試驗?zāi)B(tài)分析基本步驟
2.2試驗?zāi)B(tài)分析基本步驟試驗?zāi)B(tài)分析一般分為如下的四個步驟：第一步：建立測試系統(tǒng)所謂建立測試系統(tǒng)就是確定實驗對象，選擇激振方式，選擇力傳感器和響應(yīng) 傳感器，并對整個測試系統(tǒng)進行校準。第二步：測量被測系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)這是試驗?zāi)B(tài)的關(guān)鍵一步，所測量得到的數(shù)據(jù)的準確性和可靠性直接影響到 模態(tài)試驗的結(jié)果。在某一激振力的作用下被測系統(tǒng)一旦被激振起來，就可以通過 測試儀器測量得到激振力或響應(yīng)的時域信號，通過數(shù)學(xué)手段將其轉(zhuǎn)化為頻域信號， 就可以得到系統(tǒng)頻響函數(shù)的平均估計，在某些情況下不要求計算頻響函數(shù)，只需 要時間歷程就可以了。第三步：進行模態(tài)參數(shù)估計[26]即利用測量得到的頻響函數(shù)或時間歷程來估計模態(tài)參數(shù)，包括：固有頻率， 模態(tài)振型，模態(tài)阻尼，模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量等。第四步：模態(tài)模型驗證[27]它是對第三步模態(tài)參數(shù)估計所得結(jié)果的正確性進行檢驗，它是對模態(tài)試驗成 果評定以及進一步對被測系統(tǒng)進行動力學(xué)分析的必要過程。以上的每個步驟都是試驗?zāi)B(tài)中必不可少的組成部分，其具體的介紹如下：1、建立測試系統(tǒng)建立測試系統(tǒng)是模態(tài)試驗的前期準備過程，它主要包括：被測對象的理論分 析和計算，測試方案的確定（包括激振方式的確定，傳感器的選擇，數(shù)據(jù)采集分 析儀器的選擇等），按照方案要求安裝和調(diào)試，測試系統(tǒng)的校準等工作。接下來對激振方式，傳感器的選擇和數(shù)據(jù)采集儀器的選擇的具體介紹如下：1.1激振方式的確定：激振方式有很多種，主要分為天然振源激振和人工振源激振[281。天然振源包 括地震，地脈動，風(fēng)振，海浪等；其中地脈動常被使用于大型結(jié)構(gòu)的激勵，其特 點是頻帶很寬，包含了各種頻率的成分，但是隨機性很大，采樣時間要求較長， 人工振源包括起振機，激振器，地震模擬臺，車輛振動，爆破，張拉釋放，機械 振動，人體晃動和打樁等。其中爆破和張拉釋放這兩種方法應(yīng)用較為廣泛。在工 程實際中應(yīng)當根據(jù)被測對象的特點，選取適當?shù)募ふ穹绞健?.2傳感器的選擇：傳感器是測試系統(tǒng)的一次儀表，它的可靠性，精確度等參數(shù)指標直接影響到 系統(tǒng)的質(zhì)量。傳感器的選用原則如下：1)、靈敏度要求一般的講，傳感器靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，意味著傳感器所能感 知的變化量越小，被測量稍有微小變化時，傳感器就有較大的輸出。但是當傳感 器的靈敏度越高時，與被測信號無關(guān)的外界干擾也越容易混入，并且同樣被放大 裝置所放大。因此為了保證既要檢測到微小量值，又要干擾小，這就要求傳感器 的信噪比越大越好。此外，和靈敏度緊密相關(guān)的是測量范圍，除非有專門的非線性校正稽旋，最 大的輸入量不應(yīng)使傳感器進入非線性區(qū)域，更不能進入飽和區(qū)域。某些測試工作要在較強的噪聲干擾下進行。其輸入量不僅包括被測量，也包括干擾量；兩者之 和不能進入非線性區(qū)。過高的靈敏度會縮小其適用的測量范圍。2) 、響應(yīng)特性在所測頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真的測量條件。此外， 實際傳感器的響應(yīng)總有一定遲疑，但總希望遲疑的時間越短越好。在動態(tài)測量中， 傳感器的響應(yīng)特性對測試結(jié)果有直接影響，在選用時，應(yīng)充分考慮到被測物理量 的變化特點。3) 、線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線 性范圍越寬表明傳感器的工作量越大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精 度的基本條件。然而任何傳感器都不容易保證其絕對的線性，在許可限度內(nèi)，可 以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。選用時必須考慮被測物理量的變化范圍，令其線性誤 差在允許范圍以內(nèi)。4) 、可靠性可靠性是傳感器和一切測量裝置的生命。所謂可靠性是指儀器，裝置等產(chǎn)品 在規(guī)定的條件，在規(guī)定的時間內(nèi)可以完成規(guī)定功能的能力。只有產(chǎn)品的性能參數(shù) (特別是主要的性能參數(shù))均處在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，方能視為可完成規(guī)定的功能。 因此在傳感器的選用過程中其可靠性是挑選傳感器的重要指標之一。5）、精確度傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量的真值一致的程度。傳感器處于 測試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實的反映被測量值，對整個測試系統(tǒng)具 有直接影響。然而，傳感器精確度余額高，價格越昂貴，因此應(yīng)從實際情況尤其 應(yīng)從測試目的出發(fā)來選擇傳感器。6）、測量方式傳感器在實際條件下的工作方式也是傳感器選擇必須考慮的因素。工作環(huán)境 的不同情況對傳感器的要求也不同。7）、其它因素除了以上選用傳感器時應(yīng)該充分考慮的因素之外，還應(yīng)該盡可能的兼顧結(jié)構(gòu) 簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等因素。2.3數(shù)據(jù)采集分析儀器的選擇：如今市場上的這類儀器很多，能夠完成試驗任務(wù)的儀器在價格、配置、性能、 售后服務(wù)等方面差異很大。根據(jù)不同的試驗要求我們可以從如下幾個方而考慮： 資金預(yù)算；測量的類型、數(shù)量、頻率和位置；測量的通道數(shù)；******頻率范圍；儀 器的抗千擾能力，精度，可靠性等指標；濾波器類型，窗的類型，軟硬件的兼容 性；便攜性能等。3測量被測系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)安裝、調(diào)試并校準之后，就可以開始試驗了。在試驗工程中，測試 人員的經(jīng)驗，對儀器操作的熟練以及嚴謹?shù)脑囼瀾B(tài)度都直接影響到試驗的結(jié)果。 如果采用地脈動激勵測試系統(tǒng)，一般要求數(shù)據(jù)采集時間為30分鐘左右。4進行模態(tài)參數(shù)估計[29]試驗?zāi)B(tài)參數(shù)通常是通過曲線擬合一組頻響函數(shù)數(shù)據(jù)后估計得到的。在頻響 函數(shù)的頻帶內(nèi)進行曲線擬合，擬合的結(jié)果就是每一階模態(tài)的一組模態(tài)參數(shù)(固有頻 率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量)。曲線擬合是頻響函數(shù)的參數(shù)與 試驗數(shù)據(jù)匹配的過程。頻響函數(shù)的部分分式中參數(shù)就是極點(含頻率和阻尼信息丨 和留數(shù)(含振型信息)。7V自由度系統(tǒng)有頻響函數(shù)(頻響矩陣的一行或一列)的留數(shù)可 以求出各階振型，由極點可以求得固有頻率和阻尼比。進行模態(tài)參數(shù)估計的方法有很多種，從自由度來分可以分為單自由度和多自 由度兩種。4.1單自由度法[3Q]單自由度法有很多種，常見方法有如下兩種：峰值法(圖解法)：利用峰值光標在光標帶內(nèi)尋找共振峰。將每個FRF上峰位置處的幅值保存為 模態(tài)振型的一個成分，將所有FRF峰值頻率進行平均后獲得模態(tài)頻率的估計值。 (但是這種方法無法計算出模態(tài)阻尼)。不同F(xiàn)RF數(shù)據(jù)曲線上的共振峰稍稍漂移時，采用這種方法估計模態(tài)參數(shù)是很 有用處的。共振峰漂移現(xiàn)象主要是由于FRF測量采集過程中環(huán)境激勵的變化或移 動傳感器時附加質(zhì)量的變化引起。導(dǎo)納圓擬合法：所謂導(dǎo)納圓擬合法是用頻域中的模態(tài)模型對系統(tǒng)極點和模態(tài)向量進行局部估 計[311。此方法的依據(jù)是：單自由度系統(tǒng)的速度頻響函數(shù)(速度對力)在奈奎斯特圖 上(即實部對虛部)呈現(xiàn)為一個圓。系統(tǒng)固有頻率可以看成復(fù)平面上數(shù)據(jù)點之間角 度變化率******的那個點的頻率。導(dǎo)納圓擬合法計算速度快，通過量綱校核可以避 免結(jié)果出錯。4.2多自由度法多自由度法也有很多種如正交多項式擬合法、復(fù)指數(shù)法等。多自由度法可以 從一組FRF數(shù)據(jù)中，同時估計兩階或兩階以上的模態(tài)參數(shù)[32]。其中正交多項式擬 合法是直接對一組FRF進行曲線擬合的一種頻域方法。它是基于多個FRF的最 小二乘曲線擬合原理，來估計FRF分母多項式(又稱：特征多項式)的系數(shù)；然后 從特征多項式的解中提取模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼。復(fù)指數(shù)法是一種整體時域方法[33]， 它也是基于最小二乘曲線擬合原理來估計FRF的分母多項式的系數(shù)，模態(tài)頻率和 模態(tài)阻尼可以從特征多項式的解中提取出來。這種方法是對脈沖響應(yīng)函數(shù)進行估 計的，通過傅利葉逆變換(IFFT)，可以得到頻率響應(yīng)函數(shù)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。一旦得到一組固有頻率和模態(tài)阻尼的估計值后，利用整體多項式對FRF數(shù)據(jù) 進行單獨曲線擬合，然后從每一個多自由度擬合的FRF曲線上獲得留數(shù)的估計值。 在留數(shù)曲線擬合過程中，通過最小二乘曲線擬合估計得到每個FRF的分子多項式 系數(shù)。對于擬合頻帶之外的模態(tài)留數(shù)對頻帶內(nèi)模態(tài)留數(shù)的影響，同過使用附加分子 多項式的方法自動加以補償。（這對獲得準確的模態(tài)振型估計是非常重要的)。然 后通過對FRF曲線擬合后的模型進行部分分式展開，通過部分分式展開項可以求 得模態(tài)的留數(shù)。5模態(tài)模型驗證[34]模態(tài)模型驗證是實驗?zāi)B(tài)分析的第四步，它對第三步即模態(tài)參數(shù)估計所得結(jié) 果的正確性進行檢驗。模態(tài)模型驗證一般可以按照三種級別進行。第一級別相當 直觀，不涉及任何數(shù)學(xué)工具，對模態(tài)振型進行視覺檢查，或把實測到的頻響函數(shù) 與從模態(tài)參數(shù)識別過程中計算得到的頻響函數(shù)進行比較。第二級別的驗證是利用 某些數(shù)據(jù)工具檢驗估計出來的模型質(zhì)量。如模態(tài)規(guī)定準則，模態(tài)參預(yù)、互異性、 模態(tài)超復(fù)雜性，模態(tài)相位共線性，平均相位偏移，模態(tài)置信因子等這些工具。第 三級別驗證時一種隱含式驗證：當模型用于靈敏度分析，結(jié)構(gòu)變化效果預(yù)測，有 限元模型修正等進一步分析時，這些分析的成功很大程度上決定于模態(tài)模型估計 的正確性。.實驗?zāi)B(tài)分析過程中還包括其他一些方面的驗證：首先是測量(試件固定，校 準、傳感器信號等)的正確性必須驗證，其次測量得到的頻響函數(shù)必須通過相干函 數(shù)加以驗證。5.1模態(tài)比例因子CMSF)和模態(tài)判定準則(MAC)模態(tài)比例因子給出的是兩個向量之間比值的最小二乘估計[35]。模態(tài)判定準則 就是對應(yīng)的相關(guān)因子。如果模態(tài)判定準則為1,則說明這兩個向量在一個比例系 數(shù)內(nèi)，即在模態(tài)比例因子內(nèi)，是完全等同的。如果模態(tài)判定準則是0,那么說明 這兩個向量之間不存在線性關(guān)系，估計出來的模態(tài)比例因子便失去意義。這個原 理即可用做模態(tài)模型驗證的一個工具，也可當作檢驗所選的模態(tài)向量估計法是否 合適的一個標志。5.2模態(tài)復(fù)雜性(MOV)在一個測量點給結(jié)構(gòu)附加一個質(zhì)量，將會降低各階模態(tài)的阻尼固有頻率，這 個原理構(gòu)成了模態(tài)復(fù)雜性檢驗的基礎(chǔ)。物理模態(tài)的超復(fù)雜性值應(yīng)當為1。如果模 態(tài)超復(fù)雜性的值低，表明此模態(tài)是個噪聲模態(tài)或計算模態(tài)。在試驗數(shù)據(jù)處理過程 中應(yīng)予以剔除。5.3模態(tài)相位共線性(MPC)和平均相位偏移(MTO)比例阻尼系統(tǒng)的模態(tài)振型是“純”模態(tài)：對于某一具體模態(tài)的各振型系統(tǒng)來說， 相位都是固定的。適當比例換算后，模態(tài)振型相位或者是〇°，或者是180°。模態(tài) 相位共線性(MPC)是…個檢查某階模態(tài)的復(fù)雜性程度的一個指標。對于實模態(tài)， MPC這個指標接近于1:小于1則表示模態(tài)比較復(fù)雜，說明在我們本指望基本上 是純模態(tài)的情況中存在著計算模態(tài)或噪聲模態(tài)。模態(tài)相位偏移表示每個模態(tài)振興 的相位散布情況；對于純模態(tài)它的值應(yīng)該為0。 本文采摘自“VMC1060型立式加工中心試驗?zāi)B(tài)分析”，因為編輯困難導(dǎo)致有些函數(shù)、表格、圖片、內(nèi)容無法顯示，有需要者可以在網(wǎng)絡(luò)中查找相關(guān)文章！本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！
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