模态分析综述

模态分析综述1、前言最初是听师兄们说起“模态”这么名词的，但由于各种原因刚开始对模态没有过多的关注，后来选课的时候师兄们极力推荐褚老师的模态分析课，说以后用处很大，于是就毅然决然的选了褚老师的结构模态分析理论与应用这门课。初次上这课并不怎么听得懂，但却被褚老师幽默风趣的讲课风格所吸引！另外褚老师世界著名的振动噪声测量及分析解决方案供应商Brüel&Kæjr中国公司外聘技术专家、技术总工程师的头衔也深深地震撼了我，并且也激发了我去深入了解模态的兴趣，于是在上网和查阅了一些书籍之后对模态分析有了一定的认识，然而遗憾的是目前对于常用的模态分析软件ansys还不是很熟练，所以也就只好先写一下自己对于模态分析的认知了，还望老师海涵！模态分析是近代才被用来研究结构动力特性的一种方法，是被用在工程振动领域中的系统识别上的。模态是机械结构固有的振动特性，每一个模态都具有自己特定的固有频率、阻尼比和模态振型。我想这应该就像每个人都具有自己独特的DNA一样吧，可以根据这个特性来辨识每个人的身份。机械结构的这些模态参数通常是计算机或者实验分析来获得的，而进行计算或者分析的过程就被称之为模态分析。模态分析的过程应该和人类的DNA检测差不多吧。通常将通过试验把采集到的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数的方法称为试验模态分析。通过模态分析的方法可以搞清楚结构物在某一个易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，这样就可以预先知道结构在此频段内在外部或者内部各种振源作用下所产生的实际振动响应。也正因此模态分析成为了结构动态设计以及设备故障诊断的重要方法。其实这样看来，模态分析的过程真的和DNA检测相类似，通过DNA检测也可以知道某个人是否存在先天的生理病因，并及时的得到预防和治疗。2、模态分析的发展过程模态分析技术是起源于上世纪30年代所提出来的将机电进行比拟机械阻抗技术。然而在当时由于测试技术及计算机技术的限制，模态分析技术在很长的时期内发展都很缓慢。到20世纪50年代末期的时候，模态分析技术仍然仅限于离散稳态正弦激振方法。而到了60年代的中后期，以快速傅里叶变换（FFT）为代表的一些数字信号处理技术、参数识别方法以及小型计算机的发展为基础，模态分析的方法应运而生，并且很快在航空、航天、机械、土木等很多的工程领域获得了广泛的应用和发展。在之后的80年代后期，多入多出随机激振技术和识别技术得到了很大程度上的发展。从80年代中期至90年代，模态分析技术在各个工程领域得到普及和深层次应用，尤其是在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及声控分析等方面的应用研究异常活跃，取得了丰硕的研究成果。最近这些年来，模态分析的方法不断的得到完善和提高，并且越来越成熟，现在已经成为了一种热门的分析手段。对于国内来讲，模态分析技术的发展要稍微落后一些。在上个世纪70年代的中期，我国由于各种因素的限制，只有极少数的学者在这方面进行一些探索和研究。到了70年代的后期，模态分析这一概念才逐渐的被我国科技界所知道。到目前为止模态分析技术在我国各个领域中早已被广泛应用，已经成为了一种解决工程问题的有效方法。而在这几十年的发展中，模态分析与试验学会组织的全国性学术交流活动起到了至关重要的作用。我国是在1978年即改革开放的那年由机械行业发起，在西安举办了第一届学术交流会，这个交流会成功的促进了我国模态分析的发展。也因此此后又陆续召开了多次全国性模态分析与试验学术交流会。1985年第4届全国会议时成立了中国模态分析与试验研究会，这一全国性学术组织的成立大大促进了模态分析技术在我国的发展。而之后1986年中国振动工程学会正式成立，模态分析与试验研究会成为它的一个下属专业分会，并正式改名为中国振动工程学会模态分析与试验专业委员会。3、模态分析在工程中的应用随着振动理论及其相关学科的发展，人们早就改变了单单依靠静强度理论进行结构设计的观念。许多结构是在外部激励或自身动力作用下处于运动状态的，这种运动其主要成分往往是振动，如旋转机械的振动，飞行器的振颤，车辆、船舶等交通工具的振动，机床的振动，武器在发射状态下的振动等等。这些机械的设计、评价自然必须考虑动态特性。有些看起来是静态的问题，在结构设计时也必须考虑动态因素的影响。比如说跨海大桥的设计，除考虑静态因素外，风载、浪载、地震载荷及自身动力都是必须设计的因素，同时还必须考虑桥上车辆载荷的影响。高层建筑也必须进行风载、地震载荷的影响预估。载有旋转机械的厂房，如电厂，特别是核电站的防护层和厂房，动态载荷往往是设计的主要考虑因素。还有一些结构，静强度或者动强度并不是设计的主要标准，但却要求有良好的振动特性，如空调、洗衣机、微波炉等电器产品的设计不当会引发很大的噪声；音响、乐器等要求有优良的发声效果。事实证明，振动特性分析在结构设计和评价中具有极其重要的位置。特别是随着现代工业的进步，许多的产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，振动分析越来越重要。作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析或实验模态分析为各种产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准，而围绕其结果开展的各种动态设计方法更使模态分析成为结构设计的重要基础。特别是计算机技术和各种计算方法(如有限元法)的发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。模态分析的应用大致可分为以下四类。1)模态分析在结构性能评价中的直接应用根据模态分析的结果，即模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态远离工作频率，具体地说就是要求工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内；对结构振动贡献较大的振型，应使其不影响结构正常工作。这是模态分析的直接应用，已成为工程界的基本方法。2)态分析在结构动态设计中的应用以模态分析为基础的结构动态设计，是近年来振动工程界开展的最广泛的研究领域之一。众所周知，传统的机构设计，在考虑动态因素的结构修改时，是以经验和反复实践为主要手段。因为尽管依据模态分析结果和响应试验容易判断出初步的结构性能缺陷，但在结构修改问题上却往往茫然无所知，设计工程师只能依据经验和现有条件进行反复修改和实测，有时甚至将原设计完全推翻重新设计。这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达到最优。有限元法(FEM)和试验模态分析(EMA)为结构动态设计提供了两条最主要的途径。在围绕着两种基本方法所展开的结构动态设计研究工作中，人们提出了很多的方法。这些方法可归为以下6类：载荷识别；灵敏度分析；物理参数修改；④物理参数识别；⑤再分析；⑥结构优化设计。他们分别从不同方面解决了结构动态设计中的部分问题，某几种方法的组合可做到结构的优化设计。3)模态分析在故障诊断和状态监测中的应用利用模态分析得到的模态参数等结果进行故障判别，日益成为一种有效而实用的故障诊断和安全检测方法。如根据模态频率的变化判断裂纹的出现，根据振型的分析判别裂纹的位置，根据转子支承系统阻尼的改变判断和预测转子的失稳，土木工程中依据模态频率的变化判断水泥柱中是否有裂纹和空隙等。4)模态分析在声控中的应用声音控制包括振动的利用和抑制振动两个方面。抑制诸如机车车辆、汽车、内燃机、工程机械等结构振动的辐射噪音是目前重要的研究领域之一，模态分析理论为分析噪声产生的原因及相应的治理措施提供了有效的方法。在振动利用方面，模态分析在音箱设计、大钟设计等实例中均收到良好效果。