振動測試技術模態(tài)試驗報告

1、研究生課程論文（2016-2017學年第二學期）振動測試技術研究生：提交日期：年月日研究生簽名:學號學院機械與汽布工程學院課程編號S0802013課程名稱振動測試技術學位類別任課教師教師評語:成績評定:任課教師簽名:模態(tài)試驗大作業(yè)0模態(tài)試驗概述模態(tài)試驗（modaltest）又稱試驗模態(tài)分析。為確定線性振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)所進行的振動試驗。模態(tài)參數(shù)是在頻率域中對振動系統(tǒng)固有特性的一種描述，一般指的是系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比、振型和模態(tài)質量等。模態(tài)試驗中通過對給定激勵的系統(tǒng)進行測量，得到響應信號，再應用模態(tài)參數(shù)辨識方法得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。由于振動在機械中的應用非常普遍。振動信號中包含著機械及結構的內在

2、特性和運行狀況的信息。振動的性質體現(xiàn)著機械運行的品質，如車輛、航空航天設備等運載工具的安全性與舒適性；也反映出諸如橋梁、水壩以及其它大型結構的承載情況、壽命等。同時，振動信號的發(fā)生和提取也相對容易因此，振動測試與分析已成為最常用、最基本的試驗手段之一。模態(tài)分析及參數(shù)識別是研究復雜機械和工程結構振動的重要方法，通常需要通過模態(tài)實驗獲得結構的模態(tài)參數(shù)即固有頻率、阻尼比和振型。模態(tài)實驗的方法可以分為兩大類：一類是經(jīng)典的純模態(tài)實驗方法，該方法是通過多個激振器對結構進行激勵，當激振頻率等于結構的某階固有頻率，激振力抵消機構內部阻尼力時，結構處于共振狀態(tài)，這是一種物理分離模態(tài)的方法。這種技術要求配備復雜昂

3、貴的儀器設備，測試周期也比較長；另一類是數(shù)學上分離模態(tài)的方法，最常見的方法是對結構施加激勵，測量系統(tǒng)頻率響應函數(shù)矩陣，然后再進行模態(tài)參數(shù)的識別。為獲得系統(tǒng)動態(tài)特性，常需要測量系統(tǒng)頻響函數(shù)。目前頻響函數(shù)測試技術可以分為單點激勵單點測量（SISO）、單點激勵多點測量（SIMO）、多點激勵多點測量（MIMO）等。單點激勵一般適用于較小結構的頻響函數(shù)測量，多點激勵適用于大型復雜機構，如機體、船體或大型車輛機構等。按激勵力性質的不同，頻響函數(shù)測試分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵、隨機激勵及瞬態(tài)激勵三類，其中隨機激勵又有純隨機、偽隨機、周期隨機之分。瞬態(tài)激勵則有快速正弦掃描激勵、脈沖激勵和階躍激勵等幾種方式。按激勵力性質

4、的不同，頻響函數(shù)測試分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵、隨機激勵及瞬態(tài)激勵三類，其中隨機激勵又有純隨機、偽隨機、周期隨機之分，瞬態(tài)激勵則有快速正弦掃描激勵、脈沖激勵和階躍激勵等幾種方式。振動信號的分析和處理技術一般可分為時域分析、頻域分析、時頻域分析和時間序列建模分析等。這些分析處理技術從不同的角度對信號進行觀察和分析，為提取與設備運行狀態(tài)有關的特征信息提供了不同的手段。信號的時域分析包括時域統(tǒng)計分析、時域波形分析和時域相關分析。對評價設備運行狀態(tài)和故障診斷而言，時域分析往往是初步的。頻域分析是機器狀態(tài)監(jiān)測中信號處理的最重要、最常用的分析方法。工程上所測得的信號一般為時域信號，然而由于故障的發(fā)生、發(fā)展往往引起信

5、號頻率結構的變化，為了通過所測信號了解、觀測對象的動態(tài)行為，往往需要頻域信息。它能通過了解測試對象的動態(tài)特性，對機械的狀態(tài)做出評價并準確而有效的診斷機械故障和對故障進行定位，進而為防止故障的發(fā)生提供分析依據(jù)。通過頻域分析把復雜的時間歷程經(jīng)傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量，可以獲得信號的頻率結構以及各諧波幅值和相位信息。根據(jù)信號的性質及變換方法的不同，常用的頻域分析方法有：頻譜、自功率譜、立功率譜、倒頻譜、細化譜、相干函數(shù)、頻響函數(shù)分析等，這些頻域分析的核心算法是快速傅里葉變換（FFT）。對非平穩(wěn)或時變信號的分析方法統(tǒng)稱為時頻分析，它將時域和頻域組合成一體，兼顧到非平穩(wěn)信號的要求。時頻分析方法

6、應用于設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，可以很好的為確定設備的運行狀態(tài)提供判斷依據(jù)。時頻分析中最重要的是短時傅里葉變（STFT）、小波變換（WT）、Wigner-Ville時頻分析和Hilbert-Huang變換。與經(jīng)典的基于FFT的分析方法不同，時間序列分析方法是對采集到的振動信號建立時間序列模型，通過對模型參數(shù)的分析識別系統(tǒng)的特性和狀態(tài)。時間序列模型有自回歸滑動平均模型（ARMA）,自回歸模型（AR）和滑動平均模型（MA）三種。目前振動信號測量與分析在很多領域得到了廣泛應用，測試和分析也發(fā)展到了較高的水平。但仍然存在很多需要解決的問題。展望未來，有如下幾方面需要突破和發(fā)展：無線智能型傳感器、傳感器的

7、微型化及納米級結構的動力學測試問題、更高速度的數(shù)字信號處理技術和更快的數(shù)據(jù)輸出速度、激振力無法測量情況下結構模態(tài)參數(shù)識別、非穩(wěn)態(tài)信號的分析、非線性信號分析問題、微弱信號檢測問題、激光測振技術的進一步發(fā)展。1實驗目的1 .了解模態(tài)測試技術的原理和實施方法。2 .學會用“激勵法”測量振動系統(tǒng)的模態(tài)與振型，通過軟件求得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。3 .初步掌握MESCOPE軟件的使用方法以及對模態(tài)測試結果的分析方法。2實驗設備上海北智14206加速度傳感器2個（9g,0.58000Hz）,圖1（A）所示。PCB模態(tài)力錘086C03一個（0.1kg,8kHz,500lb），圖1（B）所示。IOTECHZonicB

8、ook618E動態(tài)信號分析儀一臺，圖1（C）所示。鑄鐵薄板一個，圖1(D)所示。(B)(C)(D)圖1實驗器材3實驗步驟本實驗測試對象是一塊300mmx300mm,中央開圓孔(直徑為50mm),厚度為8mm的鐵板，采用多點激勵多點測量(SIMO)測試方式。實驗的原理是：用力錘對被測物體進行激振，錘頭內的力傳感器和被測物體上的加速度傳感器同時記錄下脈沖激勵和被測物體的響應，經(jīng)IOTECH采集處理，傳入計算機進行進一步計算分析。數(shù)據(jù)采集完畢后，采用Mescope模態(tài)分析軟件，首先對被測對象進行建模，導入數(shù)據(jù)進入模態(tài)分析，根據(jù)振動理論，分析系統(tǒng)在各階的模態(tài)，自動生成分析結果并可以生成振動的仿真動畫、

9、各階頻率、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等參數(shù)。3.1 實驗平臺的搭建將力錘連接入IOTECH的1號通道，2個加速度傳感器分別接入2、3號通道。在被測物表面選取測點并編號(如圖2),將加速度傳感器置于物體的24、16點，用數(shù)據(jù)線將IOTECH與計算機連接，連接框圖如圖3所示。開啟計算機上的Z-Analyst軟件，調整軟件即時顯示窗口為FRF窗口，沖擊脈沖Time窗口,傳感器響應time窗口以及Coherence窗口。圖3實驗設備的連接框圖3.2 IOTECH參數(shù)設置著先需要設置分析頻率。由于所分析的結構簡單，其固有頻率比較小，因面分析頻率范圍設在02000Hz,奈奎斯特因子可以選取2.56。選取輸入信號

10、作為觸發(fā)信號，由于力錘的力和操作人員有很大關系，因而可以選取10次平均以消除或降低誤差，其相應設置見圖4(A)o力錘連接的1號通道設為Reference,加速度傳感器連接的2、3號通道設為Respond,并去掉其它通道前面的勾號，同時選取合適的量程并輸入靈敏度參數(shù)，其具體設置見圖4(B)FFTSetup設置中，ReferenceChannel加指數(shù)窗，ResponseChannel加矩形窗,具體設置見圖4(C)。(A)(B)(C)圖4ez-analysis數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置3.3 信號采集用力捶依次敲擊被測對象的每一個測點，設定為連續(xù)敲擊，從每個點敲擊10次。在圖中顯示力的時域信，以及各輸出通道

11、的時域信號。同時顯示相干和RFR窗口。對采集的數(shù)據(jù)進行保存，每個點保存一個數(shù)據(jù)文件，然后用ezAnalys將文件轉化為可用于MEScope處理的格式(unv),主要保存數(shù)據(jù)的FRF信息。3.4 MEscope模態(tài)分析打開MEscope模態(tài)分析軟件，將每個點的FRF導入軟件中進行模態(tài)分析，算出固有頻率，阻尼系數(shù)，以及留數(shù)。在導入時根據(jù)點的不同修改DOFs。TranslateFilesUU1:CHKSlert：2Chukh+120Q(z)*V/t2CH.IXhwtft4l1ChuiftXAxisXStep：t253)LoadPreviousValuesXEnd21+03air)、一一.一5wipl

12、es：1600UsFileName.sDOFs弩：MidtDOFJ5UnitsUttiiurtffitntTyp*m時工加utC01wOutput-二Mf!|班|No11C.cc)/Of)FRFOutputaohCH2：Chajj-ie12M超No12UcnWQf)FRFOutputAcetierhlion.CM,2：Chuuiel2=Mf3NokJ13(tec)/Qf)一1JPSfOutputAed.rmgCM.2:Chwt*l2M梨NoHJHCwc)/Q?)FBFOutputActltr*ti0hCH-2：Ch*hn*l2MiG_NoMoJ15(c)/onTHFOutpyt址celer3m

13、UH2:Chel2NoHoElHOT)FRFOutputAccelerittion.CH,2：ChunelMTNq|HoI熊(tec)/(M)FRFOutputAccelerati9nCH=2：ChJUHelZHMumel1m(d/00PBJOutrai址口ZCIuratl20!：Chnnel1352（姓蟾/00血由ill:1tik士ECMf：kuaitl總：hV/dP亡工.：ClhKnnriil113Z舊可叫FBJOutput“MlwEkUiCH.S.CKuuiaI2:bV/s-2CU.1:Chum電111夠(weJ/QftPBJOutiratAsOtnH皿CM.匯Chw$2：bV/s42O

14、i.LCbiumd.115Z(ijccV面PBJOutpnat肌口ZChriraelZVsCH.：Channel1諭Ce)/0i)FHJ。土州*,ikECilarBLlpiiCN2HhMmb!：V/b邙.】：Chvnn.l1m(MeJ/WFHOuLpulbMl+nUMCM.2.CLua12：ft/s_2CH.1:山八138ZPRJOutpat上M0皿CM.Z.CkuL2：nV/sJ2CH.l.Chum.l119Z(:cVCffjPBJOutpnatMui,MielCNZ：CK*nnel2eV/dZ口1.l：C&inn式1圖84實驗結果按照上述的方法對實驗測量的結果導入到MEScope軟件中進行

15、分析，各點測量的結果經(jīng)分析得到周頻，阻尼系數(shù)，以及留數(shù)。圖9（A）為頻率響應函數(shù)（RFR）重疊后的總體曲線，由此圖可以看出被測物體固有頻率的大致分布。圖9（B、C）為經(jīng)MEScope計算得到的固有頻率。從圖中可知，當分析頻率范圍設在了0至2000Hz,軟件在該頻段中識別出了7個模態(tài)。營：已電(A)SelectModgFrequency(Hz)Damping(Hi)Damping(%)ResiiuMa8ResidueFhs(dac)1%269039501376.23335丁4210.3240.07711-0.7263IL上524口,4340.0828147T4347660.613o.oaoT15

16、3-6,5E口1.331+032.210166917177j14E4O30960.0BS61351767Y”l.fi3E+0353fi0.32156.2-171CWIFgiMPwt1E+O41E+03(B)(C)圖9MEScope分析結果為了能更好的觀察系統(tǒng)的振型，在導入測量數(shù)據(jù)后，可以繼續(xù)畫出系統(tǒng)的hm*TeevDndJ結構圖，通過生成各階固有頻率的動畫，可以直觀的看到振動情況，其各振型如圖9所示。Twr3heikEkdl111: 5，胤二型即(A)一階振型(B)二階振型(D)四階振型Tint3TlIImmI且I;61:cr：3)IletIkraiL：ILLikttL城明(E)五階振型(F)六階振型圖9模型各階振型動畫5實驗總結1 .力錘擊振法屬于瞬態(tài)測試技術的一種方法，該方法雖然簡單，但也有其固有的缺陷，比如敲擊的方向和波形不易控制，重復性較差。反映在本次試驗上，由于敲擊力度和時間間隔把握不是很好，每個點的10次敲擊相干性并不是太好，造成了其相干系數(shù)值