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机械结构固有模态分析综合实验西安交通大学机械36班实验小组成员：申湾舟2130101125张静雯2130101126姚天鸷2130101144钟鸣亮2130101148朱锦涛2130505144机械工程测试技术·概述·实验设计•实验任务、目的分析，相关知识学习实验过程•实验操作、实验数据获取与分析反思与总结•扩展与提升机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验模态分析应用评价现有结构系统的动态特性；在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；诊断及预报结构系统的故障；控制结构的辐射噪声；识别结构系统的载荷。机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验任务结构动力学问题，包括激励、结构本身（包含描述其特性的各种参数）和响应三要素。按控制理论的说法，称之为输入、系统和输出。针对机械结构（简支梁、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脉冲激振下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机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验目的1、熟悉模态分析原理和测试方法；2、学习变时基的原理和应用；3、学习悬臂梁，等强度梁，圆盘的测试过程。机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验仪器与实验环境条件仪器准备INV1601B型振动教学实验仪INV1601T型振动教学实验台加速度传感器MSC-1力锤软件配置INV1601型DASP软件。机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验设计测量系统建立•悬挂、支撑形式•激励位置确定激励方式选择响应位置确定频响函数测量•混叠现象低通滤波泄漏•窗函数谱相关函数误差估计模态参数估计•模态参数初步识别迭代优化计算模态矢量识别•模态矢量归一化态质量刚度确定动画显示机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验仪器与建模悬臂梁结点分布圆板结点分布振动测试实验台的组成及连接机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验测量点选择与激励选择由于梁在y、z方向和x方向尺寸相差较大，所以，可以将梁简化为杆件，只需在x方向顺序布置若干敲击点即可。敲击点的数目要根据测量的模态阶数来定，一般情况下，敲击点数目要多于所要测量的阶数。选取拾振点时要尽量避免将拾振点放置在所要测量的模态振型的节点上。周期激励，瞬态激励，和随机激励。理论上均可求解出传递函数。然而周期激励包含幅值和相位两个个量，求解较复杂，所以我们选择同样能完成实验目标的瞬态激励，力锤激励。机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验激励源、激励方式力锤优点：设置简单，不会影响试件动态特性；缺点：能量集中在短时间内，容易引起过载和非线性问题，数据一致性不易保证；激振器优点：可以采用多种多样的激励信号，数据一致性好；缺点：设置麻烦，并且存在附加质量影响问题(特别是对轻型试件)；激励【位置】激励点避免处于所测量任一阶模态的节点上，否者所测量信息中将会漏掉该阶模态【数目】多通道输入更好的把输入能量分配到整个试件上（对大型试件尤为重要），并最大限度的减少因激励点刚好选在某阶模态节点上而漏掉该阶模态【方向】确信各个方向的模态都能激励出来，激励方向应该涵盖各个方向机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验响应分析数目取决于所选频率范围、期望的模态数、试件上关心的区域、可用的传感器数量和时间位置响应点尽量选择处于或接近尽可能多的重要模态的腹部，避免漏掉重要的模态信息分布感兴趣区域应该多布置响应点，同时响应点应该在试件上某种程度的均匀分布，可以减少漏掉模态的机会，并能得到像样的结构线框动画机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验性能优化混叠现象防止避免混叠现象出现，采用截止特性陡峭的低通滤波器，滤除所有高于1/2采样频率的高频分量。泄露的减小选择合适的窗函数可以减小采样时段边界的不连续性，迫使信号变成周期的，从而减小泄漏。窗函数选择，同时要兼顾好的幅值估计和频率分辨率。谱相关函数在反共振点附近，由于响应很小，信噪比相对降低，相干函数将下降。机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验过程（一）——简支梁模态分析约束形式为了近似简支梁自由状态，因此采用实验平台将整个梁两端固定起来。激励形式梁尺寸较小，采用激励锤能量足够。机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验结果与分析——（电涡流传感器）模态拟合传递函数模态定阶机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率（Hz）23.396112.612289.438554.576模态质量1.01.01.01.0模态刚度21610500600330700012140000阻尼/阻尼比（%）1.715/1.1674.080/0.57714.14/0.7777.830/0.225质量归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·质量归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率（Hz）23.396112.612289.438554.576模态质量1.8903.9326.52215.33模态刚度40350196900021570000186100000阻尼/阻尼比（%）1.715/1.1674.080/0.57714.14/0.7777.830/0.225振型归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·振型归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验结果与分析——（压电式传感器）模态拟合传递函数模态定阶机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率（Hz）43.289164.768371.268630.970模态质量1.01.01.01.0模态刚度739811071800544170015717000阻尼/阻尼比（%）20.756/7.63178.24/0.80178.240/3.35414.003/0.353质量归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·质量归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验过程（二）——等强度梁模态分析约束形式为了近似等强度梁自由状态，因此采用实验平台将整个梁两端固定起来。激励形式梁尺寸较小，采用激励锤能量足够。信号采集器计算机系统及分析软件简支梁振动传感器力锤力传感器电荷放大器电荷放大器测试系统框图机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验结果与分析——（电涡流传感器）模态拟合传递函数模态定阶机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率（Hz）23.257112.618289.966555.312模态质量1.01.01.01.0模态刚度21350500700331900012170000阻尼/阻尼比（%）0.2642/0.1819.494/1.34213.19/0.7247.388/0.210质量归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·质量归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率（Hz）23.257112.618289.966555.312模态质量1.4662.3298.01919.96模态刚度31300116600026620000243000000阻尼/阻尼比（%）0.2642/0.1819.494/1.34213.19/0.7247.388/0.210振型归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·振型归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验结果与分析——（压电式传感器）模态拟合传递函数模态定阶机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率（Hz）23.411109.705267.701497.185模态质量1.01.01.01.0模态刚度2164047510028290009759000阻尼/阻尼比（%）1.050/0.7143.683/0.5348.928/0.5314.258/1.363质量归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·质量归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶频率（Hz）23.411109.705267.701497.185模态质量11.511.0810.28310.1575模态刚度2491005135008009001537000阻尼/阻尼比（%）1.050/0.7143.683/0.5348.928/0.53142.58/1.363振型归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·振型归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验过程（三）——圆盘模态分析约束形式为了近似圆盘自由状态，因此采用实验平台将盘圆心固定起来。为了简化计算过程和实验操作，采用圆盘上表面模拟整个圆盘。激励形式梁尺寸较小，采用激励锤能量足够。机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验结果与分析——（电涡流传感器）模态拟合传递函数模态定阶机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶第五阶第六阶第七阶第八阶频率（Hz）62.55990.042124.859136.006152.371198.663297.216359.883模态质量1.01.01.01.01.01.01.01.0模态刚度154500320100615500730300916600155800034870005113000阻尼/阻尼比（%）6.239/1.5872.400/0.42410.03/1.2781.325/0.1555.391/0.5635.998/0.48198.42/0.0536.996/0.309质量归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·质量归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶第五阶第六阶第七阶第八阶频率（Hz）62.55990.042124.859136.006152.371198.663297.216359.883模态质量1.01.01.01.01.01.01.01.0模态刚度154500320100615500730300916600155800034870005113000阻尼/阻尼比（%）6.239/1.5872.400/0.42410.03/1.2781.325/0.1555.391/0.5635.998/0.48198.42/0.0536.996/0.309振型归一结果机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·振型归一一阶模态二阶模态三阶模态四阶模态六阶模态五阶模态七阶模态八阶模态机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验实验结果与分析——（压电式传感器）模态拟合传递函数模态定阶机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果质量归一结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶第五阶第六阶频率（Hz）43.87884.852117.464247.976454.731684.796模态质量0.13961.8212.7081.2857.1621.639模态刚度10610517700147500031190005846000030340000阻尼/阻尼比（%）7.095/2.5732.993/0.5619.216/1.24963.15/4.05321.19/0.74214.63/0.340机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验拟合图像·质量归一机械工程测试技术·机械结构模态分析综合实验机械振动系统固有频率测量结果振型归一结果模态参数第一阶第二阶第三阶第四阶第五阶第六阶频率（Hz）43.87884.852117.464247.