实验名称  振动结构的实验模态分析

附录1 QL-108数据采集箱使用说明书

附录2 QL-021二通道电荷电压放大及十六通道接口使用说明书

附录3 随机信号与振动分析系统CRAS V5.1

实验名称  振动结构的实验模态分析

一、实验内容

用锤击激振法测量振动结构的模态参数。

二、实验目的

1、通过实验模态分析实验的全过程，了解实验模态分析的基本方法。

2、了解模态分析软件的使用方法。

三、实验原理

3.1模态试验基本过程

二十年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：

    1．动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析。

(1) 激励方法：试验模态分析是在试验室内人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）、多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。

(2) 数据采集：SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。

(3) 时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。

   2．建立结构数学模型。根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数的依据，目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。

3．参数识别。按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型。激励方式不同（SISO、SIMO、MIMO）相应的参数识别方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，即使用较简单的识别方法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，则识别的结果一定不会理想。

4．振形动画。参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振形。由于结构复杂，由许多自由度组成的振形的数组难以引起对振动直观的想象。必须采用活动振动的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。

以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程，而支持这个过程的除了激振装置、双通道FFT分析仪、桌面式或便携式计算机等硬件外还要有一个完善的模态分析软件包。通用的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何特征，设置多种坐标系、划分为多个子结构，具有多种拟合方法并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画。

3.2 随机信号与振动分析系统CRAS V5.1工作流程及功能

MACRAS流程图

几何设置

1、根据结构的特点，离散化为若干节点代替连续系统。

2、复杂结构可以划分为若干部件。每一个部件应选用直角坐标系、柱坐标系或球坐标       系三种之一。

3、送入各结点的部件坐标、连线序列（结点对）。标准结构或轴对称部件可以自动生成，       子结构可以拼装。

测量设置

1、根据结构振动特点，确定一维分析或三维分析。

2、送入测量信息：某一结点的某一方向是否测量，测量正方向还是负方向。

导纳测量

频响函数集总平均

参数识别

1、选择数据模型：实模态或复模态（通常为实模态）。

2、选择拟和方法：单测量、自动拟和、整体拟和（通常用整体拟和）。

3、参与拟和的频响数据选取方法：光标线或光标带（通常用光标线）。

4、进行参数识别，结果存盘。

模态综合

1、测量方向处理。

2、处理约束方程，填满残数矩阵。

活动振形

3.2.1  模态几何

· 模态作业：自动搜索、查找及自学习

· 几何模型：部件数1～8，部件坐标系（直角、柱、球）。

手工编辑部件、坐标、连线数据或自动生成典型部件                                                              ·几何图形：绕X、Y、Z旋转、水平垂直移动、放大缩小；透视、轴测、三坐标轴测；连续转动或移动展示

· 标记自由度，连续或静止，重置

3.2.2  模态参数测量

    · 自带导纳测量系统及测量参数选择

    · 测量方向：单向X，Y，Z，双向XY，YZ，XZ，或三向XYZ任选

    · 约束方程

    · 根据自由度索引表任意次序分一次或多次完成测量，每一个测量均可改变校正因子

    · 振动波形显示

    · 频响函数显示、（实、虚、幅、相及相干）

    · 自动测量过程同时显示相干函数及频响函数

3.2.3  模态参数识别

    · 初始估计

    · 模态理论：实模态、复模态

    · 曲线拟合

    · 拟合方法：整体、自动、单条曲线

    · 数据光标：光标线或光标带

    · 导纳数据列表

    · 模态参数列表

    · 模态振型综合：测量方向处理、约束方程处理、模态振形归一

3.2.4  振形动画

     · 三维振形动画：实时改变图形位置，坐标轴移动、转动及振形大小、投影方式、单图形方式、双图形方式、比较方式。

四、实验仪器及其安装

实验仪器包括力锤、力传感器、加速度计、QL-108数据采集箱、QL-021二通道电荷电压放大及十六通道接口、随机信号与振动分析系统CRAS V5.1。

力锤用于激励实验对象。

力传感器用于拾取激励信号并转换成为电荷信号。

加速度计用于拾取响应信号并转换成为电荷信号。

QL-021二通道电荷电压放大及十六通道接口，用于将电荷信号放大成为适合测量的电压信号。

QL-108数据采集箱信号采集分析系统包括抗混滤波器、A／D变换器、结构动态分析软件、计算机、打印机。

用安装有力传感器的力锤敲击实验对象上的若干个点。力传感器拾取激励力的信号，安装在实验对象的某测点上的加速度计拾取响应信号．经电荷放大器放大后输入信号采集系统。实验仪器框图如图1所示。

力信号必须接人信号采集器的第1通道，响应信号依次接入信号采集器的其他通道。

五、实验内容

1、半圆环模态分析实验范例（见七：半圆环模态分析实验范例）掌握实验模态分析方法

2、对框架进行实验模态分析

六、实验报告

掌握实验模态分析方法的全过程。分析以下内容

1、 振动系统各测点传递函数和相干函数的图形

2、 振动系统的振型图

六、半圆环模态分析实验范例

半圆环模型

1、硬件安装

 (1)QL系统采集箱安装方法

·在断电情况下，将专用通讯电缆一端与QL系列采集箱连接，另一端与PC机（台式或笔记本式）的并行口（打印机口）连接。

  ·先开PC机进入Windows后再打开QL系列采集箱的电源。

·凡是采用QL-108R及QL-116R的采集箱在背板上的选择开关必须放置在“采集”上而不是在“打印”上。

(2)试运行

为了判断硬件连接及软件安装是否成功，请用户正式使用前先作一个测试。利用QL-001，QL-003，QL-108，QL-116R等仪器提供的测试信号（200HZ，2000mV）或用一个发生器输出连接到采集卡或采集箱的第1通道。用数据采集与处理软件AdCras，选择1通道作业，适当采样频率（例如5120HZ），在“示波”菜单下观察到一个规则的正弦波则表明硬件软件已经正确安装成功。建议在每一次重大试验之前也这么测试一下，以避免传感器、导线等故障。

QL108等通过计算机并行口与采集数据，必须注意：

采集箱电源开关必须在计算机启动完成以后再开。

    1）注意QL108R，116R采集箱后板上一个开关“打印”或“采集”放置在“采集”位置。

2）专用电缆必须接到QL108R或116R背面板上与“计算机连接”插口上。

2、运行程序

    在PC桌面上或CRAS文件夹中点击CRAS后运行程序引导总界面如图所示。

用鼠标点击需要运行的软件包或选件程序即可进入该程序的运行。

也可不经引导总界面CRAS而直接在CRAS文件夹内点击带 S 标记的程序例如ADCRAS，OPT005等。

如果用户希望将所配置的某个软件程序放置在自己选定某个文件夹内运行，还必须注意将CRAS文件夹中有关库文件一起复制进来。

如果在运行采集或示波时，发生计算机死锁的情况，退出应用程序的办法是：

同时按Ctrl + Alt + Del一次或多次。极个别情况，需关闭电源。

2.1 建立新作业或继续老作业

· 采集新的数据

建立作业：送入作业名（含路径）及选择通道，如送入的作业在指定路径内已存在，应特别注意存盘时会将老数据覆盖。

如在指定路径内找不到此作业则有系统提醒：“指定目录数据文件找不到，新作业”。

· 观察老数据

选择作业： 送入需要观察分析的作业名和路径。

图3.1 初始菜单

图3.2 新作业菜单

 图3.3 老作业菜单

2.2几何模型生成

选择几何模型菜单中自动生成简单几何图形的圆柱面，设置如下：

2.3导纳测量

选择导纳测量菜单，相关选项设置如下：

2.3.1参数设置 

1、平均次数

2、时间窗处理函数

3、分析频率

      4、触发参数

自由运行：由键盘回车或菜单点击后立即开始采集。

正触发、负触发：由采集的信号本身控制开始采集。

触发电平：开始采集的电平阀值，由电压范围的百分数决定。如量程5V，触发电平10%，则信号到达0.5V时开始采集。

触发延迟：数字量，正值表示等待，负值表示提前。数字单位为采集时间间隔的倍数。例如：-20是指到达触发电平之前20个点开始记录数据，超前时间等于20×△t。△t等于采集频率fS的倒数。

   触发通道：根据作业设置的通道数内任意1个通道均可作为触发通道，其它通道信号阈值不影响触发动作

5、电压范围

在AD系统采集卡中，内置程序控制放大器，放大倍数为1，2，4，8。

在QL系统采集箱中，内置程控放大倍数为1，4，8，16。

不同的程控放大倍数对应不同的满量程电压（电压范围）。例如程控放大倍数等于8，则电压范围为0.625V。

电压范围对多通道采集的每1个通道而言是相同的。

6、校正因子

 每1个工程单位对应的mV数称为校正因子，相当于各种传感器的灵敏度。当传感器灵敏改变后，可以通过校正因子对测量结果进行修正，这个过程即所谓“标定”。

设定校正因子后，CRAS程序读出数的单位即是所选的工程单位。

不同通道允许不同的工程单位。在同1种工程单位情况下，也允许不同灵敏度的传感器。因此，每1个通道需要设定相应的校正因子。选用缺省工程单位mV则校正因子必须等于1，读出数单位为mV。

设定校正因子用编辑控件，浮点量。

7、工程单位EU

    未经工程单位设置，读出的数据单位为电压的单位mV。

不同的物理量通过各自的传感器变换器改变为电压量后均可由CRAS进行采集记录。在CRAS中已经设置的工程单位为：

mV，v，m，m/s，m/s2，mm，mm/s，mm/s2，μm，N，KN，mN，G，mG，με，Pa，Mpa，℃，deg，vad，W，KW，MW，L，mA，A，N-M，KN-M。缺省为mV。允许不同的通道选用不同的工程单位。例如，1通道为N，2通道为m/s2。在“工程单位”书签页中，每1个通道有1个组合框选件，拉出来找到需要的工程单位点击。

2.3.2测量方向选择

2.3.3导纳测量表

将1，17，18，34，35，51，52，68，69，85的第一坐标设为不测量(即半圆环的两底座固定)，下图为导纳测量表的一部分。

2.3.4约束方程表

2.3.5采集有效控制

2.3.6自动测量

选择导纳测量菜单中的自动测量，用鼠标双击出现的自由度索引表的各个序号，即可进入自动测量状态。待所有点都测量完成后，进行参数识别。

2.4参数识别

打开参数识别菜单，相关选项设置如下：

(1)模态理论方法设置

(2)初始估计

点击初始估计，在所生成的图上取出各阶模态估计频率。

(3)曲线拟合

点击曲线拟合，待拟合完成后，即可打开振形动画观察半圆环的各阶模态形状。

七、参考文献

1、试验模态分析       杨景义，王信义编著                  

2、试验振动分析       汪凤泉，郑万泔编著

3、实用振动工程       张阿舟   编著

4、模态分析技术       管迪华   编著下载本文