机械模态分析研究综述

机械模态分析研究综述班级：研1302学号：2013020057姓名：王莎莎摘要：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。本文对模态分析的基本概念、研究目的、分类、分析方法、发展历程、发展现状和展望一一作了阐述。关键词：模态分析；模态参数；模态识别；非线性模态Abstract：Modalanalysisisthestudyofthemechanicalstructuredynamiccharacteristicsofamodernmethodandmeansbycalculationorexperimenttoobtainthenaturalfrequency,dampingratioandmodevibrationmodalparameters,suchas,theprocessofthestructuredynamicdesignandequipmentfaultdiagnosisisanimportantmethod.Inthispaper,themodalanalysisofthebasicconcepts,researchpurpose,classification,analysis,development,developmentstatusandprospectofonebyoneinthispaper.KeyWords：modalanalysis；modalparameters；themodalidentification;nonlinearmodal1、前言模态是指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。模态分析是一种研究机械结构动力的方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析法搞清楚了结构物在某一个易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际响应。因此，模态析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法[1-2]。2、模态分析概述2、1模态分析的经典定义模态分析的经典定义是：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[3]。模态分析将构件的复杂振动分解为许多简单而独立的振动，并用一系列模态参数来表征的过程。根据线性叠加原理，一个构件的复杂振动是由无数阶模态叠加的结果。在这些模态中。模态分析最终目标是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。模态分析主要分为3类方法: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。有限元分析属结构动力学正问题,但受无法准确描述复杂边界条件、结构物理参数和部件连接状态等不确定性因素的限制难以达到很高的精度。第二、三类方法属结构动力学反问题,基于真实结构的模态试验,因而能得到更准确的结果[4]。模态分析的最终目标是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。模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：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。2、2模态分析的硬件结构组成模态分析实验中基本的测量振动的硬件系统如图1所示，振动测量传感器信号调理器数据采集仪PC机图1模态分析试验中传统的振动测量硬件系统这种硬件连接由多个硬件组成，稳定性和集成度都有待进一步的提高。为了提高硬件结构的集成度，可以将信号的调理、采集和处理集成在一起，即采用NICompactRIO。基于LabVIEW的桥梁模态分析系统中，振动测量的硬件结构组成如图2所示。此硬件系统与基本的硬件结构组成正比，集成化程度明显提高，抗干扰能力显著增强，系统体积大大减小。同时，软件部分采用与CompactRIO想通的LabVIEW软件进行模态分析的软件设计，实现在线测量实时监控的目的。此举可省略传统硬件系统中的PC机，大大提高系统的稳定性，进一步缩小仪器的体积，便于携带。振动测量传感器CompactRIO图2基于LabVIEW的模态分析实验中振动测量硬件系统3、模态分析的发展历程3．1模态分析的发展背景20世纪60年代中后期，在以快速傅里叶变换（FFT）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。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。20世纪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。70年代后期，模态分析这一概念才逐步被我国科技界所了解。到目前为止模态分析技术在我国各个领域中的广泛应用，成为一种解决工程问题的重要手段。在这几十年的发展中，模态分析与试验学会所组织的全国性学术交流活动起着重要作用。我国早在1978年即由机械行业发起，于西安展开了第一届学术交流会，促进了我国模态分析的发展。此后又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。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、2模态分析的发展历史早在20世纪40年代在航空工业中就通过共振实验测量飞机的模态参数，确定系统的固有频率。20世纪60年代发展了多点单相正弦激振、正弦多频单点激励，通过调力调频分离模态，制造出商用模拟式频响函数分析仪。20世纪60年代末计算机技术飞速发展，为了适应现代工程技术要求，试验模态分析技术应运而生。20世纪70年代在动态测量（包括振动测量）中广泛应用数据采集系统，随着FFT数字式动态测试技术的飞速发展，使得以单入单出及单入多出为基础识别方式的模态分析技术普及到各个工业领域，模态分析得到快速发展而日趋成熟。20世纪80年代后期，主要是多入多出随机激振技术和识别技术得到发展。与模态识别方法发展相适应，动态测试技术和测试设备在20世纪80年代也有了长足的发展，传感器、激振器、动态信号分析仪等都有了很大的改进。特别是进入20世纪90年代，随着高速微型计算机的日益普及，集数据采集、信号处理、振型动画于一身的模态分析软件相继问世，使模态分析实验越来越方便、快捷和完善。借助软件中的振型动画显示，人们可以直观地了解并掌握被测构件的振动特性。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[5]。3、4模态分析的应用试验模态分析技术是人们为了了解和寻求产品的最佳性能而找到的一种更经济、更有效的方法。它通过对样机或结构形式相同的原准样机的测试，将采集的测试数据应用相关的识别方法，识别系统的模态参数，进而为系统的动力学特性分析提供依据。它是从振动结构的试验数据中识别结构动力学特性的方法[6]。它的目的是为结构属性和试验行为建立一个数学模型。试验模态分析的问题主要是求解振动结构的三个关键属性：固有频率、阻尼和留数。现代振动模态分析以及参数识别技术是分析和解决各种复杂结构动力学逆问题与正问题的主要手段之一，是理论分析、计算与试验研究密切结合的新技术[7]。它在建立与修改结构系统的数学模型，分析或预测结构的振动响应，结构动力修改或优化设计，以及振动与噪声控制、状态监测、故障诊断等方面均有应用。模态分析最普遍的应用有以下几种：①实测振型与有限元方法或其他理论模型分析结果的比较，它要求精确识别共振频率，但所有振型的精确描述不作要求。②理论和实验模态相关性的比较，从而判断预想值和测试值的差异，要求对共振频率、阻尼和残差的精确计算。③模态模型动态子结构方法，对整个模态的精确性有很高要求。④对试验结构的结构动力特性修改，由于修改通常很小，所以对模态过程的精度要求不如前面高。⑤动载荷的测定。在实际工程应用中，某些导致振动的动态载荷无法直接测得。因此，通过对结构的响应测量，根据结构传递函数，识别结构的动态载荷。其中，由传递函数推得的模态结构的准确性至关重要。[8]4、模态分析的研究现状及展望尽管我国在模态分析领域里的研究工作起步较晚，但发展迅速。在理论与方法研究上已接近国际先进水平，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。如2000年沈松、应怀樵等使用锤击法和变时基技术首次对黄河铁路桥进行了实验模态分析[9]；2004年张令弥等对导弹发射车组合结构进行了动力学实验与分析，通过对其进行实验模态分析和有限元计算分析，以实用完备模态空间技术进行自由界面组合结构动特性分析，验证了方法的正确和有效性[10]。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，但在工程应用方面仍有工作可做。首先是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，目前提出的一种激光扫描方法是大增加测点数的有效方法，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也有不少工作可做。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、抗噪声干扰等方面的研究沿需进一步开展。非线性是模态分析的一个重要发展趋势，最近已逐步形成了非线性模态动力学。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、新的内容不断向前发展[11-12]。【参考文献】[1]HeylenW,LammensS,SasP著,白化同,郭继忠译.实验模态分析理论与试验[M].北京:北京理工大学出版社,2001.[2]张令弥.振动测试与动态分析[M].北京:航空工业出版社,1992.[3]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.[4]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.[5]许道延,丁贤华.高速柴油机概念设计与实践[M].北京:机械工业出版社,2004.[6]沈松,应怀樵,雷速华,赵增欣.用锤击法和变时基技术进行黄河铁路樵的模态试验分析[J].振动工程学报，2000,13(3):492－495.[7]张令弥,冯德强,秦仙蓉.导弹发射车组合结构动力学实验与分析[J].强度与环境,2004,31(4):11－18.［责任编辑：王春燕］机械结构的模态分析方法研究综述孙敬敬(长江师范学院机械与电气工程学院，中国重庆408100)[8]曹树谦，张文德.振动结构模态分析———理论、实验与应用[M].天津：天津大学出版社，2001.[9]李德葆，陆秋海.实验模态分析及其应用[M].北京：科学出版社，2001.[10]HeylenW，LammensS，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]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.[12]傅志方，华宏星.模态分析的概念和发展历史[EB/01].http//dengyuehua.blogchina.com/dengyuehua1973/4790467.html，2006-04-02.