模态分析中的几个基本概念
实验模态分析简介
工程振动与测试
（1）幅频图识别步骤如下：
c、由共振峰值Hm和阻
尼比求得刚度为
k
1
2Hm 1 2
d、由固有频率和刚度求 得质量为
m=k/ n2
Testing Techniques
工程振动与测试
（2）相频图 识别步骤如下：
a、由()=
－/2点确定系统的 共振频率pd，其位 置与阻尼无关，由
此n=pd 。
Testing Techniques
工程振动与测试
（1）幅频图识别步骤如下： a、由共振峰极值Hm求得半功率点幅值为
HP=0.707Hm，由半功率点HP的带宽求得衰减系 数近似值为
n (2 1)
2
b、由峰值位置得共振 频率pd，固有频率为
n pd2 n2
则
n
n
Testing Techniques
工程振动与测试
第15章 实验模态分析简介
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。
在物理坐标系统中，弹性力和阻尼力往往和两 座标的相对位移与相对速度有关，即对应的矩阵为 非对角阵，对于有成千上万自由度的系统，解非对 角阵（或耦合方程）既费时又会产生很大误差，向 量并不一定正交。
幅频实部曲线和幅频虚部曲线表达式与幅频特性 曲线和相频特性曲线表达式的关系为
H ( ) [H R( )]2 [H I ( )]2
( )
H 1( ) H R ( )
arctg
2 1 2
Testing Techniques
工程振动与测试
测单 频自 响由 特度 性系 曲统 线的
实
这些特性曲线主要应用于参数识别。
机械系统动力学特性的模态分析
机械系统动力学特性的模态分析机械系统动力学是研究物体在受到外力作用下的运动规律和机械系统动态特性的学科。
其中，模态分析是一种重要的方法，用于研究机械系统的固有振动特性。
本文将介绍机械系统动力学特性的模态分析方法及其应用。
一、模态分析的基本概念模态分析是研究机械系统振动模态的一种方法。
模态是指机械系统在自由振动状态下的振动形式和频率。
模态分析通过分析机械系统的初始条件、约束条件和外力等因素，确定机械系统的固有频率和振型，并进一步得到机械系统的振荡特性。
二、模态分析的基本步骤模态分析一般包括以下几个步骤：1. 系统建模：根据实际情况，将机械系统抽象为数学模型，包括质量、刚度、阻尼等参数。
2. 求解特征值问题：通过求解系统的特征值问题，得到系统的固有频率和振型。
3. 模态验算：将得到的固有频率和振型代入原始方程，验证其是否满足振动方程。
4. 模态分析：通过对系统的振动模态进行进一步分析，得到系统的动态响应和振动特性。
三、模态分析的应用模态分析在机械工程领域有广泛的应用。
主要包括以下几个方面：1. 结构优化设计：通过模态分析，可以评估机械系统的固有频率和振型，判断系统是否存在共振现象或其他异常振动情况，为结构设计提供依据。
2. 动力学特性分析：通过模态分析，可以了解机械系统的振动特性，包括固有频率、阻尼特性和模态质量等指标，为系统的动力学性能评估和优化提供依据。
3. 故障诊断与预测：模态分析可以用于机械系统的故障诊断和预测。
通过对机械系统振动模态的变化进行监测和分析，可以判断系统是否存在故障，并提前发现潜在的故障。
4. 振动控制技术：通过模态分析，可以了解机械系统振动的特征，并采取相应的振动控制措施。
比如调节系统的阻尼、改变系统的刚度等，来减小系统的振动幅度，提高系统的稳定性和工作性能。
四、模态分析存在的问题与挑战模态分析作为一种成熟的技术方法，仍然面临一些问题和挑战。
例如，模态分析需要对机械系统进行精确的建模，包括质量、刚度和阻尼等参数的准确度和全面性。
模态分析的相关知识(目的、过程等)
模态分析的好处： • 使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）； • 使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响
应的； • 有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。
建议： 由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情
况，所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分 析。
M2-28
模态分析步骤
观察结果（接上页）
列出自然频率： • 在通用后处理器菜单中选择 “Results Summary”； • 注意，每一个模态都保存在单独的子步中。
典型命令:
/POST1
SET，LIST
2021/10/10
M2-29
模态分析步骤
观察结果 （接上页）
观察振型： • 首先采用“ First Set”、“ Next
章
模态分析
2021/10/10
M2-1
模态分析
第一节： 模态分析的定义和目的 第二节： 对模态分析有关的概念、术语以及模态提取方法的讨论 第三节： 学会如何在ANSYS中做模态分析 第四节： 做几个模态分析的练习 第五节： 学会如何做具有预应力的模态分析 第六节： 学会如何在模态分析中利用循环对称性
的SPIN（旋转速度，弧度/秒）选项来说明陀螺效应； – 计算以复数表示的特征值和特征向量。
• 虚数部分就是自然频率； • 实数部分表示稳定性，负值表示稳定，正值表示不确定。
注意:
• 该方法采用Lanczos算法
• 不执行Sturm序列检查,所以遗漏高端频率
• 不同节点间存在相差
• 响应幅值 = 实部与虚部的矢量和
化：。 – 对振型进行相对于质量矩阵[M]的归一化处理是缺省选项，这种
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”。
ansys模态分析
*将与后面讨论
1-21
模态分析步骤
… 选择分析类型和分析选项
模态提取选项：
培训手册
ANSYS80模态分析——段志东制作
•
方法： 建议对大多数情况使用分块Lanczos
法
• •
振型数目： 必须指定（缩减法除外） 频率范围： 缺省为全部，但可以限定于某个
培训手册
1-11
ANSYS80模态分析——段志东制作
模态分析 – 术语和概念
… 模态提取法 – 缩减法
• 如果模型中的集中质量不会引起局部振动，例如象梁和杆那样，可以使 用缩减法：
– 内存和磁盘要求较低
– 它是所有方法中最快的 – 使用矩阵缩减法，即选择一组主自由度来减小[K]和[M]的大小 – 缩减的刚度矩阵[K]是精确的，但缩减的质量矩阵[M]是近似的 – 质量矩阵[M]精确程度取决于主自由度的数目和位置 – 通常不推荐使用，因为： • 在选择主自由度需要有很高的要求 • 分块Lanczos 法能有效的取代该方法 • 降低了硬件的花费
建议： 由于结构的振动特性决定了结构对于各种动力载荷的响应情况，
所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。
1-4
模态分析
B. 术语与概念
• 动力学通用运动方程：
培训手册
Cu Ku Ft M u
• 假定为自由振动并忽略阻尼：
ANSYS80模态分析——段志东制作
培训手册
ANSYS80模态分析——段志东制作
• 只能使用线性单元 • 材料可以是线性的、各向同性或各向异性的、恒定或温度相关的 • 定义的任何非线性性质均会被忽略
模态分析基本理论
+ +
(C1 (C2
+ +
C2 C3
)x&1(t) - C2x&2 (t) )x&2 (t) - C2x&1(t)
+ +
(K1 (K2
+ K2 )x1(t) - K2x2 (t) + K3 )x2 (t) - K2x1(t)
= =
f1 (t) f2 (t)
第三节 多自由度振动系统举例
一 系统方程
写出矩阵形式：
\
eλ1 t
\
e∧t
\
=
O
0
eλN t
eλ*1 t
0
O
e
λ*N
t
第四节 多自由度系统相关模态概念
一 无阻尼系统
阻尼矩阵[C]为零矩阵的系统
系统阻尼因子σ r = 0 ，全为纯虚数极点 λ1 = jω,L , λ*N = − jωN
系统方程：
P2 + Pα Pβ+1
[M]
+
[K
]{x}
=
{0}
比例阻尼系统频响函数
\
或 [H( jω)] = [ψ]
[ ] ∑ { } { } H(jω)
=
N
j2ωr Qr
ψ
r
ψ
T
r
r =1
(σ
2
r
+
ω
2
r
-
ω
2
)
-
2σ
r
振动力学模态
振动力学模态分析振动力学模态分析是指对结构进行振动试验或数值模拟计算，得到结构在不同频率下的振型和振幅，以及相应的固有频率、阻尼比等参数。
通过模态分析可以了解结构的动态特性，为结构设计和优化提供依据。
一、模态分析基本概念1. 模态模态是指一个系统在某一固有频率下的振型。
在模态分析中，每一个固有频率都对应着一个独特的振型，称为该系统的一个模态。
2. 固有频率固有频率是指一个系统在自由振动时所具有的特定频率。
它只与系统本身的质量、刚度和几何形状等因素有关，而与外界作用力无关。
3. 阻尼比阻尼比是指结构在自由振动过程中能量损失的程度。
它是实际阻尼与临界阻尼之比，通常用百分数表示。
二、模态分析方法1. 实验方法实验方法是通过对结构进行加速度传感器等测量设备布置，采集不同点位加速度数据，并经过滤波处理后计算出各个固有频率和相应的振型。
实验方法对于大型结构和复杂结构有很好的适用性，但需要耗费大量时间和人力物力。
2. 数值模拟方法数值模拟方法是通过有限元分析等计算手段，计算出结构在不同频率下的振型和固有频率等参数。
数值模拟方法具有计算速度快、成本低、可重复性好等优点，但需要对结构进行准确的建模和较为准确的材料参数。
三、模态分析应用1. 结构设计在结构设计过程中，通过模态分析可以了解结构在不同频率下的振动特性，避免设计中出现共振现象，并优化结构刚度和质量分布等参数。
2. 故障诊断通过对机械设备进行模态分析，可以检测出设备存在的故障类型及其严重程度。
例如，当设备出现轴承故障时，会引起系统固有频率发生变化，产生新的振型。
3. 振动控制通过对系统进行模态分析并针对其固有频率进行控制，在一定程度上能够降低系统振动幅值，并减少由此带来的噪声和振动损伤。
四、模态分析注意事项1. 选择合适的模型在进行模态分析前，需要对结构进行准确的建模。
模型的准确性对于分析结果的精度有很大影响，因此需要根据具体情况选择合适的建模方法和参数。
实验模态分析
二、频响函数的测量
3 试件及激振器的支撑 激振器： 1.固支在结构物外。 2.悬挂在结构物外（低频）。 因使激振器悬挂系统的频率远低于结构的激励和弹性体共振频率。必 要时可在激振器上附加大的质量块以进一步降低悬挂频率。 3.采用隔振悬挂在结构物内部。
二、频响函数的测量
二、频响函数的测量
4 测点布置与激振点的选择 测点布置 1.能够较好地反映结构物的构型 2.能够充分显示结构的模态振型 例：一个梁单元无法求解简支梁的10个模态。计算上一般要求至 少20个单元，计算出的20阶模态，只有前10阶准确。 激励点 应避开节点节线。多点激励进行校合。 激励力的选择 在不破坏试件的情况下，尽可能大的激励力，有助于提高信噪 比。 不同大小的激励力，可以定性考查结构非线性的程度
三、曲线拟合方法
频域方法：基于FRFs数据的方法 经典方法，分析仪厂商自65年起开发。如美国HP系列分析 仪：3560、35665、35670、3565s、5423等；丹麦 B&K公 司的模拟分析仪；SISO、SIMO、MIMO识别方法； 最小二乘频域法LSFD 结构系统参数识别ISSPA 复模态指数函数CMIF 利用输入和输出数据进行模态参数识别： 单输入/单输出识别法（SISO） 单输入/单输出识别法（SIMO） 多输入/多输出识别法（MIMO）
二、频响函数的测量
3 试件及激振器的支撑 2.固支支承（Fixed-Fixed Support）。又称地面支承。 理论上容易实现，仿真计算时只需要将有关自由度约束即可。但 实现起来有困难。由于实现固支条件的结构不可能是刚性的，有弹 性。因此要实现固支支承，就必须要求支承结构的最低弹性体频率远 高于试验结构的最高分析频率。因此要实现高频模态的固支支承是很 困难的，一般情况下，中小结构能够实现的固支频率大约是400Hz， 特殊条件下小结构固支有可能超过1000Hz，但对大结构要实现固支 支承很困难。 3.实际工作状态支承。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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。
模态数指一个结构拥有模态的个数？
对一般形状的振型，它可以看成是很多不同阶的形状的组合。
阶数与振型相对应。
有多少个振型就有多少个阶数。
对应基本周期的振型称为第一阶振型，比第一周期略小的（第二周期）对应的振型称为第二阶……第n阶，依次类推。
从理论上来说，任何结构的固有频率都有无限多个，按频率大小排列，数值最小的为一阶频率。
但在用有限元进行计算时只能求出有限多个固有频率(与无约束的自由度个数相同)，且阶数越高，误差越大。
但对实际结构有意义的恰是频率较小的若干阶频率。
然而，为了便于对模态进行称呼，就以模态频率的大小进行排队，这种排队的顺序往往就是所谓的“阶”。
一个系统有几阶模态，理论上是N个自由度系统存在N个模态，而低阶模态的模态刚度相对比较弱，在同样量级的激励作用下，响应会相对所占的权值大一些，所以，工程上低阶模态比较被受关照，理论上低阶模态理论也相对成熟。
模态分析有什么用处？
模态分析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；
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。
模态参数有那些？
模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。
模态分析和有限元分析怎么结合使用？
1）利用有限元分析模型确定模态试验的测量点、激励点、支持点（悬挂点），参照计算振型队测试模态参数进行辩识命名，尤其是对于复杂结构很重要。
2）利用试验结果对有限元分析模型进行修改，以达到行业标准或国家标准要求。
3）利用有限元模型对试验条件所产生的误差进行仿真分析，如边界条件模拟、附加质量、附加刚度所带来的误差及其消除。
4）两套模型频谱一致性和振型相关性分析。
5）利用有限元模型仿真分析解决实验中出现的问题！
如何修正有限元分析的结果？
用试验模态分析的结果怎么修正有限元分析的结果？1）结构设计参数的修正，可用优化方法进行。
2）子结构校正因子修正。
3）结构矩阵元素修正，包括非零元素和全元素修正两种。
4）刚度矩阵和质量矩阵同时修正。