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课程：模态分析学院：机电工程学院专业：机械设计理论学生姓名：李小丹班级/学号：研1301班2013020028机械模态分析技术发展综述【摘要】模态分析是研究机械结构动力特性的一种近代方法，是指通过计算或实验获得机构的固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数的过程，是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。本文对模态分析的发展历程，现状以及发展趋势进行了阐述。【关键词】机械模态分析、数值计算方法、验的试验模态分析法、非线性模态0、前言模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。1、模态分析的概述模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析是近代研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态分析不断完善和提高并成为一种热门分析手段。模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1)评价现有结构系统的动态特性；2)在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3)诊断及预报结构系统的故障；4)控制结构的辐射噪声；5)识别结构系统的载荷。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。2、模态分析的发展历程2.1、模态分析方法的发展历程模态分析起源于二十世纪三十年代的将机电进行比拟的机械阻抗技术，到现在经过几十年的发展有了突飞猛进的发展，其理论、方法等等都有了多方面的发展和完善。总体来说机械模态分析分为以下几个阶段：阶段一（二十世纪三十年代），机械模态分析起源于这一时期。早在20世纪30年代就有人根据机电比拟原理由电阻抗方法得出机械阻抗方法。系统受激振动后的响应只与系统本身的动态特性和激振的性质有关，所以可用机械阻抗综合描述系统的动态特性，这就是机械阻抗方法的基本原理。此法是一种理论和实验密切结合的方法。模态分析就起源将机电进行比拟的机械阻抗技术。但是受当时测试技术与计算机技术的限制，模态分析技术长期发展缓慢。阶段二（二十世纪五十年代末），在这一时期对于模态分析有了一定的发展，但是仅限于离散的稳态正弦激励方法。阶段三（二十世纪六十年代初），随着滤波技术和测试技术的发展，模态分析技术有了很大的发展，这一时期的特点是：一、“跟踪滤波器”大大节约了品相函数的测试时间；二、“四相测试仪”利用模态的正交性，实现了将相邻较近的模态分离；三、计算机模态参数识别的发展，即利用数值计算方法进行参数识。阶段四（六十到七十年代中后期），20世纪60年代中后期，在以快速傅里叶变换为代表的数字信号处理技术、参数识别方法以及小型计算机发展的基础上，模态分析方法应运而生，并迅速在航空、航天、机械、土木等工程领域获得了广泛的应用，从此模态析与参数辨识作为结构动力学中的一种逆问题分析方法并在工程实践中应用。阶段五（七十年代至今）在这一时期模态分析有了很大的发展，模态分析的方法也多样化。一是，基于计算机仿真的有限元分析法；二是，基于输入（激励）输出（响应）模态试验的试验模态分析法；三是，基于仅有输出（响应）模态试验的运行模态分析法。近年来，模态分析不断完善和提高并成为一种热门分析手段。2.2、模态分析在我国的发展在我国，由于文化大革命的影响，对这一技术的研究起步比国外落后了整整十年。70年代中期在我国只有极少数学者在这方面进行一些探索。到70年代后期，模态分析（当时称机械阻抗）这一概念才逐步被我国科技界所了解。文革结束后，在这一领域中的研究如雨后春笋般地展开。经过二十余年的奋起直追，到目前为止模态分析技术已在我国各个工程领域中广泛应用，成为一种解决工程问题的重要手段。在这二十余年的发展中，模态分析与试验学会所组织的全国性的学术交流活动起着重要作用。第一届学术交流会（当时称机械阻抗与参数识别）是1978年在西安召开的，虽然参加的人数较少，但这是一次介绍新技术的学习会议，它对促进我国模态分析的发展起着重要作用。此后陆续召开了九届届全国模态分析与试验学术交流会。这几次会议对模态分析的研究工作起着重要作用。1985年第四届全国会议上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，并对中国振动工程学会的成立起到促进作用。1986年中国振动工程学会正式成立后，模态分析与试验研究会并入中国振动工程学会作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。2002年4月经民主选举，产生了第四届专业委员会及常务委员会，在新形势下组织、指导有关学术研究工作。同年12月在北京召开了第十届学术会议，与会代表宣读的论文大部分涉及模态分析理论在工程中的应用，鉴于我国国民经济新形势与新发展，会议决定加强模态分析技术在工程中的应用将是今后、特别是近期内主要方向。几十年来，经过工程技术人员的不懈努力，模态分析技术已趋于成熟，但在工程应用方面还有不少工作要做，例如：对复杂构件空间模态的测量与分析，频响函数的耦合、高频模态的检测、抗噪声干扰等方面的研究需进一步开展3、模态分析的发展现状及展望模态分析与参数辨识作为结构动力学中的一种逆问题分析方法并在工程实践中应用是从60年代中、至今已有近四十年的历史了。这一技术首先在航空、宇航及汽车工业中开始发展。由于电子技术、信号处理技术与设备的发展，到80年代末这项技术已成为工程中解决结构动态性能分析、振动与噪声控制、故障诊断等问题的重要工具。目前这一技术已渐趋成熟。尽管我国在模态分析领域里的研究工作起步较晚，但二十余年来的发展还是十分迅速。在理论与方法的研究上我国目前已接近国际先进水平，从历届国际模态分析会议（IMAC）上所发表的论文数量来看，我国已进入大国的行列，在工程应用方面模态分析已渗透到我国各个工程领域，并取得了不少成就。例如，某型火箭全装置的实物模态试验保证了火箭的准确发射与导航，防止了发射的失败；模态分析与参数识别技术曾被成功地用于解决某型航空发动机的严重振动故障，取得重大经济及社会效益；某型鱼雷全装置实物水下模态试验为鱼雷的振动与噪声控制确保导航性能提供了技术依据；远东第一高塔的上海东方明珠电视塔的振动模态试验，为高塔的抗风抗地震安全性设计提供了技术依据；目前世界上跨度第一的斜拉索杨浦大桥的振动试验对大桥抗风振动的安全性分析与故障诊断提供了技术依据；建立在模态分析技术上的桩基断裂检测技术已在高层建筑施工中广泛应用，提高了桩基的质量，确保高层建筑的安全；……等等，这些成就不胜枚举。总之，二十余年的发展是迅速的，成就是显著的，回顾这一发展过程和取得的成就，可更激励我们朝着新的目标奋发前进。模态分析技术发展到今天已趋成熟，特别是线性模态理论方面的研究已日臻完善，但在工程应用方面还有不少工作可做。首先是如何提高模态分析的精度，扩大应用范围。增加模态分析的信息量是提高分析精度的关键，单靠增加传感器的测点数目很难实现，目前提出的一种激光扫描方法是大大增加测点数的有效办法，测点数目的增加随之而来的是增大数据采集与分析系统的容量及提高分析处理速度，在测试方法、数据采集与分析方面还有不少研究工作可做。对复杂结构空间模态的测量分析、频响函数的耦合、高频模态检测、抗噪声干扰……等等方面的研究尚需进一步开展。模态分析当前的一个重要发展趋势是由线性向非线性问题方向发展。非线性模态的概念早在1960年就由Rosenberg提出，虽有不少学者对非线性模态理论进行了研究，但由于非线性问题本身的复杂性及当时工程实践中的非线性问题并引引起重视，非线性模态分析的发展受到限制。近年来在工程中的非线性问题日益突出，因此非线性模态分析亦日益受到人们的重视。最近已逐步形成了所谓非线性模态动力学。关于非线性模态的正交性、解耦性、稳定性、模态的分叉、渗透等问题是当前研究的重点。在非线性建模理论与参数辨识方面的研究工作亦是当今研究的热点。非线性系统物理参数的识别、载荷识别方面的研究亦已开始。展望未来，模态分析与试验技术仍将以新的速度，新的内容向前发展。4、结束语模态分析的方法是目前研究结构动力学特性的两大方法,已经成为解决现代复杂结构态特性设计的相辅相成的重要手段。经过几十年来的发展，经过工程技术人员的不懈努力，模态分析技术已趋于成熟，并在实际的工程实践中得到了应用。例如在航天、机械、建筑等方面解决了许多问题。近年来，模态分析不断完善和提高并成为一种热门分析手段。但也有许多问题需要解决，例如如何提高模态分析的精度、高频模态检测、抗噪声干扰等等方面。相信随着科学理论的发展，科研人员和工程技术人员的努力模态分析技术会取得新的发展。5、参考文献(1)龙英，滕召金，赵福水，有限元模态分析现状与发展趋势【J】;湖南农机2009，36(4):28(2)王彤，张令弥,运行模态分析的频域空间域分解法及其应用【J】;航空学报，2006，27(1):62(3)孙敬敬，机械结构的模态分析方法研究综述，科技信息，2014（3）：80（4）梁君，赵登峰，模态分析方法综述，现代制造工程，2006（8）：139-141（5）陈东弟，向家伟，运行模态分析方法综述，桂林电子科技大学学报，2010(6)刘义,许志沛,机械设计中基于有限元方法的模态分析,机械,2003(7)黄捷,季忠,机械结构实验模态分析及典型应用,中国测试,2010(8)段虎明,实验模态分析的前端信号精度研究及虚拟式模态分析仪的研制,重庆：重庆大学，2008(9)傅志方，华宏星-模态分析理论与应用,上海：上海交通大学出版社，2000(10)HeylenWLammensS,Sasp.实验模态分析理论与试验[M]白化同，郭继忠译,北京：北京理工大学出版社，2001(11)李德葆，陆秋海-,实验模态分析及其应用9,北京：科学出版社，2001