機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告 開課實(shí)驗(yàn)室：汽車結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室 2010年月日學(xué)院姓名成績(jī)課程名稱機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名 稱機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析指導(dǎo)教師教師評(píng)語(yǔ)教師簽名：年 月 日 機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x 模態(tài)分析技術(shù)是近年來在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展的一門新興科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械制造、建筑、汽車等許多領(lǐng)域，在識(shí)別系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備故障診斷等許多方面發(fā)揮了日益重要的作用。本實(shí)驗(yàn)采用CCDS-1模態(tài)分析微機(jī)系統(tǒng)，對(duì)圖1所示的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過該實(shí)驗(yàn)達(dá)到如下目的： 圖1 框架結(jié)構(gòu)圖 詳細(xì)了解CCDAS-1模態(tài)分析微機(jī)系統(tǒng)，并熟練掌握使用本系統(tǒng)的全過程，包括了解測(cè)量點(diǎn)和激振點(diǎn)的選擇。了解模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)采用的儀器，實(shí)驗(yàn)的連接、安裝和調(diào)整。1、 激勵(lì)振時(shí)各測(cè)點(diǎn)力信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量及利用這些測(cè)量信號(hào)求取傳遞函數(shù)，并分析影響傳遞函數(shù)精度的因素。2、 SSDAS-1系統(tǒng)由各測(cè)點(diǎn)識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)的步驟。3、 動(dòng)畫顯示。4、 靈敏度分析及含義。通過CCDAS-1模態(tài)分析的全部過程及有關(guān)學(xué)習(xí)，能祥述實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的一般步驟。通過實(shí)驗(yàn)和分析，大大提高綜合分析能力和動(dòng)手能力。 CCDAS-1系統(tǒng)模態(tài)分析的優(yōu)缺點(diǎn)討論并提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的意見。二、測(cè)試及數(shù)據(jù)處理框圖圖2 測(cè)量及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框圖三、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基本原理對(duì)于一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性可用系統(tǒng)的固有頻率、阻尼和振型來描述，與模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度一起通稱為機(jī)械系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)參數(shù)既可以用有限元的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化得到，也可以通過激振實(shí)驗(yàn)對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理識(shí)別得到。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取模態(tài)參數(shù)的方法就是實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。只要保證測(cè)試儀器的精度、實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)分析處理的精度就能獲得高質(zhì)量的模態(tài)參數(shù)。一個(gè)線性系統(tǒng)，若在某一點(diǎn)j施加激振力，系統(tǒng)各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)為，系統(tǒng)任意兩點(diǎn)的傳遞函數(shù)之間的關(guān)系可用矩陣表示如下： (1-1)可記為：稱為傳遞函數(shù)矩陣。其中的任意元素可以通過激振實(shí)驗(yàn)得到 ，分別表示響應(yīng)與激振力的傅立葉變換。測(cè)量方法是給系統(tǒng)施加一有限帶寬頻率的激振力(沖擊也是一有限帶寬激振力)，同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)，將力和響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行濾波，A/D轉(zhuǎn)換并離散采樣，進(jìn)行雙通道FFT變換，計(jì)算出激振力與響應(yīng)之間的傳遞函數(shù)。對(duì)測(cè)量的傳遞函數(shù)進(jìn)行曲線擬和得到模態(tài)參數(shù)，一個(gè)多自由度系統(tǒng)曲線擬和傳遞函數(shù)的解析式為： (1-3)式中：，第K階的模態(tài)阻尼 第K階的固有頻率第K階留數(shù) 表示復(fù)數(shù)共軛由上式可知，各點(diǎn)傳遞函數(shù)的分母相同，都包含固有頻率和模態(tài)阻尼，由任意點(diǎn)傳遞函數(shù)曲線擬和可以識(shí)別出系統(tǒng)的固有頻率和阻尼，考慮到傳遞函數(shù)的測(cè)量和計(jì)算誤差，將多測(cè)點(diǎn)傳遞函數(shù)相加合成一系列的傳遞函數(shù)，并由系統(tǒng)傳遞函數(shù)識(shí)別系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)阻尼。由式(1-3)可知，每一測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)曲線擬和得到的留數(shù)是不同的，留數(shù)矩陣與對(duì)應(yīng)的固有頻率振型的關(guān)系為： (1-4)是對(duì)稱矩陣，其中每一行，每一列都是線性相關(guān)的。其中任意元素為 (1-5)稱為系統(tǒng)的模態(tài)向量，即固有振型。只要利用留數(shù)矩陣的某一行或某一列，先將對(duì)應(yīng)角元素包含的振型元素求出： (1-6)然后，即可求出任一點(diǎn)的振型元素： (1-7)CCDAS-1模態(tài)分析微機(jī)系統(tǒng)要求采用某一點(diǎn)固定激振，逐點(diǎn)拾振，求出留數(shù)矩陣之一列的測(cè)量方法，或在某一固定點(diǎn)拾振，求出留數(shù)矩陣之一行的方法。本實(shí)驗(yàn)采用后一種方法。識(shí)別出系統(tǒng)的固有頻率、阻尼和振型后，系統(tǒng)的模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度由下式?jīng)Q定： (1-8) (1-9)模態(tài)質(zhì)量模態(tài)剛度模態(tài)阻尼比至此整個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)全部確定，其中最重要的參數(shù)是頻率，阻尼和振型。振型代表了再系統(tǒng)的第K階固有頻率下，各測(cè)點(diǎn)位移振幅之間的比例關(guān)系。設(shè)，則系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的微分靈敏度為： (1-10)、分別為系統(tǒng)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，為物理參數(shù)，可為剛度和質(zhì)量。振型的微分靈敏度可表示為： (1-11) (1-12)靈敏度分析的意義在于，若你想改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)每階振型來說，改變哪一點(diǎn)的質(zhì)量或剛度，其頻率和振型的變化率最大；同樣，若維持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不變，改變哪一點(diǎn)的質(zhì)量或剛度，其頻率和振型的變化率最小。四、用CCDAS-1系統(tǒng)對(duì)框架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的內(nèi)容和步驟模態(tài)分析步驟：1、連接儀器，并調(diào)整好各儀器的開關(guān)檔位，傳遞函數(shù)頻率分析范圍為500Hz以內(nèi)，低通可取截止頻率為300Hz檔。2、選擇測(cè)點(diǎn)，建立被測(cè)結(jié)構(gòu)的幾何模型。3、測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及雙通道譜分析。4、調(diào)用十個(gè)傳遞函數(shù)同時(shí)顯示功能確定系統(tǒng)的前五階固有頻率。5、求取系統(tǒng)多測(cè)點(diǎn)加權(quán)傳遞函數(shù)幅頻特性并產(chǎn)生頻率阻尼識(shí)別文件。6、識(shí)別系統(tǒng)的頻率阻尼產(chǎn)生頻率阻尼數(shù)據(jù)文件。7、識(shí)別系統(tǒng)振型，產(chǎn)生振型數(shù)據(jù)文件。8、可以顯示打印系統(tǒng)的頻率阻尼表及振型表。9、模態(tài)的動(dòng)畫顯示觀察各階振型的特點(diǎn)，復(fù)模態(tài)和實(shí)模態(tài)的區(qū)別。10、靈敏度分析在進(jìn)行框架模態(tài)分析中應(yīng)注意以下問題：1、結(jié)構(gòu)測(cè)量點(diǎn)的選擇及布置：模態(tài)分析布點(diǎn)的基本原則是結(jié)構(gòu)的重要部分密布，次要部分稀疏，為了使活動(dòng)振型的顯示更直觀，整個(gè)測(cè)點(diǎn)的連線構(gòu)成的圖形要保持測(cè)試系統(tǒng)的基本幾何特點(diǎn)。2、不變激振點(diǎn)或不變拾振點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱為基本點(diǎn))的選?。簩?shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析常采用單點(diǎn)激振，逐點(diǎn)拾振的方法或固定拾振點(diǎn)的方法。本實(shí)驗(yàn)采用后者。固定的激振點(diǎn)和固定的拾振點(diǎn)是非常重要的，我們應(yīng)當(dāng)選擇能反映系統(tǒng)最多固有頻率成分的點(diǎn)作為這種激振點(diǎn)或拾振點(diǎn)。用這點(diǎn)激振或拾振，共振頻率的峰值較大，噪聲對(duì)共振頻率的影響較小，峰值附近相干函數(shù)值較高，另外基本點(diǎn)的選擇不能在感興趣的模態(tài)的振型節(jié)點(diǎn)處，否則這階模態(tài)無法識(shí)別出來。3、系統(tǒng)懸置問題：一般來說，測(cè)試系統(tǒng)的懸置方法有兩種。一種是軟連接，就是用橡皮繩、彈簧之類的彈性元件將測(cè)試系統(tǒng)懸置在某一剛性較好的支架上。測(cè)試系統(tǒng)自由狀態(tài)下的另一種方式一般是用小功率的激振較重的系統(tǒng)，但在實(shí)際工作情況下，激振有時(shí)需要更大的功率，但測(cè)量的模態(tài)參數(shù)實(shí)用意義更大一些。本實(shí)驗(yàn)采用軟連接方法，用四根橡膠繩把