振動(dòng)測(cè)試技術(shù)模態(tài)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、研 究 生 課 程 論 文(2013-2014學(xué)年第二學(xué)期)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究生：提交日期： 2014年7月10日 研究生簽名： 學(xué) 號(hào)學(xué) 院機(jī)械與汽車工程學(xué)院課程編號(hào)S0802013課程名稱振動(dòng)測(cè)試技術(shù)學(xué)位類別碩士任課教師教師評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)?cè)u(píng)定： 分 任課教師簽名： 年 月 日14模態(tài)試驗(yàn)大作業(yè)0 模態(tài)試驗(yàn)概述模態(tài)試驗(yàn)（modal test）又稱試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。為確定線性振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)所進(jìn)行的振動(dòng)試驗(yàn)。模態(tài)參數(shù)是在頻率域中對(duì)振動(dòng)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(zhì)量等。模態(tài)試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)給定激勵(lì)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，得到響應(yīng)信號(hào)，再應(yīng)用模態(tài)參數(shù)辨識(shí)方法得到系統(tǒng)的模態(tài)參

2、數(shù)。由于振動(dòng)在機(jī)械中的應(yīng)用非常普遍。振動(dòng)信號(hào)中包含著機(jī)械及結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性和運(yùn)行狀況的信息。振動(dòng)的性質(zhì)體現(xiàn)著機(jī)械運(yùn)行的品質(zhì)，如車輛、航空航天設(shè)備等運(yùn)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(jié)構(gòu)的承載情況、壽命等。同時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的發(fā)生和提取也相對(duì)容易因此，振動(dòng)測(cè)試與分析已成為最常用、最基本的試驗(yàn)手段之一。模態(tài)分析及參數(shù)識(shí)別是研究復(fù)雜機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的重要方法，通常需要通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)即固有頻率、阻尼比和振型。模態(tài)實(shí)驗(yàn)的方法可以分為兩大類：一類是經(jīng)典的純模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，該方法是通過(guò)多個(gè)激振器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，當(dāng)激振頻率等于結(jié)構(gòu)的某階固有頻率，激振力抵消機(jī)構(gòu)內(nèi)部阻尼力時(shí)，

3、結(jié)構(gòu)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(shù)要求配備復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備，測(cè)試周期也比較長(zhǎng)；另一類是數(shù)學(xué)上分離模態(tài)的方法，最常見(jiàn)的方法是對(duì)結(jié)構(gòu)施加激勵(lì)，測(cè)量系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣，然后再進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。為獲得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，常需要測(cè)量系統(tǒng)頻響函數(shù)。目前頻響函數(shù)測(cè)試技術(shù)可以分為單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)測(cè)量( SISO)、單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量( SIMO) 、多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量( MIMO)等。單點(diǎn)激勵(lì)一般適用于較小結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)測(cè)量，多點(diǎn)激勵(lì)適用于大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)，如機(jī)體、船體或大型車輛機(jī)構(gòu)等。按激勵(lì)力性質(zhì)的不同，頻響函數(shù)測(cè)試分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)、隨機(jī)激勵(lì)及瞬態(tài)激勵(lì)三類，其中隨機(jī)激勵(lì)又有純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)之

4、分。瞬態(tài)激勵(lì)則有快速正弦掃描激勵(lì)、脈沖激勵(lì)和階躍激勵(lì)等幾種方式。按激勵(lì)力性質(zhì)的不同，頻響函數(shù)測(cè)試分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)、隨機(jī)激勵(lì)及瞬態(tài)激勵(lì)三類，其中隨機(jī)激勵(lì)又有純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)之分，瞬態(tài)激勵(lì)則有快速正弦掃描激勵(lì)、脈沖激勵(lì)和階躍激勵(lì)等幾種方式。振動(dòng)信號(hào)的分析和處理技術(shù)一般可分為時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻域分析和時(shí)間序列建模分析等。這些分析處理技術(shù)從不同的角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀察和分析，為提取與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的特征信息提供了不同的手段。信號(hào)的時(shí)域分析包括時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)域波形分析和時(shí)域相關(guān)分析。對(duì)評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷而言，時(shí)域分析往往是初步的。頻域分析是機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中信號(hào)處理的最重要、最常用的分

5、析方法。工程上所測(cè)得的信號(hào)一般為時(shí)域信號(hào)，然而由于故障的發(fā)生、發(fā)展往往引起信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化，為了通過(guò)所測(cè)信號(hào)了解、觀測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。它能通過(guò)了解測(cè)試對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)機(jī)械的狀態(tài)做出評(píng)價(jià)并準(zhǔn)確而有效的診斷機(jī)械故障和對(duì)故障進(jìn)行定位，進(jìn)而為防止故障的發(fā)生提供分析依據(jù)。通過(guò)頻域分析把復(fù)雜的時(shí)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(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波幅值和相位信息。根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)及變換方法的不同，常用的頻域分析方法有：頻譜、自功率譜、互功率譜、倒頻譜、細(xì)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(duì)非平穩(wěn)或時(shí)變信號(hào)的分析方法統(tǒng)

6、稱為時(shí)頻分析，它將時(shí)域和頻域組合成一體，兼顧到非平穩(wěn)信號(hào)的要求。時(shí)頻分析方法應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，可以很好的為確定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供判斷依據(jù)。時(shí)頻分析中最重要的是短時(shí)傅里葉變( STFT) 、小波變換( WT) 、Wigner-Ville 時(shí)頻分析和Hilbert-Huang 變換。與經(jīng)典的基于FFT 的分析方法不同，時(shí)間序列分析方法是對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)建立時(shí)間序列模型，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的分析識(shí)別系統(tǒng)的特性和狀態(tài)。時(shí)間序列模型有自回歸滑動(dòng)平均模型( ARMA) ，自回歸模型( AR) 和滑動(dòng)平均模型( MA) 三種。目前振動(dòng)信號(hào)測(cè)量與分析在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，測(cè)試和分析也發(fā)展到了較高

7、的水平。但仍然存在很多需要解決的問(wèn)題。展望未來(lái)，有如下幾方面需要突破和發(fā)展：無(wú)線智能型傳感器、傳感器的微型化及納米級(jí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)測(cè)試問(wèn)題、更高速度的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和更快的數(shù)據(jù)輸出速度、激振力無(wú)法測(cè)量情況下結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別、非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析、非線性信號(hào)分析問(wèn)題、微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題、激光測(cè)振技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 了解模態(tài)測(cè)試技術(shù)的原理和實(shí)施方法。2. 學(xué)會(huì)用“激勵(lì)法”測(cè)量振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)與振型，通過(guò)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(duì)模態(tài)測(cè)試結(jié)果的分析方法。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備上海北智14206加速度傳感器2個(gè)（9g，0.58000Hz），圖1（A）所示。P

8、CB模態(tài)力錘086C03一個(gè)（0.1kg，8kHz，500lb），圖1（B）所示。IOTECH ZonicBook618E動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀一臺(tái)，圖1（C）所示。鑄鐵薄板一個(gè)，圖1（D）所示。（A） (B) (C)(D)圖1 實(shí)驗(yàn)器材3 實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象是一塊300mm×300mm，中央開(kāi)圓孔（直徑為100mm），厚度為8mm的鐵板，采用多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量(SIMO)測(cè)試方式。實(shí)驗(yàn)的原理是：用力錘對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行激振，錘頭內(nèi)的力傳感器和被測(cè)物體上的加速度傳感器同時(shí)記錄下脈沖激勵(lì)和被測(cè)物體的響應(yīng)，經(jīng)IOTECH采集處理，傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析。數(shù)據(jù)采集完畢后，采用Mescope模態(tài)

9、分析軟件，首先對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行建模，導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)入模態(tài)分析，根據(jù)振動(dòng)理論，分析系統(tǒng)在各階的模態(tài)，自動(dòng)生成分析結(jié)果并可以生成振動(dòng)的仿真動(dòng)畫、各階頻率、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等參數(shù)。3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建將力錘連接入IOTECH的1號(hào)通道，2個(gè)加速度傳感器分別接入2、3號(hào)通道。在被測(cè)物表面選取測(cè)點(diǎn)并編號(hào)（如圖2），將加速度傳感器置于物體的24、16點(diǎn)，用數(shù)據(jù)線將IOTECH與計(jì)算機(jī)連接，連接框圖如圖3所示。開(kāi)啟計(jì)算機(jī)上的Z-Analyst軟件，調(diào)整軟件即時(shí)顯示窗口為FRF窗口，沖擊脈沖Time窗口，傳感器響應(yīng)time窗口以及Coherence窗口。圖2 薄板測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接框圖3.2 IOT

10、ECH 參數(shù)設(shè)置著先需要設(shè)置分析頻率。由于所分析的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其固有頻率比較小，因面分析頻率范圍設(shè)在02000Hz，奈奎斯特因子可以選取2.56。選取輸入信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，由于力錘的力和操作人員有很大關(guān)系，因而可以選取10次平均以消除或降低誤差，其相應(yīng)設(shè)置見(jiàn)圖4（A）。力錘連接的1號(hào)通道設(shè)為Reference，加速度傳感器連接的2、3號(hào)通道設(shè)為Respond，并去掉其它通道前面的勾號(hào)，同時(shí)選取合適的量程并輸入靈敏度參數(shù)，其具體設(shè)置見(jiàn)圖4（B）。FFT Setup設(shè)置中，Reference Channel加指數(shù)窗，Response Channel加矩形窗，具體設(shè)置見(jiàn)圖4（C）。(A)(B)（C）圖

11、4 ez-analysis數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置3.3 信號(hào)采集用力捶依次敲擊被測(cè)對(duì)象的每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，設(shè)定為連續(xù)敲擊，從每個(gè)點(diǎn)敲擊10次。在圖中顯示力的時(shí)域信，以及各輸出通道的時(shí)域信號(hào)。同時(shí)顯示相干和RFR窗口。實(shí)驗(yàn)中前3個(gè)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)如圖5所示。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，每個(gè)點(diǎn)保存一個(gè)數(shù)據(jù)文件，然后用ezAnalys將文件轉(zhuǎn)化為可用于MEScope處理的格式（unv），主要保存數(shù)據(jù)的FRF信息。（A）(B)（C）圖5 實(shí)驗(yàn)的采集數(shù)據(jù)（第1-3個(gè)點(diǎn)）3.4 MEscope模態(tài)分析打開(kāi)MEscope模態(tài)分析軟件，將每個(gè)點(diǎn)的FRF導(dǎo)入軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，算出固有頻率，阻尼系數(shù)，以及留數(shù)。在導(dǎo)入時(shí)根據(jù)點(diǎn)的不同修

12、改DOFs。圖6 MEScope數(shù)據(jù)點(diǎn)的導(dǎo)入為了能更清晰的觀察結(jié)果，可以畫出板材的結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行動(dòng)畫仿真。其具體步驟為：在MEscope中新建一個(gè)Structure，利用繪圖工具，根據(jù)被測(cè)物體的尺寸大致地畫出被測(cè)對(duì)象的幾何圖形，并在圖形上布置8×4的點(diǎn)陣。如圖7所示。而后導(dǎo)入三個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，DOFs設(shè)置分別為：1Z:24Z, 2Z:24Z, 3Z:24Z，其中1,2,3分別表示三個(gè)敲擊點(diǎn)，4表示加速度傳感器所在的點(diǎn)，如圖8所示。然后為8×4的點(diǎn)陣標(biāo)上節(jié)點(diǎn)號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)敲擊點(diǎn)號(hào)及加速度傳感器所在的點(diǎn)。將采集到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入到模型中，導(dǎo)入成功后，動(dòng)畫效果會(huì)自動(dòng)顯示。 圖7 繪制被

13、測(cè)件的結(jié)構(gòu)圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照上述的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果導(dǎo)入到MEScope軟件中進(jìn)行分析，各點(diǎn)測(cè)量的結(jié)果經(jīng)分析得到固頻，阻尼系數(shù)，以及留數(shù)。圖8（A）為頻率響應(yīng)函數(shù)（RFR）重疊后的總體曲線，由此圖可以看出被測(cè)物體固有頻率的大致分布。圖8（B、C）為經(jīng)MEScope計(jì)算得到的固有頻率。從圖中可知，當(dāng)分析頻率范圍設(shè)在了0至2000Hz，軟件在該頻段中識(shí)別出了7個(gè)模態(tài)。（A）（B）（C）圖8 MEScope分析結(jié)果為了能更好的觀察系統(tǒng)的振型，在導(dǎo)入測(cè)量數(shù)據(jù)后，可以繼續(xù)畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)生成各階固有頻率的動(dòng)畫，可以直觀的看到振動(dòng)情況，其各振型如圖9所示。 （A）一階振型 （B）二階振型 （C）三階振型 （D）四階振型 （E）五階振型 （F）六階振型 （G）七階振型 圖9模型各階振型動(dòng)畫5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1力錘擊振法屬于瞬態(tài)測(cè)試技術(shù)的一種方法，該方法雖然簡(jiǎn)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(fù)性較差。反映在本次試驗(yàn)上，由于敲擊力度和時(shí)間間隔把握不是很好，每個(gè)點(diǎn)的10次敲擊相干性并不是太好，造成了其相干系數(shù)值并不在1附近波動(dòng)。2為了能夠獲得比較準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)，試驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都必須經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)?/p>