模態(tài)分析入門教程第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

目錄：試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析概念模態(tài)分析的應(yīng)用DHMA模態(tài)軟件分析方法及應(yīng)用領(lǐng)域DHMA模態(tài)分析軟件功能錘擊法簡(jiǎn)支梁（固支梁）模態(tài)實(shí)驗(yàn)第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日模態(tài)分析定義圖解是一種坐標(biāo)變換。目的在于把原在物理坐標(biāo)系統(tǒng)中描述的響應(yīng)向量，放到所謂“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中來(lái)描述。運(yùn)用這一坐標(biāo)的好處是：利用各特征向量之間的正交特性，可使描述響應(yīng)向量的各個(gè)坐標(biāo)互相獨(dú)立而無(wú)耦合。換句話講，在這一坐標(biāo)系統(tǒng)中，振動(dòng)方程是一組互無(wú)耦合的方程，每一個(gè)坐標(biāo)均可單獨(dú)求解。物理坐標(biāo)模態(tài)坐標(biāo)求解振動(dòng)方程第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

定義

根據(jù)測(cè)量結(jié)構(gòu)上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，采用模態(tài)參數(shù)辨識(shí)方法得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，這個(gè)過(guò)程是把結(jié)構(gòu)作為一個(gè)“黑盒子”來(lái)處理的，只需要個(gè)結(jié)構(gòu)一個(gè)輸入，測(cè)量得到他的輸出就可以來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特性，模態(tài)分析是為了得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，即模態(tài)參數(shù)（頻率、阻尼和振型）。圖解輸入輸出模態(tài)參數(shù)模態(tài)分析頻率阻尼振型第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日模態(tài)分析的應(yīng)用評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在處理結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，必須對(duì)其動(dòng)態(tài)特性有全面的了解。結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性通常用各階模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率，模態(tài)振型及模態(tài)阻尼）來(lái)描述。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以求得上述動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，從而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性是否符合要求，并校驗(yàn)理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性雖然可以用有限元方法計(jì)算，但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立有限元模型時(shí)所引進(jìn)的一系列人為假設(shè)往往很難與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況往往不吻合。模態(tài)分析是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此得到的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)比較準(zhǔn)確，特別是可以識(shí)別系統(tǒng)的阻尼，而在有限元分析中，阻尼是人為假設(shè)的。第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2.在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通常采用有限元分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但是正如上面所指出的，由于在建立有限元模型時(shí)，在邊界條件的處理及力學(xué)模型的簡(jiǎn)化上，往往與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差很大，這便導(dǎo)致了動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果失去了實(shí)用價(jià)值，特別是對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這種差距很大。用模態(tài)分析所得的模態(tài)參數(shù)對(duì)有限元模型進(jìn)行修改，使其更符合實(shí)際，從而提高有限元分析的精度。用模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改，使動(dòng)力特性達(dá)到預(yù)期要求，并使其優(yōu)化，這亦時(shí)模態(tài)分析的目標(biāo)之一。模態(tài)分析進(jìn)入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，并用有限元分析、CAD、CAT、CAE相結(jié)合構(gòu)成所謂“理想設(shè)計(jì)過(guò)程”是模態(tài)分析技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日3.診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障。近年來(lái)結(jié)構(gòu)故障技術(shù)發(fā)展迅速，而模態(tài)分析已成為故障診斷的一個(gè)重要方法。利用結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變來(lái)診斷故障是一種有效方法。例如根據(jù)模態(tài)頻率的變化可以判斷裂紋的出現(xiàn)；根據(jù)振型的分析可以確定裂紋的位置；根據(jù)轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)阻尼的改變，可診斷與預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的失穩(wěn)等等。第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日DHMA模態(tài)軟件分析方法及應(yīng)用領(lǐng)域測(cè)力法（頻響函數(shù)法）這是經(jīng)典的模態(tài)分析方法，他引入了自動(dòng)控制理論中的傳遞函數(shù)（或頻率響應(yīng)函數(shù)）概念，傳遞函數(shù)反映系統(tǒng)的是輸入與輸出之間的關(guān)系，反映系統(tǒng)的固有特性，根據(jù)傳遞函數(shù)來(lái)辨識(shí)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。給系統(tǒng)施加一個(gè)已知的輸入力（力傳感器測(cè)量得到），測(cè)量結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的響應(yīng)，利用軟件的頻響函數(shù)分析模塊計(jì)算得到各點(diǎn)頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。利用頻響函數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法來(lái)得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用中小型結(jié)構(gòu)：大型結(jié)構(gòu)：第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日不測(cè)力法（環(huán)境激勵(lì)法）應(yīng)用：雖然測(cè)力法測(cè)量的得到模態(tài)結(jié)果比不測(cè)力法的得到的結(jié)果要準(zhǔn)確，但是對(duì)于房屋建筑、大型橋梁等大型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行人為激勵(lì)，而且環(huán)境激勵(lì)力也無(wú)法測(cè)量的情況下，只能利用響應(yīng)信號(hào)來(lái)辨識(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。環(huán)境激勵(lì)法是基于輸入為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程假設(shè)下的參數(shù)識(shí)別方法。也就是說(shuō)假設(shè)給結(jié)構(gòu)的輸入力（環(huán)境激勵(lì)力）為隨機(jī)信號(hào)，隨機(jī)信號(hào)的功率譜為常值。如此得到的響應(yīng)信號(hào)是隨機(jī)激勵(lì)下的響應(yīng)信號(hào)，這樣就可以用響應(yīng)信號(hào)的互譜來(lái)代替頻響函數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)了。DHMA模態(tài)軟件分析方法及應(yīng)用領(lǐng)域第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用大型建筑物：大型橋梁：第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日DHMA模態(tài)分析軟件功能幾何建模 讀入CAD平面圖形、ANSYS有限元模型文件；可以直接在界面上完成部件、結(jié)點(diǎn)、連線的填加、刪除、移動(dòng)、復(fù)制、粘貼以及參數(shù)修改等；可自動(dòng)生成規(guī)則模型；為了更接近實(shí)際結(jié)構(gòu)，測(cè)點(diǎn)之間可插入非測(cè)量結(jié)點(diǎn)，軟件自動(dòng)根據(jù)周圍測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)編寫非測(cè)點(diǎn)的約束方程。對(duì)模型可以進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、放大縮小、線條顏色修改、背景顏色修改、四視圖單獨(dú)或同時(shí)顯示；數(shù)據(jù)類型及顯示

環(huán)境激勵(lì)下的時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)、頻響函數(shù)數(shù)據(jù)（單入單出SIMO、單入多出MISO、多入多出MIMO）、接受文本文件、UFF數(shù)據(jù)文件；數(shù)據(jù)可以多行多列顯示、重疊顯示、局部放大縮小顯示；單光標(biāo)、雙 光標(biāo)、峰光標(biāo)、光標(biāo)值顯示等；參數(shù)辨識(shí)

頻域峰值法、隨機(jī)子空間法、導(dǎo)納圓擬合法、正交多項(xiàng)式擬合法和時(shí)域復(fù)指數(shù)擬合法等；模態(tài)模型驗(yàn)證

穩(wěn)態(tài)圖、模態(tài)置信準(zhǔn)則（MAC）、模態(tài)相位共線性、相位偏移、模態(tài)指示函數(shù)、模態(tài)參與因子、模態(tài)振型的動(dòng)畫顯示；第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日生成報(bào)告 幾何模型、靜態(tài)動(dòng)畫圖形的拷貝、打?。粍?dòng)畫轉(zhuǎn)換成AVI文件；所有識(shí)別的模態(tài)參數(shù)文件（包括各階模態(tài)的振型數(shù)據(jù)）可保存、打印，振型文件可導(dǎo)出為word文件及文本文件。時(shí)域ODS動(dòng)畫

將所有測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同步動(dòng)畫顯示在模型上，以類似快攝慢放的形式回放原始數(shù)據(jù)，生動(dòng)形象地顯示出試件的真實(shí)變形過(guò)程；動(dòng)畫顯示

參數(shù)辨識(shí)得到的各階模態(tài)，分別或同時(shí)顯示在一個(gè)或多個(gè)模型上；可以連續(xù)動(dòng)畫、步進(jìn)動(dòng)畫、三維彩色動(dòng)畫、等高線動(dòng)畫、矢量動(dòng)畫、四視圖同步動(dòng)畫等，動(dòng)畫幅度、速度可調(diào)；頻域ODS動(dòng)畫

將所有測(cè)點(diǎn)的頻譜或頻響函數(shù)數(shù)據(jù)同步動(dòng)畫顯示在模型上，以類似閃頻儀的形式、生動(dòng)形象地顯示出試件在某個(gè)頻率激振下的變形情況；工作模態(tài)OMA

通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識(shí)。辨識(shí)方法包括經(jīng)典的自譜、互譜等信息辨識(shí)；高級(jí)的隨機(jī)子空間法辨識(shí)；第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日錘擊法簡(jiǎn)支梁（固支梁）模態(tài)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解模態(tài)分析基本原理；2、了解模態(tài)測(cè)試及分析方法。第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日二、實(shí)驗(yàn)儀器安裝示意圖動(dòng)態(tài)分析儀計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及分析軟件打印機(jī)或繪圖儀簡(jiǎn)支梁加速度傳感器力錘力傳感器第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日安裝圖第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日局部安裝圖第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日三、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)梁如下圖所示，長(zhǎng)（x向）700mm，寬(y向)45mm。用單點(diǎn)拾振法做梁z方向的振動(dòng)模態(tài)。具體實(shí)驗(yàn)步驟介紹如下。

第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日（1）測(cè)點(diǎn)的確定此梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差較大，可以簡(jiǎn)化為桿件，所以只需在x方向順序布置若干敲擊點(diǎn)即可（本例單點(diǎn)拾振法-跑激勵(lì)），敲擊點(diǎn)的數(shù)目視要得到的模態(tài)的階數(shù)而定，敲擊點(diǎn)數(shù)目要多于所要求的階數(shù)，得出的高階模態(tài)結(jié)果才可信。此例中x方向把梁分成十四等份，布置了十三個(gè)測(cè)點(diǎn)（兩端點(diǎn)視為不動(dòng)點(diǎn)）。選取拾振點(diǎn)時(shí)要盡量避免使拾振點(diǎn)在模態(tài)振型的節(jié)點(diǎn)上，此處取拾振點(diǎn)在四號(hào)測(cè)點(diǎn)處。第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日（2）儀器連接儀器連接如下圖所示，其中力錘上的力傳感器接動(dòng)態(tài)采集分析儀的第一通道，DH201加速度傳感器接第二通道。（3）打開(kāi)儀器電源，啟動(dòng)DHDAS控制分析軟件，選擇分析/頻響函數(shù)分析功能。實(shí)驗(yàn)梁平面圖第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日在菜單“分析(N)”選擇分析模式“單輸入頻響”。在新建的四個(gè)窗口內(nèi)，分別單擊右鍵，在“信號(hào)選擇”對(duì)話框中設(shè)定四個(gè)窗口依次為：頻響函數(shù)數(shù)據(jù)、1-1通道的時(shí)間波形、相干函數(shù)數(shù)據(jù)和1-2通道的時(shí)間波形,如下圖。第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日分析參數(shù)設(shè)置

l

采樣率：10KHz；l

觸發(fā)方式：信號(hào)觸發(fā)l

延遲點(diǎn)數(shù)：200。l

平均方式：線性平均l

預(yù)覽平均：√（4）參數(shù)設(shè)置采樣率觸發(fā)方式延遲點(diǎn)數(shù)平均方式預(yù)覽平均第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

參考通道：1-1

設(shè)定參考通道l

工程單位和靈敏度：將兩個(gè)傳感器靈敏度輸入相應(yīng)的通道的靈敏度設(shè)置欄內(nèi)。傳感器靈敏度為KCH（PC/EU）表示每個(gè)工程單位輸出多少PC的電荷，如是力，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為牛頓N，則此處為PC/N；如是加速度，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為m/s2，則此處為PC/m/s2。靈敏度工程單位第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日量程范圍：調(diào)整量程范圍，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到較好的信噪比。調(diào)整原則：不要使儀器過(guò)載，也不要使得信號(hào)過(guò)小。

模態(tài)參數(shù)：編寫測(cè)點(diǎn)號(hào)和方向。采用單點(diǎn)拾振法時(shí)，如果測(cè)量1號(hào)點(diǎn)的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)，在1-1通道（力錘信號(hào)）的模態(tài)信息/節(jié)點(diǎn)欄內(nèi)輸入1，測(cè)量方向輸入+Z；響應(yīng)通道（加速度傳感器信號(hào)）內(nèi)輸入傳感器放置的測(cè)點(diǎn)號(hào)，方向?yàn)?Z。量程范圍量程范圍靈敏度測(cè)點(diǎn)號(hào)測(cè)量方向第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日注意：移動(dòng)敲擊時(shí)，當(dāng)力錘移動(dòng)到其他點(diǎn)進(jìn)行敲擊測(cè)量時(shí)，就必須相應(yīng)的修改力錘通道的模態(tài)信息/節(jié)點(diǎn)欄內(nèi)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)。每次移動(dòng)力錘后都要新建文件。用力錘敲擊各個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀察有無(wú)波形，如果有一個(gè)或兩個(gè)通道無(wú)波形或波形不正常，就要檢查儀器是否連接正確、導(dǎo)線是否接通、傳感器、儀器的工作是否正常等等，直至波形正確為止。使用適當(dāng)?shù)那脫袅η脫舾鳒y(cè)點(diǎn)，調(diào)節(jié)量程范圍，直到力的波形和響應(yīng)的波形既不過(guò)載也不過(guò)小。預(yù)覽平均方式打開(kāi)后，軟件在每次敲擊采集數(shù)據(jù)后，提示是否保存該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要判斷敲擊信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的質(zhì)量，判斷原則為：力錘信號(hào)無(wú)連擊，信號(hào)無(wú)過(guò)載。

第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)梁的力錘敲擊信號(hào)：第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日(5）數(shù)據(jù)預(yù)處理調(diào)節(jié)采樣數(shù)據(jù)

采樣完成后，對(duì)采樣數(shù)據(jù)重新檢查并再次回放計(jì)算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。一通道的力信號(hào)加力窗，在力窗窗寬調(diào)整合適。對(duì)響應(yīng)信號(hào)加指數(shù)窗。設(shè)置完成后，回放數(shù)據(jù)重新計(jì)算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。力信號(hào)加力窗響應(yīng)信號(hào)加指數(shù)窗啟動(dòng)回放第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日（6）模態(tài)分析l

幾何建模：自動(dòng)創(chuàng)建矩形模型，輸入模型的長(zhǎng)寬參數(shù)以及分段數(shù)；打開(kāi)結(jié)點(diǎn)信息窗口，編寫測(cè)點(diǎn)號(hào)；

Y方向分段數(shù)X方向分段數(shù)Y方向模型長(zhǎng)度X方向模型長(zhǎng)度創(chuàng)建平面注：DHMA-V2軟件可自動(dòng)創(chuàng)建矩形、圓、長(zhǎng)方體、圓錐體、圓柱體、以及球，也可選擇手動(dòng)添加的方法，具體請(qǐng)參考幫助文件。第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定測(cè)點(diǎn)號(hào)單擊設(shè)定節(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)單擊設(shè)定節(jié)點(diǎn)的Y坐標(biāo)單擊設(shè)定節(jié)點(diǎn)的X坐標(biāo)第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日導(dǎo)入頻響函數(shù)數(shù)據(jù)：?jiǎn)螕艄ぞ邫诎粹o“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”，新建一數(shù)據(jù)文件，彈出“模態(tài)數(shù)據(jù)文件選擇對(duì)話框”。單擊“測(cè)量類型”按鈕，選擇測(cè)量類型：?jiǎn)吸c(diǎn)拾振法。單擊“選擇文件”按鈕，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)讀入模態(tài)軟件，本次實(shí)驗(yàn)共13組頻響數(shù)據(jù)文件。選中所有頻響數(shù)據(jù)的上一級(jí)目錄，或者單獨(dú)選中所有頻響文件第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)識(shí)別：首先光標(biāo)選擇一個(gè)頻段的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊參數(shù)識(shí)別按鈕，搜索峰值，計(jì)算頻率阻尼及留數(shù)（振型）。光標(biāo)設(shè)定范圍搜索峰值光標(biāo)設(shè)定范圍光標(biāo)設(shè)定范圍第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日頻率計(jì)算方法留數(shù)計(jì)算方法顯示頻率留數(shù)將頻率阻尼保振型存于模態(tài)參數(shù)文件第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日（7）振型編輯模態(tài)分析完畢以后可以觀察、打印和保存分析結(jié)果，也可以觀察模態(tài)振型的動(dòng)畫顯示。（8）動(dòng)畫顯示打開(kāi)模態(tài)參數(shù)文件和幾何模型窗口，在模態(tài)參數(shù)文件窗口內(nèi)，按數(shù)據(jù)匹配命令，將模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)分配給幾何模型的測(cè)點(diǎn)。進(jìn)入到幾何模型窗口，點(diǎn)擊動(dòng)畫