模态试验及分析的基本步骤

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。