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《机械工程测试技术》综合实验报告实验项目名称：机械结构固有模态实验班级：机械32实验小组成员姓名（学号）：张豪2130101047张唯2130101048赵亮2130101049景世钊2130101033王汝之2130101042朱金格2130101028实验小组组长：张豪实验报告日期：15/12/12实验目的：针对机械结构（简支梁、悬臂梁、圆盘）的固有模态进行分析，了解几种常用的结构动态特性激励方法，掌握机械结构固有模态的测试系统设计、测试系统搭建、数据采集及信号分析方法和技术。实验原理：模态分析方法及其应用：模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别（系统识别），从而大大地简化了系统的数学运算。通过实验测得实际响应来寻示相应的模型或调整预想的模型参数，使其成为实际结构的最佳描述。主要应用有：用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算模型更趋完善和合理。用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。用来进行响应计算和载荷识别。模态分析基本原理：工程实际中的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分布的性质，只有掌握无限多个点，在每瞬时的运动情况，才能全面描述系统的振动。因此，理论上它们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。但实际上不可能这样做，通常采用简化的方法，归结为有限个自由度的模型来进行分析，即将系统抽象为由一些集中质块和弹性元件组成的模型。模态分析是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”，是一种参数识别的方法。模态分析的实质，是一种坐标转换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述。这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，分别描述振动系统的各阶振动形式，每个坐标均可单独求解，得到系统的某阶结构参数。实验内容：1、动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析（1）激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要有多输入单输出（MISO）、单输入多输出（SIMO）两种方法。本次试验采用多输入单输出（MISO）方式（2）数据采集。锤子端部安装压力传感器，梁上分别部署加速度传感器和电涡流传感器分别测试，传感器先经过电荷放大再接入采集系统，经过调理的信号输入计算机由软件进行处理并计算出结果显示。（3）时域或频域信号处理。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、振形动画：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形。由于结构复杂，由许多自由度组成的振形也相当复杂，必须采用动画的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。数据处理：简支梁模态测试简支梁如下图所示，长（x向）680mm，宽（y向）50mm，高（z向）8mm。欲使用多点敲击、单点响应方法做其z方向的振动模态测点的确定简支梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在x方向顺序布置若干敲击点即可（本例采用多点移步敲击、单点响应方法），敲击点的数目视要得到的模态的阶数而定，敲击点数目要多于所要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。此例中在x方向把梁分成十六等份，即可以布十七个测点。选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，此处取拾振点在第六个敲击点处（或选取第三点作为拾振点）。仪器连接仪器连接如下图所示，其中力锤上的力传感器接INV1601B实验仪第一通道的电荷输入端，压电加速度传感器接INV1601B实验仪第二通道的电荷输入端，两个通道的INV1601B实验仪的输入选择相应地调到压电加速度一端。加速度传感器测量结果：模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率40.335Hz161.190Hz361.179Hz635.251Hz质量1.000e+0001.000e+0001.000e+0001.000e+000刚度6.423e+0031.026e+0065.150e+0061.593e+007阻尼1.059e+0017.848e+0001.192e+0011.065e+001电涡流传感器：模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率40.738Hz161.134Hz360.696Hz635.306Hz质量1.000e+0001.000e+0001.000e+0001.000e+000刚度6.552e+0041.025e+0065.136e+0061.593e+007阻尼9.073e+0007.322e+0001.592e+0011.148e+001连续弹性体悬臂梁模态测试加速度传感器：模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率25.173Hz12.991Hz298.611Hz482.014Hz质量1.000e+0001.000e+0001.000e+0001.000e+000刚度2.502e+0045.040e+0053.520e+0069.172e+006阻尼3.261e+0012.400e+0001.416e+0012.855e+001电涡流传感器：模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率25.542Hz125.447Hz326.446Hz649.200Hz质量1.000e+0001.000e+0001.000e+0001.000e+000刚度2.572e+0046.213e+0054.207e+0061.664e+007阻尼8.203e-0013.689e+0001.048e+0014.071e+001圆板模态测试加速度传感器：模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率50.433Hz81.976Hz100.568Hz136.610Hz质量1.000e+0001.000e+0001.000e+0001.000e+000刚度1.004e+0052.653e+0053.993e+0057.368e+005阻尼3.135e+0006.361e+0004.468e+0014.007e+000电涡流传感器：模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率57.393Hz82.171Hz114.462Hz148.390Hz质量1.000e+0001.000e+0001.000e+0001.000e+000刚度1.300e+0052.666e+0055.172e+0058.693e+005阻尼3.823e+0005.402e+0009.408e+0002.210e+000总结：（1）数据处理过程直接影响测试结果，分析选定测点波形时对干扰信号的力窗屏蔽直接影响动画效果，分析过程应注意屏蔽干扰。（2）多测点能有效使振动动画平滑，进行测试必要时可加大采样密度。（3）加速度传感器自身质量对测试结果影响较大，不可忽略，选传感器要综合考虑其自身性能和对测试系统的影响。（4）通过结构模态测试可确定其固有频率阻尼等模态，在设计中可避免共振优化设计。（5）可综合比较CAE模态分析结果与实验测试结果，避免单一分析方式出错。