北航综合实验

综合实验课报告

几种典型机构的模态参数测量方法及比较试验

学院名称航空科学与工程学院

专业名称固体力学

学生姓名朱超磊

指导教师赵寿根

2015 年 6 月

北京航空航天大学综合实验课报告第I 页

目录

1引言 (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 现有的研究方法 (1)

1.3 实验目的和内容 (1)

2 实验仪器和设备 (1)

3 实验材料和试件 (1)

4 实验结果分析 (2)

5 结论 (2)

6 实验总结、建议或感想 (2)

7 参考文献 (2)

1引言

在航天、机械、土建和水利等领域，传统静强度，静刚度等结构设计和分析方法已经不能满足许多工程的需求，因此需要进行动态分析，对材料和结构的振动特性进行研究。同时，振动主被动控制也成为了动力学设计的主要问题之一，这些都要求对振动现象和振动特性做更深入的研究。振动测试设备和数据分析处理方法的发展，如非接触激光测振仪器和小波方法的发展等，是许多动力学环境试验及分析成为可能。计算机科学的迅速发展也为复杂的振动问题的数值模拟和处理提供了有效的工具。

1.1研究背景及意义

悬臂薄平板结构是机械工程领域的一种常见结构，该结构广泛应用于飞机制造领域之中，如机翼、太阳能板等。然而该结构在外界激振源的长期激振下容易发生变形，严重的变形会引起薄板结构的损坏。因此，研究悬臂薄板结构的共振特性，对于机械设计和制造有非常重要的意义。

1.2现有的研究方法

目前针对悬臂薄板的共振模态分析主要有数值计算法，有限元分析法和实验法。利用数值分析方法求解被测物的共振模态需要严格的边界条件，而对于本文所述的悬臂薄板，理论上只能利用瑞利-利兹法得到近似解。有限元分析法是将被测板分割成若干无限小的单元进行分析，该方法能够分析复杂形态物体在不同边界条件下的共振模态，但需要消耗大量的时间，且无法在线测量。实验法是一种精确的分析方法，包含激光多普勒测振法和振幅波动电子散斑干涉术。本次试验采用的是激光多普勒测振法和锤击法，对于激光多普勒测震法，由于是非接触测量，激光多普勒测振仪在测量过程中对物体的振动形态不产生影响，且动态测量范围很宽。传感头较小，被放置在物体前方某一合理位置，距离一般为0.04-5米，如果配备商业化的标准镜头，测量距离可以达到10米。这样可以实现高温物体振动响应的测量，而不损伤传感头，故在工程实践中广泛采

用。

在激光多普勒测振的过程中，对测量精度造成影响的外界因素有：激光束的会聚点因被测物体的振动而离焦物体表面；测量系统的机械稳定性；激光束本身的强度分布；被测物体的表面效应等；当被测物体表面沾染了油或水时，将影响表面反射光的能量和特性（随机反射），造成测量误差。当测量旋转体的振动时，由于被测物体表面的粗糙度和形状等因素，有时会造成反射光的瞬时消失，从而影响测量信号质量。

该方法需要逐点地测量被测薄板，因此精度和速度都依赖于被测板的测量点数，当测量点选取较多时，会严重影响测量速度。而本次试验采用的就是前者方法，区别只是起震装置不同，分别采用锤击法和声波起震法。

锤击法与激光测振仪的数据处理系统相同，区别在于锤击法数据采集系统为粘贴在被测板上的加速度传感器，它是通过给结构施加一个激振力，激起结构振动，测量结构响应及激振力之间的频率响应函数，来寻求结构的模态参数。因此，实验模态分析方法也称测力法模态分析。在测量频率响应函数时，可采用力锤和激振器两种激励方式。

力锤激励方式简单易行，特适合现场测试，一般支持快速的多参考技术和小的各向同性结构。由于力锤移动方便，在这种激励方式下，一般采用的是多点激励，单点响应方式，即测量的是频率响应函数矩阵中的一行。激振器激励时，由于激振器安装比较困难，多采用单点激励、多点响应的方法，即测量的是频率响应函数矩阵中的一列。这种激励方式可使用多种激励信号，且激振能量较大，适合于大型或复杂结构。

1.3实验目的和内容

1.掌握简谐振动基本参数（频率、振幅、速度、加速度等）的测试方法；

2.学习常用测振传感器及其配套仪器的一般操作；

3.掌握单自由度系统固有频率和阻尼系数的测试及相关测振设备的正确使用；

4.学习计算机对振动信号的采集、检测、分析技术；

2 实验仪器和设备

激振器（小锤或音箱）、电动振动系统（振动台）、加速度传感器、激光测振仪、数据采集系统、力传感器、放大系统

①激光测振仪方法

1．将非接触激振器（音箱）接入激振信号源输出端，把激振器对准钢板，保持一定的初始间隙（约为8～10mm），使振动时激振器不碰撞质量块。

2．开启激振信号源的电源开关，对系统施加交变正弦激振力，使系统产生振动，调整信号源的输出调节开关便可改变振幅大小。调整信号源的输出调节开关时注意不要过载。

3．激振频率由低到高逐渐增加，当观察到系统出现如下图所示的第一阶振型且振幅最大时，信号源显示的频率就是系统的一阶固有频率。依此下去，可得到如图所示的第二、三阶振型和二、三阶固有频率。

3 实验材料和试件待测钢板

4 实验结果分析

②锤击法

1、测点的确定（建模）

由于梁在y、z方向和 x方向尺寸相差较大，所以，可以将梁简化为杆件，只需在x方向顺序布置若干敲击点即可。敲击点的数目要根据测量的模态阶数来定，一般情况下，敲击点数目要多于所要测量的阶数。实验中将梁在x方向10等份，即可布9个测点。选取拾振

点时要尽量避免将拾振点放置在所要测量的模态振型的节点上。

2、仪器连接

将力锤上的力传感器通过电荷放大器接到采集器的通道1，压电加速度传感器通过电荷放大器接到采集器的通道2。 3、打开仪器电源，双击控制分析软件，选择分析/频响函数分析功能。在新建的四个窗口内，分别显示频响函数数据、通道1的时间波形、相干函数和通道2的时间波形。

4、参数设置

1）分析参数设置：

采样率：由测量频率范围选定(分析频率取整)

采样方式：瞬态

触发方式：信号触发

延迟点数： -200

平均方式：线性平均

平均次数：5

时域点数:1024或2048

频域点数：800

预览平均：√

2）系统参数设置

参考通道：通道1

工程单位和灵敏度：在灵敏度设置栏内输入相应通道传感器的灵敏度。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，在参数表中工程单位设为牛顿N，则此处为PC/N；如是加速度，参数表中工程单位设为m/s2 ，则此处为PC/ m/s2。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。

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，在通道1（力锤信号）的模态信息/节点栏内输入1，测量方向输入+Z；通道2（加速度传感器信号）内输入传感器放置的测点号，方向为+Z。当力锤移动到其他点进行敲击时，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。

5、预测试。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。

6、正式测量。按编写好的敲击点以此进行敲击，由于预览平均方式处在打开状态，软件在每次敲击采集数据后，会提示是否保存该次试验数据。若力锤信号无连击，力和响应信号均无过载，且相干函数较好，就选择“保存”本次测试数据。若力锤信号有连击，力和响应信号有过载，就不要保存本次测试数据，可选择“否”，重新对该点进行敲击和测量。

7、数据预处理

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。对力信号加力窗，力窗窗宽要调整合适，对响应信号加指数窗。回放数据重新计算频响函数数据。

8、模态分析

1）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；打开节点坐标栏，编写测点号；

2）导入频响函数数据：从上述实验得到数据文件内，将每个测点的频响函数数据读入模态软件，注意选择测量类型，采用单点拾振测量方式；

3）参数识别：首先用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）。

9、动画显示

打开振型表文件和几何模型窗口，在振型表文件窗口内，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。在振型表文件内用鼠标选择不同的模态频率，几何模型上就会相应的将其对应的振型显示出来，上图为简支梁的前四阶振型的彩色动画显示。在几何模型窗口内，使用相应按钮可以对动画进行控制，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。

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③振动台

电动式振动台，是目前使用最广泛的一种振动设备。它的频率范围宽，小型振动台频率范围为0~10kHz，大型振动台频率范围为0~2kHz，动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。原理：是根据电磁感应原理设置的，当通电导体处的恒定磁场中将受到力的作用，半导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。组成部分：基本上由驱动线圈及运动部件、运动部件悬挂及导向装置、励磁及消磁单元、台体及支承装置。

1、试验目的是对天线模块进行试验模态分析，确定其固有频率、阻尼比和振型。试验内容是对被测试件施加激振力，同时测定激励与响应信号，对不同测点重复以上过程，得到各测点的频响函数曲线，根据频响函数曲线进行模态参数识别。

2、试验设备有振动台系统、加速度传感器、脉冲锤、电荷放大器、同步采集卡、计算机。

3、试验准备

1）试件的支撑试中使结构系统处于何种状态，是实验准备工作的一个重要方面。一种是经常采用的自由状态。即使实验对象在任一坐标上都不与地面相连接，自由地悬浮在空中。如放在很软的泡沫塑料上；或用很长的柔索将试件吊起而在水平方向激振，可认为在水平方面处于自由状态。另一种是地面支承状态，结构上有一点或若干选定点与地面固结。如果我们关心实际工况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行实验。本试验中，因为试件安装于振动台上，所以采用地面支撑的方式，为了减少地基的干扰，在振动台四个脚布设橡胶垫。

3、试验系统

搭建试验分析系统。采集卡分别采集各测点信号并保存信号，对保存的信号进行分析，识别模态参数。

5、试验模态分析系统的软件应用

根据试件建立模型，并标出各测点的相对位置。结构模型建立完毕，进入数据采集模块，信号采集完毕，进入频响函数分析模块。首先查看采样得到的信号相干性，在信号相干

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性较好的情况下可进行频响函数分析。频响函数分析完毕，进入参数识别模块，根据估计得到的频响函数值采用分量分析法识别参数。根据频响函数幅值谱峰值情况划分频带，分别对各个频带进行正交多项式拟合，根据拟合后的频响函数识别模态参数，最后根据各测点频响函数信息识别结构振型。

5 结论

对于悬臂方板（二维弹性体），振动时其上下不动点（节点）会形成一条线，称为节线（即节点连续构成的线）。不同阶次的模态对应的结线位置也不同，从上图也可以看出。由此可知，在测振方法中，锤击法、激光多普勒测振方法等，都在科学研究及工程实践中得到了应用，产生了很大的社会效益和经济效益。同时，工程中的振动问题，尤其是现代电子工业和信息工程中的大量问题，具有高频率振动、多尺度（宏、微、纳观）、多场（温度、湿度、电、磁、辐射）联合作用等特点，也给上述方法提出了更高的技术要求。事实上，振动测量方法正在不断地改进，仪器和设备正在不断地更新。激光振动测量已成为力学、光学、机械电子、计算机等多学科交

6 实验总结、建议或感想

本次试验让我们对振动现象，振动问题的研究方法和响应的设备有了更深刻的认识和了解。试验和理论分析往往是相辅相成的，通过对实验结果的分析不仅可以对理论研究提供依据，还能发现很多理论研究中没有出现的现象和问题，例如模态实验对有限元方法发展有着重要意义。

通过模态分析和有限元分析结合使用，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。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。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。两套模型频谱一致性和振型相关性分析。

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利用有限元模型仿真分析解决实验中出现的问题！

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；

7 参考文献

[1]工程振动基础………………………………………………李敏邢誉峰

[2]武锦辉，杨瑞峰，王高，等. 用散斑干涉光谱分布检测瞬态温度 [J]. 光电工程，

2012，39(9)：132-137.