制动盘 锤击法 模态试验报告

制动盘锤击法模态试验报告小组成员：。。。。。。。。。。。指导老师：。。。。。时间：2013.121.试验目的1）通过试验加深对模态理论知识的理解和掌握。3）掌握试验测试系统及其仪器设备的设置与连接方式。4）熟悉LMSTest.Lab软件的功能和设置，学习信号采集和分析方法。5）熟悉模态试验的一般流程与方法。6）测定并获取离合器操纵系统固定座的自由模态参数，包括固有频率与振型等，以及动态振动特性。7）对离合器操纵系统固定座的有限元模型进行验证，并为有限元模型的修改提供可靠依据。2.试验地点和日期试验地点：同济大学新能源汽车工程中心汽车实验室试验日期：2013年12月27日3.试验对象制动盘，如图1所示。图1制动盘4.试验人员王友、徐明：有限元预分析；确定激励点与响应点的位置。沈嘉怡：LMSTest.Lab软件操作。余瑶：模态参数估计与模型验证的理论分析。杨磊：边界条件的设置；传感器的布置；实验设备管理维护。5.有限元分析在CATIA中进行建模，如图2所示。图2制动盘CATIA建模将模型文件导入ANSYSWorkbench进行网格划分和模态分析。制动盘材料为复合材料，材料属性列出在表1中。表1材料属性密度杨氏模量泊松比7100(kg/m3)6.4e+100.27下表2为计算所得前五阶模态频率。表2有限元模型模态频率阶数频率（Hz）1881.42886.2131196.24156851702.4有限元模型各阶振型图如下所示。（1）（2）（3）（4）（5）6.试验分析6.1.试验测试系统与仪器设备试验测量分析系统由三大部分组成：试验激振系统，响应采集系统，模态分析和处理系统。其中，试验激振系统包括：力锤；响应采集系统包括加速度传感器和智能采集系统；模态分析和处理系统主要是LMS模态分析软件Test.lab11B。测试系统结构简图如图3所示。试验所需仪器设备如表3所示。表3离合器操纵系统固定座模态试验仪器设备编号仪器名称数量型号1力锤1江苏联能2力传感器1ICP3加速度传感器5ICP4智能信号发生与数据采集系1LMSSCADASⅢ图3制动盘测试系统制动盘统316w5数据分析处理软件1Test.Lab11B图4试验工具——冲击锤6.2.模态分析方法和测量过程6.2.1.激励方法从频响函数的物理意义可知，若知道激励和响应，就可推知系统的特性。从这个意义上来说，有两种激励方法可供选择，其一是对结构上某点激励，测得所有点的响应，即单点激励的方法。其二是对结构某些点同时激励，测得各点的响应，即通常所说的多点激励方法。单点激励的优点是在模态试验中，只要同时测量记录激励和响应的信号，再经数字信号处理，可获得与响应激励自由度对应的频响函数，简单易行。单点激励的缺点是能量有限，在大型复杂结构的模态试验中，响应信号信噪比差，有时难于激励出所关心的整体模态，当试验结构的模态比较密集且阻尼又比较大时，难于激出结构的纯模态。多点激励的优点是可以激发出试验结构的纯模态，对大型结构尤其有效。而且多点激振可以解决系统存在重根的问题，但是多点激励也存在不足，其缺点是需要采用几套激振器激励。模态试验中，各激振器的激励信号应互不相关，输入力的大小和相位要反复调试，比较费时，加上设备昂贵，目前，尚未普遍推广。在进行模态试验时，试件采用单点激励还是多点激励方法取决于试件被整体激振的难度。如果单点激励就可以测得试件上任意点的响应，且响应幅度足够大，则采用单点激振即可，否则需要对试件进行多点激振。本试验研究的是制动盘的模态参数，属于小件试件，总体比较容易被激振，这里采用单点激振。6.2.2.结构安装方法一种经常采用的自由状态。使试验对象不与地面相连接，自由地悬浮在空中。如放在很软的泡沫塑料上；或用很长的柔性绳索将结构吊起而在水平方向激振，可认为在水平方面处于自由状态。另一种是地面支承状态，结构上有一点或若干点与地面固结。如果在我们所关心的实际情况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行试验。但最好还是自由支承为佳。因为自由状态具有更多的自由度。本试验采用自由支撑的方式固定试件。6.3.试验方案与步骤6.3.1.确定坐标系制动盘坐标系以工作面为xy平面，圆心为原点（0,0,0），过圆心垂直于工作面方向为z轴正方向，建立坐标系。6.3.2.支撑方式被测制动盘采用橡胶绳悬吊安装，使其处于自由状态下进行试验。具体悬挂位置应选在模态节点处，本次试验中将橡胶绳穿过制动盘中间的轴孔，将制动盘竖直悬挂。图5自由支撑固定扭转减振器说明：在水平和竖直的两种悬挂方式上的选择，考虑力锤敲击的便利，以及自由振动的频率问题，综合考虑下，选择了竖直放置。如果水平放置，将绳子从左右的两孔穿过，则束缚的刚度过大，不符合模态实验的先决自由状态的条件，会对实验结果造成一定的不良影响。并且很难达到真正水平放置。所以，采取竖直悬挂方法，并且未考虑水平放置。6.3.3.测点和激振点布置在制动盘外圈均匀布置4个加速度传感器，在内圈突出面上布置1个加速度传感器，使其能尽量表示制动盘形状并避开模态节点，同时应尽量减少加速度传感器数量，以避免加速度传感器质量对试验对象的影响。输出测点的确定原则：a.反映被测部件的基本外形和特征。b.注意和关心的部位多布点，点要密些，其他部位少些。c.注意规则部件要尽量左右对称。d.测点选择尽量避开节点（在实际操作中难度较大）。激振点位置选取在制动盘内圈突出面上。测点（红色）和激振点（蓝色）位置如下图。图6图76.3.4.激振方式采用单点激振多点拾振的方法。6.3.5.连接仪器设备将加速度传感器用502胶粘贴到定子外壳上。将力锤及其力传感器、加速度传感器、数据采集器等与电脑连接，搭建起模态测试系统。6.3.6.参数设置与采样1)建立几何模型试验时，除激振点外，在制动盘上布置了5个点，对这些测点进行Z轴方向振动加速度的信号采集。启动LMS软件，选择模态分析按钮，进入模态分析界面。分别完成测点模型的建立，在LMS软件中，在之前建立的坐标系的基础上，输入测点的坐标即可。表4测点坐标1s:1-0.11300.0482s:20-0.1130.0483s:30.11300.0484s:400.1130.0485s:5-0.049-0.0330图8LMSTest.LabGeometry创建几何模型2)通道设置在通道设置中设置传感器类型、传感器灵敏度、总测点数和原点导纳位置等，力锤激励点为参考信号点。图9通道设置3)锤击量程用力锤击激振点测点，观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器是否连接正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至示波波形正确为止。设置测试的量程范围，以保证更精确的测试结果。期间可进行多次锤击，尽量保持所施加力的大小基本一致，以保证系统确定一个合适的量程范围。图10锤击量程设置4)锤击设置在采样参数设置中选定采样频率，使用适当的敲击力敲击各测点，调节放大器的放大倍数和INV的程控倍数，直到力的波形和响应的波形即不过载也不过小。为采样程序参数设置表中输入各通道的工程单位和标定值。选定采样时自动增加测点号，准备采样。下面一系列图就是进行锤击测试设置的步骤，即触发级、带宽、窗及锤击点选取等。图11锤击设置——触发图12锤击设置——带宽图13锤击设置——加窗图14锤击设置——驱动点5)采集数据图15测量各测点的传递函数试验数据处理与试验数据的采集同步进行，每采好一批信号，当场观察响应和激励之间的相干性，剔除相干函数不理想、锤击质量不佳的测试数据，以提高激励信号的信噪比。确保相干系数（除去节点或反节点外）在0.8以上，对符合要求的信号马上进行传递函数的处理，这样可以提高试验数据的准确率，避免数据不合要求后的重复试验。由上图可知，相干函数较理想，实验数据有效，可以进行后续的分析验证。6.3.7.试验数据处理和试验模态分析1)数据显示打开LMSTestLab模态分析模块，可以查看采集到的数据结果。如下图为所得到的瀑布图，可以同时查看时域和频域内的实验结果。图16瀑布图2)模态分析使用LMSPolyMAX进行模态定阶和拟合工作。根据有限元分析的结果，选择带宽700—2000Hz。图17选择带宽模态参数识别得到稳态图。在稳态图中，o表示机电不稳定；f表示频率稳定；v表示极点向量稳定；d表示阻尼和频率稳定；s表示三种参数都稳定。只有稳定地标注s的频率，才能确定是真实的稳定模态。稳态图清楚地反映了各阶模态，易于确定其模态位置。图18稳态图分析所得的模态参数如下表所示：表5制动盘模态参数阶数频率（Hz）阻尼比1885.9360.12%2902.4990.04%31213.1140.10%41650.6140.03%51708.2750.32%制动盘各阶模态振型如下图所示：（1）（2）（3）（4）（5）图19制动盘各阶模态振型3)模态参数辨识的准确性分析在数据的采集和分析过程中严格按照模态试验的有关规范进行操作，例如数据的加窗截断、平滑处理以及模态识别算法的选择等，保证了模态试验结果的准确度和可靠性。使用LMSPolymax方法进行模态提取，并根据获得的模态参数进行各测量点传递函数的拟合计算，得到模态综合模拟图，其结果与实际测量的结果相比较，相关性在85％之上，说明所提取的模态阶数较为完整，并具有较高的准确度。图20制动盘模态综合模拟图对各阶模态进行MAC（modalassurancecriterion）计算，其各阶模态的相关度绝大多数都在35％之内，说明各阶模态具有较高的正交性，见下图。其中第一阶、第二阶模态MAC值较高，然而其振型并不相同，且在有限元分析结果中有相近的两阶模态，所以同时保留。表6（%）Mode1Mode2Mode3Mode4Mode5Mode110064.7511.6881.2672.041Mode264.75110031.36730.11218.351Mode31.68831.36710013.52463.889Mode41.26730.11213.5241000.093Mode52.04118.35163.8890.093100图21综上所述，此次扭转减振器的模态试验结果具有较高的准确度和精确度，满足工程实际应用的要求。7.分析总结经大量的信号数据采集，从信号的相干性及各振型连续性分析说明本次模态试验数据是可靠，效果良好，完整地反应了减振器的动态特性，可以为有限元分析计算模型的修改提供可靠试验依据。将试验结果与有限元软件分析结果进行对比，频率对比结果如下表所示。可知，两种方法结果非常相近，误差最大只有5%左右。表7试验分析结果与有限元分析结果对比阶数试验分析结果（Hz）有限元分析结果（Hz）误差1885.936881.40.51%2902.499886.211.84%31213.1141190.21.92%41650.61415685.27%51708.2751702.40.35%存在误差的原因可能有：1)制动盘材料为复合材料，在有限元软件中材料属性较为理想，而实际中会存在误差。2)在实际试验中，环境中可能存在一些噪声，会对加速度传感器的精度产生影响，并且在信号传输的过程中会产生误差，这两者最终都会造成结果误差。3)试验和软件仿真的误差是不可避免的。但是，通过上述比较，两者误差很小，所以我们可以结合两种方法分析制动盘的模态，两种方法都具有参考性。