武汉理工大学-试验模态分析

试验模态分析刘晨阳Modal引言•模态就是结构固有的动态特性，它包含了系统的固有频率、阻尼比、振型等参数。What•运用模态分析，可以帮助我们评价现有结构系统的动态特性，深入洞察振动发生的根本原因，进行结构优化Why•模态分析方法HowPage:2/25模态分析的方法数值模态分析（NumericalValueModalAnalysis)试验模态分析（ExperimentalModalAnalysis)运行模态分析（OperationalModalAnalysis)Page:3/25试验测试获得模态的思路我们所研究的对象（系统）与外界的关系一般可用如下的图来表示：系统识别问题Page:4/25求模态问题试验模态分析系统组成Page:5/25试验模态分析系统组成模态试验激励系统信号源功率放大器激振器测量系统传感器适调放大器连接部分数据分析系统信号分析仪微机Page:6/25试验模态测试系统组成信号放大器功率放大器信号发生器数据采集仪计算机加速度传感器激振器力传感器Page:7/25试验模态测试的步骤试验准备•将试验结构以适当的方式支撑起来结构激振•选择适当的方式激励试验结构信号采集•通过测量系统测量、记录激励和响应•将记录的数据送入分析仪参数识别•通过信号处理获得系统离散频响函数•估算出系统的模态参数Page:8/25自由支撑地面支撑支撑方式Page:9/25试验准备结构激振信号采集参数识别试验准备结构激振信号采集参数识别根据与被测结构的接触方式接触式非接触式根据激励的信号类型稳态激励随机激励瞬态激励信号特点脉冲信号对被测试件无附加质量和刚度约束，能量分散在很宽频带内，激励能量小、信噪比低，纯随机信号激励能量分布在很宽的频段内，功率谱是平谱，经多次平均后可消除各种噪声信号干扰、非线性影响及畸变；但由于信号的非周期性，导致信号处理时的截断误差，引起能量的泄露正弦扫描传统的激励方法，比较成熟。它具有激励能量集中，信噪比大，测试精度高，但测试时间长Page:10/25机械式激振器利用转动时不平衡质量惯性力作为激励力能产生频率可变的常力Page:11/25电磁式激振器将输入信号转换成交变磁场，在磁场中放置一个线圈，利用电磁力产生激励力激励的频率和幅值彼此是独立控制的,具有较大的可控性Page:12/25电液式激振器利用液压原理功率放大可以产生很大的激振力在加静载荷的同时又加动载荷价格昂贵，试验费用高Page:13/25冲击锤锤体力传感器锤帽锤柄附加质量锤帽材质：钢，铝，塑料，橡胶，充气锤帽Page:14/25T(ms))(tF(Hz)H(f)钢、铝塑料橡胶、充气锤帽F(Hz)钢、铝塑料橡胶、充气锤帽T(ms)H(f))(t冲击锤锤击法特点及适用1、不需要信号发生器、功率放大器及激振器等精密贵重仪器2、不必考虑激励设备与试验结构的连接问题及由于连接不当对试验结果的影响3.试验速度快,试验周期短。激励能量小、信噪比低，故测试精度不高。一般用于中小型结构的快速试验。Page:15/25根据与被测结构的接触方式接触式非接触式根据测试信号力传感器位移传感器速度传感器加速度传感器应变传感器根据换能方式电感式压电式压阻式涡流式Page:16/25试验准备结构激振信号采集参数识别Page:17/25试验准备结构激振信号采集参数识别频响函数模态分析)f(HFrequency曲线拟合单自由度模态系统时域信号频域法频域信号传递函数模态参数FFT传递函数估计参数辨识时域信号时域法数学模型模态参数建模参数辨识模态测试应用实例——某型洗衣机箱体模态测试滚筒洗衣机在工作时，箱体会因受到来自筒部撞击及电机的振动载荷激励而振动。对洗衣机箱体进行模态分析，识别箱体的动态性能，对机箱结构的改进、减振降噪以及洗衣机整机多体动力学分析与仿真都具有重要意义。数值模态分析试验模态分析对比两次结果并提出建议模态分析过程Page:18/25洗衣机箱体的有限元模态分析1.建立箱体有限元模型2.有限元离散将实体模型导入ANSYS中，用以四边形为主的壳单元对箱体进行有限元离散单元数为108741个节点数为111123个在Pro/E中建立滚筒洗衣机箱体的三维实体的简化模型Page:19/25洗衣机箱体的有限元模态分析1阶24.474Hz2阶29.201Hz3阶42.4271Hz4阶42.7Hz箱体的前四阶振型均发生在箱体的两侧，呈“鼓”状振动。前两阶振型相同，仅相位相差180°，且频率接近于洗衣机的工作频率（洗衣机按0~1600r/min计，频率在0~27Hz区间），是洗衣机整机产生振动噪音的主要源头之一Page:20/25洗衣机箱体的试验模态分析采用比利时LMS公司的LMSTest.lab测试系统，实现对箱体的试验模态试验和分析，测试系统主要由模态加速度传感器、冲击力锤、LMSSCADAS采集前端、LMSTest.lab分析软件组成试验测试系统Page:21/25洗衣机箱体的试验模态分析支撑方式：自由支撑激振方式：冲击力锤（软头）测量方法：在箱体上布置127个测点，在箱体的后上部、右侧板中心这两个测点安置加速度传感器，试验过程中，移动带有力传感器的力锤，敲击其余125个测点，为了提高信噪比，每个测点敲击4次，测得的4次响应数据进行线性平均。试验测试方法Page:22/25洗衣机箱体的试验模态分析用Test.lab软件对箱体各测点传递函数进行模态拟合，计算模态参数。试验模态测试结果固有振型完全相同有限元分析结果的各阶固有频率均低于试验结果推测为箱体在冲压成型后产生了残余应力，间接性提高了箱体刚度。比较两次模态分析的结果Page:23/25箱体有限元模型的修正和分析调整箱体材料的相关参数，重新进行有限元计算修正后的有限元计算和试验结果，各阶固有频率的相对误差在4.5%以内，各阶振型仍然保持一致。Page:24/25结论通过模态分析发现，该箱体前4阶模态均发生在两侧板上，固有频率相对较低。该洗衣机整机其第1、2阶模态也发生在两侧板上，固有频率分别为21Hz和24Hz，随着当前滚筒洗衣机脱水转速的不断提升，易引起箱体的共振，使得箱体的振动幅值和整机的噪声水平超出相关标准。提高箱体的固有频率修改侧板冲压结构改变竖形筋为横向筋改进建议Page:25/25