1、试验模态分析概述试验模态分析概述 试验模态分析技术试验模态分析技术:通过对样机或结构形式相同的准通过对样机或结构形式相同的准样机的测试，将采集的测试数据应用相应的识别技术，识样机的测试，将采集的测试数据应用相应的识别技术，识别出系统的模态参数，用于对该系统动态特性的优化设计。别出系统的模态参数，用于对该系统动态特性的优化设计。u 由于有一些参数如结合部阻尼和某些边界条件等难以由于有一些参数如结合部阻尼和某些边界条件等难以获得较准确的数值，因此，仅靠理论分析计算很难获得获得较准确的数值，因此，仅靠理论分析计算很难获得准确的结果。准确的结果。试验模态分析的必要性：试验模态分析的必要性：u 理论计算
2、结果也需要通过试验实测数据加以验证，以理论计算结果也需要通过试验实测数据加以验证，以检验其计算结果的精度。检验其计算结果的精度。实验模态分析技术己被广泛应用实验模态分析技术己被广泛应用于汽车、飞机等大型于汽车、飞机等大型机械结构上的振动和模态参数识别问题。机械结构上的振动和模态参数识别问题。1.实验模态分析的基本过程实验模态分析的基本过程实验模态分析主要由实验模态分析主要由4个步骤构成：个步骤构成：1）建立试验装置）建立试验装置，即悬挂或约束试件、安装传感器与，即悬挂或约束试件、安装传感器与激振器、连接数据采集分析系统、传感器校准等；激振器、连接数据采集分析系统、传感器校准等；2）数据采集，）
3、数据采集，即在关心的频段内对频响函数进行估计；即在关心的频段内对频响函数进行估计；3）系统识别，）系统识别，从测得的输入从测得的输入/输出数据中确定系统的动输出数据中确定系统的动态特性；态特性；4）结果验证及动力学修改，）结果验证及动力学修改，对所得结果进行验证并按对所得结果进行验证并按照试验结果对系统进行动力学修改。照试验结果对系统进行动力学修改。试验模态测试的主要目的是准确得到所测系统的频率试验模态测试的主要目的是准确得到所测系统的频率响应函数响应函数（FRF），继而通过各种模态识别方法得到系统继而通过各种模态识别方法得到系统的模态参数。的模态参数。1.实验模态分析的基本过程实验模态分析的
4、基本过程汽车车身实验模态分析汽车车身实验模态分析 （1）将被测车身将被测车身用四个螺旋弹簧悬吊用四个螺旋弹簧悬吊在刚性良好的试验台在刚性良好的试验台架上以模拟自由边界架上以模拟自由边界条件，车身保持水平，条件，车身保持水平，悬挂点选择在振幅较悬挂点选择在振幅较小的位置，靠近尽可小的位置，靠近尽可能多的低阶全局模态能多的低阶全局模态的振型节点，与车身的振型节点，与车身的连接处为四个质量的连接处为四个质量很小的挂钩，如图很小的挂钩，如图6.4-1所示。所示。图图 6.4-1 白车身模态试验白车身模态试验 1.实验模态分析的基本过程实验模态分析的基本过程 在计算机中建立被测车在计算机中建立被测车身的
5、身的CAD模型，如果模型，如果6.4-2所示。对加速度传感器和所示。对加速度传感器和力传感器进行校准后，安力传感器进行校准后，安装到被测车身上。连接数装到被测车身上。连接数据采集分析系统和激振器据采集分析系统和激振器功率放大器系统。功率放大器系统。图图 6.4-2 整车模型及测点布置图整车模型及测点布置图 为防止丢失模态和提高信噪比，为防止丢失模态和提高信噪比，激振点应尽量避开各激振点应尽量避开各阶模态振型的节点。阶模态振型的节点。另外，激振点位置的刚性要大以防止另外，激振点位置的刚性要大以防止局部变形，并能将激振力较均匀地传到车身的其它部位。局部变形，并能将激振力较均匀地传到车身的其它部位。
6、所以激振器选在车的左前方底盘处激振，激振方向由下向所以激振器选在车的左前方底盘处激振，激振方向由下向上。上。激振器激振器基座与基础刚性连接以保证在低频段对结构有基座与基础刚性连接以保证在低频段对结构有较大的激振力，激振器与力传感器之间以直径较大的激振力，激振器与力传感器之间以直径3mm，长度，长度80mm的细长杆连接，一方面可以保证激振力沿杆长方向的细长杆连接，一方面可以保证激振力沿杆长方向传递，另一方面起到过载保护的作用。传递，另一方面起到过载保护的作用。（2）测试频响函数测试频响函数 由于我由于我们关心汽车在低频们关心汽车在低频0200Hz频频段的动态特征，因此设置采段的动态特征，因此设置
7、采样频率为样频率为512Hz。由于需要将。由于需要将信号转到频域进行分析，为信号转到频域进行分析，为减少对随机时域信号的截断减少对随机时域信号的截断所造成的能量泄漏，选用所造成的能量泄漏，选用汉汉宁窗宁窗来抑制泄漏。然后对频来抑制泄漏。然后对频响函数进行估计。响函数进行估计。1.实验模态分析的基本过程实验模态分析的基本过程汽车车身实验模态分析汽车车身实验模态分析 图图 6.4-3 测得的测得的324条频响函数曲条频响函数曲线的集总显示线的集总显示 （3）对频响曲线进行模态参数识别。识别后的各阶模对频响曲线进行模态参数识别。识别后的各阶模态固有频率和阻尼比如表态固有频率和阻尼比如表6.4-1所示
8、。所示。阶数阶数1234567固有频率固有频率（Hz）22.72733.537.243.151.959.7阻尼比阻尼比（）（）2.232.083.451.61.831.491.6表表6.4-1 各阶模态参数各阶模态参数1.实验模态分析的基本过程实验模态分析的基本过程汽车车身实验模态分析汽车车身实验模态分析 识别到的前两阶模态振型如图识别到的前两阶模态振型如图6.4-4，6.4-5所示。所示。1.实验模态分析的基本过程实验模态分析的基本过程汽车车身实验模态分析汽车车身实验模态分析 图图 6.4-4 一阶扭转模态振型一阶扭转模态振型 图图 6.4-5 一阶弯曲模态振型一阶弯曲模态振型（4）还可以对
9、车身进行结构动力学修改。还可以对车身进行结构动力学修改。（1）激振方法的选择）激振方法的选择2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题u单点激振与多点激振的选择单点激振与多点激振的选择 从原理上讲，多点激振的能量输入合理，在结构中的从原理上讲，多点激振的能量输入合理，在结构中的传播均匀，因而测试精度较单点激振高。但在有些情况下传播均匀，因而测试精度较单点激振高。但在有些情况下采用单点激振也可达到所要求的精度，且有更合理的经济采用单点激振也可达到所要求的精度，且有更合理的经济与人力投人。在这两种方法之间做选择时，与人力投人。在这两种方法之间做选择时，应综合衡量决应综合衡量决定取舍。定取
10、舍。对于较大型的和柔软的结构对于较大型的和柔软的结构，由多部件组合的复杂结，由多部件组合的复杂结构，材料性质较复杂和存在一些弱非线性因素的结构，如构，材料性质较复杂和存在一些弱非线性因素的结构，如车床、车辆、飞机、火箭等，应车床、车辆、飞机、火箭等，应采用多点激振采用多点激振，以保证足，以保证足够的激振能量、测试结果的一致性和良好的分析精度。够的激振能量、测试结果的一致性和良好的分析精度。对于较小型、较刚硬、由简单部件组成的结构对于较小型、较刚硬、由简单部件组成的结构，如梁、，如梁、板、刚架及相应的简单结构，对于经济上、设备上尚无法板、刚架及相应的简单结构，对于经济上、设备上尚无法应用多点激振
11、的结构，应用多点激振的结构，采用单点激振采用单点激振设备是合理的。设备是合理的。u激振信号的比较和选择激振信号的比较和选择2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 由于由于正弦激励信号、随机激励信号和瞬态激励信号正弦激励信号、随机激励信号和瞬态激励信号等等各在一定的场合下具有其优点，没有哪一种在各方面都占各在一定的场合下具有其优点，没有哪一种在各方面都占优势的激励信号，所以，在具体应用时应根据具体情况合优势的激励信号，所以，在具体应用时应根据具体情况合理选择。选择时可考虑以下几个因素：理选择。选择时可考虑以下几个因素：1）测试精度。）测试精度。测试误差在正常情况下主要是由泄漏、噪测
12、试误差在正常情况下主要是由泄漏、噪声等引起的。从泄漏、信噪比和有效值声等引起的。从泄漏、信噪比和有效值/峰值比等因素考峰值比等因素考虑，瞬态随机和步进正弦有突出的优点。虑，瞬态随机和步进正弦有突出的优点。2）测试时间。）测试时间。一是指整个测试耗用时间，二是指测试系一是指整个测试耗用时间，二是指测试系统工作时间。宽带随机（纯随机）与脉冲激励在这两方面统工作时间。宽带随机（纯随机）与脉冲激励在这两方面都占用较少的时间，正弦激励则相反，将占用较多的时间。都占用较少的时间，正弦激励则相反，将占用较多的时间。3）非线性影响的线性化。）非线性影响的线性化。随机激励效果最好，脉冲激励随机激励效果最好，脉冲
13、激励则最差。则最差。2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 4）系统的非线性检验。）系统的非线性检验。非线性因素检验在复杂结构的模非线性因素检验在复杂结构的模态试验中尤为重要，正弦激励是这种检验的主要手段。态试验中尤为重要，正弦激励是这种检验的主要手段。5）实施的简易性。）实施的简易性。无论从设备还是从实施方面看，锤击无论从设备还是从实施方面看，锤击脉冲激励都是最方便的。脉冲激励都是最方便的。6）模态密集性。）模态密集性。如结构在某频段内模态密集以至耦合严如结构在某频段内模态密集以至耦合严重，则应采用步进正弦或瞬态随机激励，前者可以改变重，则应采用步进正弦或瞬态随机激励，前者可以
14、改变步长提高分辨率，后者则靠减少泄漏提高分辨率。步长提高分辨率，后者则靠减少泄漏提高分辨率。测试系统的校准是为了检测测试设备及系统的精度，测试系统的校准是为了检测测试设备及系统的精度，定度则是为了确定测试设备的灵敏度等参数。在模态试验定度则是为了确定测试设备的灵敏度等参数。在模态试验中，这两项工作通常是同时进行的，统称为中，这两项工作通常是同时进行的，统称为定度。定度。2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 定度分为定度分为绝对定度和现场定度绝对定度和现场定度。绝对定度绝对定度是对测试系是对测试系统的器件或设备的某个参量进行严格的独立测量，据此判统的器件或设备的某个参量进行严格的
15、独立测量，据此判定其精度和灵敏度。绝对定度通常由计量单位或生产厂家定其精度和灵敏度。绝对定度通常由计量单位或生产厂家进行。进行。现场定度现场定度是根据测试系统的一些标准实测结果对系是根据测试系统的一些标准实测结果对系统的精度和灵敏度等参数进行校准。统的精度和灵敏度等参数进行校准。（2）测试系统的定度与校准）测试系统的定度与校准 测试仪器特别是传感器的绝对定度测试仪器特别是传感器的绝对定度一般很难实现，常一般很难实现，常采用相对比较法代替。让定度传感器与一个性能稳定的高采用相对比较法代替。让定度传感器与一个性能稳定的高精度标准传感器同时感受振动，然后给出相对的参数值。精度标准传感器同时感受振动，
16、然后给出相对的参数值。p现场定度方法现场定度方法 2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 模态测试中，常需进行现场定度，模态测试中，常需进行现场定度，将一个具有单位质将一个具有单位质量的质量块与传感器固定在一起，当质量块运动时，观察量的质量块与传感器固定在一起，当质量块运动时，观察测试系统的响应值，即可做出定度分析测试系统的响应值，即可做出定度分析。应用质量块也有两种方法。应用质量块也有两种方法。1）是将质量块用柔性绳悬是将质量块用柔性绳悬挂起来，使质量块突然落下，在下落过程中，其理论加速挂起来，使质量块突然落下，在下落过程中，其理论加速度应为度应为lg。这种方法只要一个简单的附
17、加悬挂设备，误差。这种方法只要一个简单的附加悬挂设备，误差不大于不大于1%2%。2）是采用具有反馈控制的激振器对质量是采用具有反馈控制的激振器对质量块进行激振，根据激振力通道与响应通道的电平比值，确块进行激振，根据激振力通道与响应通道的电平比值，确定测试系统的相对灵敏度。定测试系统的相对灵敏度。现场定度省略了与各通道器件现场定度省略了与各通道器件“对号入座对号入座”工作，避工作，避免了传感器与数据采集通道分别定度带来误差积累。因此，免了传感器与数据采集通道分别定度带来误差积累。因此，试验前后一般都应进行现场定度，以保证数据一致性。试验前后一般都应进行现场定度，以保证数据一致性。（3）被试结构的
18、支承）被试结构的支承2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 进行模态试验的结构在实际工作环境中，总处于一定进行模态试验的结构在实际工作环境中，总处于一定的约束状态。设置试验时，选择结构的支承方式首先应考的约束状态。设置试验时，选择结构的支承方式首先应考虑是否模拟其真实的约束状态。虑是否模拟其真实的约束状态。从精确角度出发，从精确角度出发，自由状态自由状态的结构状态很容易模拟，的结构状态很容易模拟，但不可能使结构处于真正的自由悬浮状态。经常用一种但不可能使结构处于真正的自由悬浮状态。经常用一种非非常柔软的悬挂系统常柔软的悬挂系统将被试结构支承起来，以模拟自由支承。将被试结构支承起来
19、，以模拟自由支承。这种情况下结构的刚体模态的频率已不为零。非常柔软的这种情况下结构的刚体模态的频率已不为零。非常柔软的含义就是要保证刚体模态的最低阶频率应低于结构自身第含义就是要保证刚体模态的最低阶频率应低于结构自身第一阶弹性模态频率的一阶弹性模态频率的1020。一般悬挂系统的固有频。一般悬挂系统的固有频率应低于率应低于2Hz。软悬挂软悬挂可以通过弹性绳的吊挂来实现，也可以通过弹可以通过弹性绳的吊挂来实现，也可以通过弹性基础来提供。对弹性悬挂除了上述非常柔软的要求外，性基础来提供。对弹性悬挂除了上述非常柔软的要求外，还要求可能参与振动的质量尽可能小。为使悬挂对振动的还要求可能参与振动的质量尽可
20、能小。为使悬挂对振动的影响最小，应使主要的振动方向与悬挂方向垂直。如悬挂影响最小，应使主要的振动方向与悬挂方向垂直。如悬挂支承点能靠近结构的节点则更为理想。支承点能靠近结构的节点则更为理想。2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 软悬挂不但为像软悬挂不但为像飞机、火箭飞机、火箭等真正自由约束的结构提等真正自由约束的结构提供模拟，对那些非自由的实际结构也是一种常用的支承供模拟，对那些非自由的实际结构也是一种常用的支承方式。因为时常对实际约束的模拟可能很困难，而且对方式。因为时常对实际约束的模拟可能很困难，而且对测试的精度影响很大。虽然自由状态的响应状况与真实测试的精度影响很大。虽然
21、自由状态的响应状况与真实约束状态存在很大差异，但两种状况下的物理模型和模约束状态存在很大差异，但两种状况下的物理模型和模态模型则存在一定的关联，所以这时采用软悬挂仍很有态模型则存在一定的关联，所以这时采用软悬挂仍很有价值。价值。模拟真实的结构约束状态，如固支、铰支等也称为模拟真实的结构约束状态，如固支、铰支等也称为地面支承地面支承。地面支承将结构上所选择的点与地基上的点相。地面支承将结构上所选择的点与地基上的点相连。这种状态能很好地给出结构实际约束状态下的各种振连。这种状态能很好地给出结构实际约束状态下的各种振动模型。必须注意的是，应使支承基础的刚度足够大，一动模型。必须注意的是，应使支承基础
22、的刚度足够大，一般要求能提供的振动响应仅有数十千赫兹以上的成分。般要求能提供的振动响应仅有数十千赫兹以上的成分。2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 与自由支承相比，地面支承需要专门的支承装置，同与自由支承相比，地面支承需要专门的支承装置，同时这种装置的模拟精度以及基础的刚度很难保证，否则需时这种装置的模拟精度以及基础的刚度很难保证，否则需要很高的代价。要很高的代价。选择支承方式应根据具体要求在二者之间权衡利弊。选择支承方式应根据具体要求在二者之间权衡利弊。有些情况下，有些情况下，同时采用两种支承方式进行两次试验也许是同时采用两种支承方式进行两次试验也许是最合理的。最合理的。（
23、4）激振器与传感器的定位与安装）激振器与传感器的定位与安装2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 传感器的定位首先应根据结构建模的需要进行选择传感器的定位首先应根据结构建模的需要进行选择。例如，可先建立有限元网格，然后找出所需要的结点作为例如，可先建立有限元网格，然后找出所需要的结点作为响应测点。另一个应考虑的条件是让响应的测点尽可能避响应测点。另一个应考虑的条件是让响应的测点尽可能避开各阶模态的节点，这在模态试验前通常是很难预测的，开各阶模态的节点，这在模态试验前通常是很难预测的，需要在试验中反复调整。需要在试验中反复调整。激振点选择激振点选择的总原则是使激振力易于向各部位传递
24、，的总原则是使激振力易于向各部位传递，要避开振动节点、结构薄弱环节和支承点（悬挂点）。另要避开振动节点、结构薄弱环节和支承点（悬挂点）。另外，还应考虑使激振器的安装方便。多点激振时还应考虑外，还应考虑使激振器的安装方便。多点激振时还应考虑使各激振点在结构上分布合理，不能过于接近。使各激振点在结构上分布合理，不能过于接近。n定位定位 传感器的正确安装非常重要传感器的正确安装非常重要。为了保证安装的传感器能。为了保证安装的传感器能感受到真实的振动信号，要求安装提供足够的刚性，同时感受到真实的振动信号，要求安装提供足够的刚性，同时又不能明显增加结构的质量，又不能明显增加结构的质量，还要保证传感器的方
25、向要与还要保证传感器的方向要与测振方向一致。测振方向一致。2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 传感器的传感器的固定方式有螺栓、胶接、磁吸座连接等固定方式有螺栓、胶接、磁吸座连接等。各。各种方式各有其一定的频响范围，显然螺栓连接有最理想的种方式各有其一定的频响范围，显然螺栓连接有最理想的效果，但需要对被试结构进行加工；胶接的性能与胶接剂效果，但需要对被试结构进行加工；胶接的性能与胶接剂有关。通常通过一块过渡薄片将螺栓与此薄片连接，而薄有关。通常通过一块过渡薄片将螺栓与此薄片连接，而薄片则与测点表面胶接，两者结合使用效果更为理想。片则与测点表面胶接，两者结合使用效果更为理想。n安
26、装安装 安装激振器时，安装激振器时，为了保证激振力的单向作用，激振器为了保证激振力的单向作用，激振器与力传感器之间要加一根很细的接长杆并施加一定的预紧与力传感器之间要加一根很细的接长杆并施加一定的预紧力。同时应保证接长杆有很小的侧向刚度和足够大的纵向力。同时应保证接长杆有很小的侧向刚度和足够大的纵向刚度。刚度。2.实验模态分析中的有关问题实验模态分析中的有关问题 安装激振器时，安装激振器时，为了保证激振力的单向作用，激振器与为了保证激振力的单向作用，激振器与力传感器之间要加一根很细的接长杆并施加一定的预紧力。力传感器之间要加一根很细的接长杆并施加一定的预紧力。同时应保证接长杆有很小的侧向刚度和足够大的纵向刚度。同时应保证接长杆有很小的侧向刚度和足够大的纵向刚度。
