實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論1.結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的建模方法理論建模：動(dòng)力學(xué)仿真分析 耦合的力平衡方程 通過(guò)有限元離散模型，采用模態(tài)分析理論、特征值求解技術(shù)和矩陣變換技術(shù)獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性：頻率、阻尼和振型；建立結(jié)構(gòu)完整模態(tài)模型（一組解耦的方程組）、系統(tǒng)的傳遞特性（傳遞函數(shù)或頻響函數(shù)），進(jìn)一步建立結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)計(jì)算模型和時(shí)域響應(yīng)計(jì)算模型。通過(guò)網(wǎng)格調(diào)整和模型的縮減技術(shù)，可以建立與實(shí)測(cè)模型具有比對(duì)意義的分析模型。用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的指導(dǎo)和分析模型的修改。對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的指導(dǎo)作用主要表現(xiàn)在：確定傳感器和激勵(lì)設(shè)備的配置方案、傳感器類(lèi)型、頻響、靈敏度、線性范圍、溫度特性等的要求。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論1.結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的建模方法

2、實(shí)驗(yàn)建模：實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法1 采用實(shí)驗(yàn)建模的原因（1）實(shí)際結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，難以采用理論簡(jiǎn)化和進(jìn)行精確的動(dòng)力學(xué)仿真分析 組成部件多，連接關(guān)系復(fù)雜，甚至有剛體、柔性體及機(jī)構(gòu)耦合； 包含間隙、摩擦等非線性； 包含大位移和大變形等幾何非線性； 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、構(gòu)形、邊界條件和受力條件時(shí)變； 受復(fù)雜風(fēng)載、運(yùn)動(dòng)載荷、熱環(huán)境條件等共同作用；如發(fā)電機(jī)組、大橋 （2）動(dòng)力學(xué)仿真分析的結(jié)果需要得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證； 原型試驗(yàn)（Prototype Experiment） 全尺寸模型試驗(yàn)(Full Scale Model Experiment) 縮尺動(dòng)力學(xué)相似模型試驗(yàn)(Scale Model Experiment) 部件試驗(yàn)(Comp

3、onent Experiment) 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論1.結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的建模方法實(shí)驗(yàn)建模：實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法2 實(shí)驗(yàn)建模分類(lèi)實(shí)驗(yàn)建模：通過(guò)系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出響應(yīng)之一或全部來(lái)確定系統(tǒng)動(dòng)特性模型的方法。因此又可稱(chēng)為辨識(shí)過(guò)程。辨識(shí)的方法可分為： 系統(tǒng)辨識(shí)：模型的形式、階次、參數(shù)均未知； 參數(shù)辨識(shí)：模型的形式已知，階次和參數(shù)待定；或僅參數(shù)待定；3 有限元仿真與實(shí)驗(yàn)建模對(duì)比網(wǎng)格規(guī)模問(wèn)題有限元模型的自由度任意性很大，適當(dāng)?shù)淖杂啥葦?shù)取決于：分析頻帶。確定了分析的模態(tài)階數(shù)。理論上只需要一個(gè)傳感器即可獲得結(jié)構(gòu)的全部頻率，但用于與之對(duì)比的有限元網(wǎng)格的規(guī)?？隙ㄒ笥谝弧?有限元網(wǎng)格能夠描述分析頻帶內(nèi)的全部模態(tài)振型

4、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論2.基本概念實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論2.基本概念實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論2.基本概念什么是實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（EMA）通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法（獲取頻率響應(yīng)FRF），然后模態(tài)估計(jì)和識(shí)別方法，得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。動(dòng)力學(xué)仿真分析（FEM）根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件和材料特性，進(jìn)行建模，獲取M、C、K，然后計(jì)算模態(tài)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論2.基本概念模態(tài)分析理論的基本假設(shè)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論2.基本概念模態(tài)分析理論的基本假設(shè) 線性假設(shè) 時(shí)不變假設(shè) 可觀測(cè)性假設(shè)系統(tǒng)滿(mǎn)足： 線性疊加性superposition 一致性homogenety 互易性reciprocity實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論2.基本概念實(shí)驗(yàn)

5、模態(tài)分析基本理論2.基本概念實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論2.基本概念模態(tài)試驗(yàn)的過(guò)程頻響函數(shù)的測(cè)量曲線擬合模態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果輸出、動(dòng)畫(huà)顯示結(jié)果驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量1 測(cè)試系統(tǒng)及設(shè)備頻響函數(shù)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有特性，但它可以通過(guò)作用于系統(tǒng)的激勵(lì)和對(duì)應(yīng)的響應(yīng)來(lái)描述 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量1 測(cè)試系統(tǒng)及設(shè)備 試驗(yàn)結(jié)構(gòu) 激勵(lì)系統(tǒng) 測(cè)量系統(tǒng) 分析系統(tǒng) 輸出和記錄系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量1.1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)（Structure

6、under Test）線性條件下，被測(cè)試的結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性是結(jié)構(gòu)固有的。而我們要測(cè)試的FRFs只是結(jié)構(gòu)固有特性的一個(gè)近似模型。 結(jié)構(gòu)可以用不同的數(shù)學(xué)模型描述，至少可表現(xiàn)為測(cè)試方案的不同選?。海?）激勵(lì)點(diǎn)的位置、激勵(lì)方式和個(gè)數(shù)不同；（2）測(cè)量點(diǎn)的分布和個(gè)數(shù)。測(cè)試方案不同，對(duì)結(jié)構(gòu)特性的描述模型（自由度數(shù)、參數(shù)等）也不同，但這些模型均是對(duì)結(jié)構(gòu)特征值的近似表示。關(guān)鍵在于解決實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)構(gòu)實(shí)際特性之間的近似程度問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量1.2 激勵(lì)系統(tǒng)（Excitation System）穩(wěn)態(tài)激勵(lì)（Stationary Excitation）：信號(hào)發(fā)生器（Source Function G

7、enerator）、功放(Power Amplifier)、激振器(Shaker、Actuator)信號(hào)發(fā)生器：正弦（Sinusoidal）、隨機(jī)（Random）、瞬態(tài)（Transient）激振器：無(wú)臺(tái)面、小推力。有臺(tái)面的激振器通常稱(chēng)為振動(dòng)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量 壓電陶瓷（Piezo-Ceramic）激振器：小型、高頻（通?？筛哌_(dá)60kHz-180kHz）、推力(Force)小、行程（Stroke）小，位移和波形(waveform)控制精確（微米級(jí)）； 電動(dòng)式（Electrical）：頻帶寬(0-5.5kHz)、能量較大，推力可達(dá)噸級(jí)，行程一般可達(dá)1至2英寸、位移和波形控制

8、較精確（標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)失真(distortion)可控制在10%以下），但特大推力困難，出于技術(shù)壟斷和軍事目的20噸以上推力振動(dòng)臺(tái)美國(guó)限制對(duì)華出口； 電液伺服式（Hydro-Electric Servo）：頻帶窄（0-500 Hz）、能量大、推力大、行程大； 機(jī)械式（Mechanical）：頻帶窄（10-100Hz）、行程一般數(shù)毫米、噪音大、位移和波形控制不精確；實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量(2) 沖擊激勵(lì)（Impact Excitation）：力錘（Hammer），適用于小阻尼線性結(jié)構(gòu)。還有夯錘、落錘、擺式?jīng)_擊錘、小火箭等；(3) 脈動(dòng)等（Enviromental Excitation）：

9、利用大地、地震、人工爆炸模擬地震風(fēng)等條件引起的振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量1.3 測(cè)量系統(tǒng)(Measurement System)：傳感器+放大器（Transducer+Amplifier）ICP傳感器（內(nèi)裝IC放大電路） （Integrated Circuit Piezoelectric）實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量1.4 分析系統(tǒng)：毫伏表、相位計(jì)、示波器、濾波器、頻率計(jì)頻譜分析儀（模擬式、數(shù)字式）：HP35665A、HP3567A、HP3565S虛擬設(shè)備（PC-Based軟件和硬件集成，可視化虛擬分析儀和顯示儀表）1.5 輸出和記錄設(shè)備：計(jì)算機(jī)顯示、磁盤(pán)、光盤(pán)、記

10、錄儀、打印機(jī)等。 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量Matlab：支持AD板，但未提供各主要數(shù)采和分析硬件制造商的硬件驅(qū)動(dòng)程序。可視化圖標(biāo)式編程（Icon-based Pragramming）、科學(xué)計(jì)算、數(shù)學(xué)仿真、控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等功能強(qiáng)大。SD公司的Siglab HP-VEE虛擬試驗(yàn)方案：美國(guó)HP公司產(chǎn)品。支持VXI總線（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的硬件，但該總線硬件種類(lèi)較少，非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備無(wú)法集成，如振動(dòng)臺(tái)。是系統(tǒng)集成商級(jí)的虛擬軟件平臺(tái)。 DasyLab虛擬設(shè)備集成平臺(tái)：德國(guó)Iotech公司產(chǎn)品。1996年左右在中國(guó)推出。有配套的硬件設(shè)備，軟硬件價(jià)格均較低，性能較高，同時(shí)支持多家數(shù)采系統(tǒng)硬件，與MatL

11、ab、VC、VB兼容。非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備無(wú)法集成。是用戶(hù)級(jí)的虛擬軟件平臺(tái)。 LabView：美國(guó)NI公司產(chǎn)品。功能強(qiáng)大，是系統(tǒng)集成商級(jí)的虛擬軟件平臺(tái)。與MatLab、VC、VB兼容。NI公司是虛擬設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的倡導(dǎo)者和制訂者。目前在國(guó)內(nèi)外均有大量用戶(hù)。 DiaDem：奧地利產(chǎn)品。1999推出到中國(guó)，目前用戶(hù)較少。已被NI收購(gòu)。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量2 激勵(lì)方式2.1 步進(jìn)式正弦激勵(lì)（Step Sine Excitation） 單頻率激勵(lì)得到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。應(yīng)該采取不等距步長(zhǎng)的激勵(lì)，在共振區(qū)，曲線變換劇烈，應(yīng)該采用小步長(zhǎng)，保證半功率點(diǎn)之間至少有3個(gè)采樣點(diǎn)。在遠(yuǎn)離共振區(qū)，曲線變化平緩，可采用較大步長(zhǎng)

12、。2.2 自動(dòng)正弦掃描激勵(lì)(Auto-Swept Sine Excitation) a(t)TimeARMSTrTime實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量2.3 隨機(jī)激勵(lì)(Random Excitation)純隨機(jī)(Random)，應(yīng)采用漢寧窗（Hanning Window），難免泄漏（Leakage） 偽隨機(jī)（Pseudo Random周期隨機(jī)），矩形窗（Rectangular），可無(wú)泄漏。 猝發(fā)隨機(jī)（Burst Random），占空比(10%100%)可調(diào)，與阻尼比有關(guān)。矩形窗, 可無(wú)泄漏。TTTTTimea(t)p(a)a(t)Time實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量2.4 沖

13、擊激勵(lì)（Impact Excitation）激勵(lì)頻率：DC 。激勵(lì)的時(shí)域波形近似半正弦，頻譜為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3 lb大樓、橋梁12 lb大型機(jī)器設(shè)備汽車(chē)車(chē)架1 lb部件0.3 lb（通用型）硬盤(pán)，電路板，渦輪機(jī)葉片小型力錘應(yīng)用舉例力錘大小3.頻響函數(shù)的測(cè)量2.4 沖擊激勵(lì)（Impact Excitation）力錘的使用范圍實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量3 試件及激振器的支撐1.自由支承(Free-Free Support)。無(wú)約束條件對(duì)仿真計(jì)算容易實(shí)現(xiàn)，但需要進(jìn)行移頻處理。試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)真正自由支承的方法有：氣懸浮、磁懸浮、太空無(wú)重力環(huán)境、自由下落（失重）。實(shí)際支承的最高剛體頻率小于結(jié)

14、構(gòu)最低彈性頻率的 ，即可減少基礎(chǔ)模態(tài)（懸掛系統(tǒng)）對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)近似自由支承。因此對(duì)于低頻模態(tài)（小于1Hz）要實(shí)現(xiàn)自由支承很困難，但對(duì)高頻模態(tài)實(shí)現(xiàn)自由支承很容易。主要方法有：橡膠繩懸掛。要求橡膠繩足夠長(zhǎng)、足夠軟。軟彈簧支承。 海綿墊、橡膠墊支承。 空氣彈簧。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量3 試件及激振器的支撐2.固支支承（Fixed-Fixed Support）。又稱(chēng)地面支承。理論上容易實(shí)現(xiàn)，仿真計(jì)算時(shí)只需要將有關(guān)自由度約束即可。但實(shí)現(xiàn)起來(lái)有困難。由于實(shí)現(xiàn)固支條件的結(jié)構(gòu)不可能是剛性的，有彈性。因此要實(shí)現(xiàn)固支支承，就必須要求支承結(jié)構(gòu)的最低彈性體頻率遠(yuǎn)高于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的最高分析頻率。因此

15、要實(shí)現(xiàn)高頻模態(tài)的固支支承是很困難的，一般情況下，中小結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的固支頻率大約是400Hz，特殊條件下小結(jié)構(gòu)固支有可能超過(guò)1000Hz，但對(duì)大結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)固支支承很困難。3.實(shí)際工作狀態(tài)支承。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量3 試件及激振器的支撐激振器：1.固支在結(jié)構(gòu)物外。2.懸掛在結(jié)構(gòu)物外（低頻）。因使激振器懸掛系統(tǒng)的頻率遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的激勵(lì)和彈性體共振頻率。必要時(shí)可在激振器上附加大的質(zhì)量塊以進(jìn)一步降低懸掛頻率。3.采用隔振懸掛在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論結(jié)構(gòu)懸掛激振器支撐結(jié)構(gòu)懸掛激振器懸掛實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論傳感器安裝 螺釘S

16、tud 粘接Cement 蜂蠟Wax 磁座Magnet力傳感器和激振器 螺釘Stud 連接桿StingerProperties of StingerAxial Stiffness: HighBending Stiffness: LowAccelerometerShakerFaForceTransducer3.頻響函數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量4 測(cè)點(diǎn)布置與激振點(diǎn)的選擇測(cè)點(diǎn)布置1.能夠較好地反映結(jié)構(gòu)物的構(gòu)型2.能夠充分顯示結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型例：一個(gè)梁?jiǎn)卧獰o(wú)法求解簡(jiǎn)支梁的10個(gè)模態(tài)。計(jì)算上一般要求至少20個(gè)單元，計(jì)算出的20階模態(tài)，只有前10階準(zhǔn)確。激勵(lì)點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)節(jié)點(diǎn)節(jié)線。多點(diǎn)激勵(lì)進(jìn)行

17、校核。激勵(lì)力的選擇在不破壞試件的情況下，盡可能大的激勵(lì)力，有助于提高信噪比。不同大小的激勵(lì)力，可以定性考查結(jié)構(gòu)非線性的程度實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論3.頻響函數(shù)的測(cè)量 需要多點(diǎn)激勵(lì)的情況：1、重頻、密頻；2、結(jié)構(gòu)巨大，需要大的能量激勵(lì)；3、一激勵(lì)點(diǎn)為某階感興趣模態(tài)的節(jié)點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論4.曲線擬合方法單自由度擬合法SDOF多自由度擬合法MDOF實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論時(shí)域法：頻域法：時(shí)域信號(hào)頻域信號(hào)傳遞函數(shù)模態(tài)參數(shù)FFT傳遞函數(shù)估計(jì)參數(shù)識(shí)別時(shí)域信號(hào)數(shù)學(xué)模型模態(tài)參數(shù)建模參數(shù)識(shí)別實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論4.曲線擬合方法頻域方法：基于FRFs數(shù)據(jù)的方法 經(jīng)典方法，分析儀廠商自65年起開(kāi)發(fā)。 如美國(guó)HP系列

18、分析儀：3560、35665、35670、3565s、5423等； 丹麥 B&K公司的模擬分析儀； SISO、SIMO、MIMO識(shí)別方法； 最小二乘頻域法LSFD結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別ISSPA復(fù)模態(tài)指數(shù)函數(shù)CMIF利用輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別 單輸入/單輸出識(shí)別法（SISO） 單輸入/單輸出識(shí)別法（SIMO） 多輸入/多輸出識(shí)別法（MIMO）實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論時(shí)域方法： 基于IRFs或Free Decay及Free Response數(shù)據(jù)的方法，多見(jiàn)于研究、分析儀選用軟件、虛擬設(shè)備軟件模塊中 如：比利時(shí)魯文大學(xué)LMS-CADX模態(tài)分析軟件系統(tǒng)中 美國(guó)GenRad公司 Star公司的模態(tài)分析軟

19、件方法主要有： Ibrahim 時(shí)域法ITD、STD（70年代Ibrahim發(fā)展的方法） 特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法ERA方法（NASA發(fā)展的方法） 多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)指數(shù)法LSCE 時(shí)域直接參數(shù)識(shí)別TDPI4.曲線擬合方法實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論峰值共振法（SDOF），頻響函數(shù)的幅頻和相頻法（1）固有頻率（2）模態(tài)阻尼（3）模態(tài)向量（4）模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量4.曲線擬合方法實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論正交分量法（SDOF），頻響函數(shù)的實(shí)頻和虛頻法（1）固有頻率（2）模態(tài)阻尼（3）模態(tài)向量（4）模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量4.曲線擬合方法實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論4.曲線擬合方法實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論5.模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)準(zhǔn)備： 幾何模型建立 自由度數(shù)選擇 試件支撐選擇 選擇激勵(lì)方式 激勵(lì)位置確定，力傳感器聯(lián)接 相應(yīng)傳感器安裝 傳感器的調(diào)理與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論5.模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論5.模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本理論參數(shù)設(shè)置： 設(shè)置信號(hào)分析儀 選擇測(cè)量的平