 H1、H2与频响函数之间的比较 (7)5. 估算模态参数 (8)5.1 固有频率、阻尼比的估算 (8)5.2 ANSYS建模进行模态分析 (8)5.3 振型图 (10)5.3.1 一阶振型 (10)5.3.2 二阶振型 (11)5.3.3 三阶振型 (11)1. 实验目的本实验采用LMS模态测试系统对某结构件固有频率进行测量，将实验数据进行处理。
（1）数据频谱分析，获取锤击信号及响应的幅频特性、相频特性、实频和虚频；（2）采用不同的频响函数估计方法对结构频响曲线进行估计，画出幅频、相频、实频、虚频和奈奎斯特图，并进行比较；（3）采用单自由度方法估计结构的频率、阻尼及振型。
2. 实验装置2.1 试件及传感器的布置图2.1.1 试件与传感器的布置图2.2 采集系统设置本次实验采用了锤击法，即用力捶敲击梁结构，采集梁结构振动的相关数据。
实验使用了5个加速度传感器，设置的采样频率：12800Hz，分别率：2HZ；锤击次数为8次，传感器和锤击点的方向设置为X正方向。
3. 实验数据处理3.1 1号传感器与力锤的时域分析图3.1.1 1号传感器与力锤时域图图3.1.2 第七次锤击振动信号时域图如图3.1.1所示，在分析数据后，发现锤击信号比较大，所以对其缩小十倍。
如图3.1.2所示是截取的第七锤的锤击信号。
3.2 1号传感器与力锤的频域分析图3.1.3 1号传感器与力锤频域分析后的幅频、相频图图3.1.4 1号传感器与力锤频域分析后的实频、虚频图图3.1.5 Nyquist图如图3.1.3所示，可以看出此次锤击实验激起了试件的五阶固有频率：一阶是400HZ ,二阶是1080HZ,三阶是2067HZ，四阶是3350HZ，五阶是4818HZ。
梁模态分析实验报告
一、实验目的1. 通过实验了解梁的模态特性，包括固有频率和振型；2. 掌握梁模态分析的基本方法，包括激振、信号采集、数据处理等；3. 熟悉实验设备的操作和调试，提高实验技能。
二、实验原理梁的模态分析是研究结构振动特性的重要手段。
本实验采用共振法进行梁的模态分析，即通过激振使梁产生振动，通过信号采集和数据处理得到梁的固有频率和振型。
三、实验设备与材料1. 实验设备：激振器、加速度传感器、信号采集系统、数据采集卡、计算机等；2. 实验材料：一根等截面简支梁。
四、实验步骤1. 将梁固定在实验台上，确保梁的支承条件符合简支梁的要求；2. 将加速度传感器粘贴在梁上，用于采集梁的振动信号；3. 连接信号采集系统和数据采集卡，确保信号采集系统与计算机正常连接；4. 开启激振器，进行激振实验；5. 采集梁的振动信号，并对信号进行预处理，如滤波、去噪等；6. 利用信号处理软件对采集到的信号进行频谱分析，得到梁的固有频率和振型。
五、实验结果与分析1. 实验数据（1）梁的几何参数：长度L=1000mm，宽度b=50mm，高度h=100mm；（2）材料参数：弹性模量E=2.06×10^5 MPa，密度ρ=7850 kg/m^3；（3）实验得到的固有频率和振型。
2. 实验结果分析（1）固有频率：根据实验数据，得到梁的前三阶固有频率分别为f1=50Hz、f2=120Hz、f3=180Hz；（2）振型：通过频谱分析，得到梁的前三阶振型如图1所示。
图1 梁的前三阶振型从实验结果可以看出，梁的固有频率和振型与理论计算值基本吻合，说明本实验所采用的模态分析方法具有较高的精度。
六、实验总结1. 通过本次实验，掌握了梁的模态分析基本方法，提高了实验技能；2. 熟悉了实验设备的操作和调试，为今后进行类似实验奠定了基础；3. 实验结果表明，本实验所采用的模态分析方法具有较高的精度，为工程实际提供了参考。
七、实验建议1. 在实验过程中，注意激振器的激振频率应与梁的固有频率接近，以提高实验精度；2. 信号采集时，应确保传感器粘贴牢固，避免信号干扰；3. 在数据处理过程中，注意滤波、去噪等预处理步骤，以提高数据质量；4. 实验过程中，应仔细观察梁的振动现象，以便及时发现问题并进行调整。
锤击法在模态分析技术中的研究
锤击法在模态分析技术中的研究摘要：本文重点介绍了试验模态分析的基本理论和试验建模的基本方法。
并通过一个具体的实例说明了锤击法在结构试验模态分析中的具体应用及其特点。
主题词：力锤，试验建模，模态分析1.引言振动测试与分析的是研究结构振动的一种重要的实验方法。
模态分析是振动测试与分析的一种，它主要是通过某种激励方法，使试验对象产生一定的振动响应，继而通过测振仪器直接测量出激励与系统振动的响应特性或直接测量被测对象运转时的振动特性；然后通过一定的信号处理方法，如统计分析、谱分析、相关分析、频响函数分析等，进而确定被测对象的模态参数，如固有频率、阻尼比、振型等。
模态参数为结构物的固有参数，通过它就可能预言结构在某个频段内，在内部或外部各种振源作用下的实际振动响应，从而为结构的动态设计及故障诊断提供重要依据。
结构动力学研究中实验模态分析是一个重要的方面，而实验模态分析技术的基本过程为频率响应函数的测量和参数识别。
必须同时测出使结构产生振动的激励信号和结构的响应信号，才能得到频率响应函数。
激励的方法通常采用激振器和用锤头敲击。
锤击法相对来说设备简单，使用操作方便，特别适用于现场实验，因而应用范围越来越广泛。
1.锤击法的介绍2.1锤击法的基本原理对结构输入一个脉冲的力信号，激起结构微幅振动，同时测出力信号和响应（f），响应信号的自功信号(位移、速度、加速度）。
求出力信号的直功率谱Svv率谱Sxx （f），和力与响应信号的互功率谱Sv x（f）。
即可得出频率响应函数H（f）和相关函数rFx（f）。
（1）（2）单位理想脉冲，冲击持续时间为无穷小，用数学中的狄拉克函数表示为（3）它的傅里叶变换为（4）在锤击过程中由于材料的弹性，冲击持续时间不可能为无穷小，而是有限时间 ,因为脉冲力也不可能为无限大。
假定冲击过程中相互撞击的材料力为理想弹性体，其数学表达式可近似写作（5）它的傅里叶变换为（6）自功率谱函数（7）总能量W（8）2.2锤击法的注意事项2.2.1传感器的选择和安装由于传感器应用十分广泛，类型多种多样，在各行各业都有应用。
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采样率 触发方式
延迟点数 平均方式
预览平均
系统参数设置
参考通道：1-1
设定参考通道
l 工程单位和灵敏度：将两个传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。 传感器灵敏度为KCH（PC/EU）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/s2 ，则此处为PC/ m/s2 。
单击设定 节点的X
坐标
单击设定 节点的Y
坐标
单击设定 节点的Z
坐标
根据实际 情况设定 测点号
导入频响函数数据：单击工具栏按钮“导入数据”，新建一数据文件， 弹出“模态数据文件选择对话框”。
单击“测量类型”按钮，选择测量类型：单点拾振法。 单击“选择文件”按钮，将每个测点的频响函数数据读入模态软件， 本次实验共13组频响数据文件。
灵敏度
工程单位
量程范围：调整量程范围，使实验数据达到较好的信噪比。调整原则：不 要使仪器过载，也不要使得信号过小。
量程范围
灵敏度
量程范围
模态参数：编写测点号和方向。采用单点拾振法时，如果测量1号点的频响 函数数据，在1-1通道（力锤信号）的模态信息/节点栏内输入1，测量方向输 入+Z；响应通道（加速度传感器信号）内输入传感器放置的测点号，方向为 +Z。
（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（本例单点拾振法-跑激励），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x 方向把梁分成十四等份，布置了十三个测点（两端点 视为不动点）。选取拾振点时要尽量避免使拾振点在 模态振型的节点上，此处取拾振点在四号测点处。
•在新建的四个窗口内，分别单击右键，在“信号选择”对话框中设定四 个窗口依次为：频响函数数据、1-1通道的时间波形、相干函数数据和12通道的时间波形,如下图。
（4）参数设置
分析参数设置
采样率：10KHz； 触发方式：信号触发 延迟点数： 200。 平均方式：线性平均 预览平均：√
（8）动画显示
打开模态参数文件和几何模型窗口，在模态参数文件窗口内， 按数据匹配命令，将模态参数数据分配给几何模型的测点。 进入到几何模型窗口，点击动画显示按钮，几何模型将相应 模态频率的振型以动画显示出来。在振型表文件内鼠标选择 不同的模态频率，几何模型上就相应的将其对应的振型显示 出来。
在几何模型窗口内，使用相应按钮可以动画进行控制，如更 换在视图选择中选取显示方式：单视图、多模态和三视图； 改变显示色彩方式；振幅、速度和大小，以及几何位置。
（2）仪器连接 仪器连接如下图所示，其中力锤上的力传感器接动态采
集分析仪的第一通道Biblioteka DH201加速度传感器接第二通道。
实验梁平面图
（ 3 ） 打 开 仪 器 电 源 ， 启 动 DHDAS 控 制 分 析 软 件 ， 选择分析/频响函数分析功能。
•在菜单“ 分析(N) ”选择分析模式“单输入频响”。
锤击法简支梁（固支梁）模态实验
一、实验目的 1、了解模态分析基本原理； 2、了解模态测试及分析方法。
二、实验仪器安装 示意图
力锤
力传感器
加速度传感器
简支梁
动态分析仪
计算机系统及分 析软件
打印机或 绘图仪
安装图
局部安装图
三、实验步骤
实验梁如下图所示，长（x向）700mm，宽(y 向)45mm。用单点拾振法做梁z 方向的振动模态。 具体实验步骤介绍如下。
实验梁一阶振型图：
实验梁二阶振型图：
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
力信号加力窗
启动回放
响应信号加指数窗
（6）模态分析
几何建模：自动创建矩形模型，输入模型的长宽
参数以及分段数；打开结点信息窗口，编写测点
号；
创建平面
Y方向模型长度 X方向模型长度
Y方向分段数 X方向分段数
注：DHMA-V2软件可自动创建矩形、圆、长方体、圆锥体、圆柱体、以 及球，也可选择手动添加的方法，具体请参考帮助文件。
3. 预览平均方式打开后，软件在每次敲击采集数据后，提示 是否保存该次试验数据。需要判断敲击信号和响应信号的 质量，判断原则为：力锤信号无连击，信号无过载。
实验梁的力锤敲击信号：
(5）数据预处理
调节采样数据
采样完成后，对采样数据重新检查并再次回放计算频响函数数 据。一通道的力信号加力窗，在力窗窗宽调整合适。对响应信号加 指数窗。设置完成后，回放数据重新计算频响函数数据。
选中所有频响数 据的上一级目录， 或者单独选中所
有频响文件
参数识别：首先光标选择一个频段的数据，点击参数识别按钮，搜索 峰值，计算频率阻尼及留数（振型）。
光标设定范围 光标设定范围
光标设定范围
搜索峰值
频率计算方法 留数计算方法
显示频率留数
将频率阻尼保 振型存于模态
参数文件
（7）振型编辑
模态分析完毕以后可以观察、打印和保存分析结果，也可以 观察模态振型的动画显示。
测点号
测量方向
注意：
1. 移动敲击时，当力锤移动到其他点进行敲击测量时，就必 须相应的修改力锤通道的模态信息/节点栏内的测点编号。 每次移动力锤后都要新建文件。
2. 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，就要检查仪器是否连接正确、 导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至 波形正确为止。使用适当的敲击力敲击各测点，调节量程 范围，直到力的波形和响应的波形既不过载也不过小。