模態(tài)分析報告

汽車擋風玻璃模態(tài)試驗報告〔模態(tài)分析理論與試驗第三小組〕姓名：張朋小組：三組學(xué)號：1133036目錄1試驗?zāi)康?32試驗儀器 33試驗對象 34試驗測量和分析系統(tǒng) 45實驗原理 55.1傳遞函數(shù) 55.2相干函數(shù) 55.3誤差控制 66模態(tài)分析方法和測試過程 76.1鼓勵方法 76

.2結(jié)構(gòu)安裝方式 77、實驗步驟 87.1測點確實定 87.2儀器連接 97.3結(jié)構(gòu)生成及約束 97.4參數(shù)設(shè)置與采樣 97.5實驗數(shù)據(jù)分析處理 108、實驗結(jié)果和分析 138.1模態(tài)頻率和阻尼 138.2試驗與仿真比照 188.3分析結(jié)論 211試驗?zāi)康?.學(xué)習(xí)模態(tài)分析原理和模態(tài)測試方法； 2.試驗分析得到汽車擋風玻璃的前15階模態(tài)的模態(tài)參數(shù)；3.試驗分析汽車擋風玻璃的動態(tài)振動特性；4.為汽車擋風玻璃的有限元分析計算模型的修改提供可靠依據(jù)。2試驗儀器試驗儀器如表1所示：表1試驗儀器列表編號儀器名稱數(shù)量儀器型號儀器編號廠家1力錘1LC-02系列75704江蘇聯(lián)能2加速度傳感器10CA-YD107壓電式江蘇聯(lián)能3電荷放大器2YE5853A江蘇聯(lián)能3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1INV306DASPDASP4數(shù)據(jù)分析處理軟件1CoinvDASP2005DASP3試驗對象試驗對象：POLO三廂車前擋風玻璃。實驗對象附件描述見表2表2實驗對象描述序號名稱有無1密封膠條條√2后視鏡安裝塑料座√3粘接膠水殘留√4試驗測量和分析系統(tǒng)試驗測量分析系統(tǒng)由三大局部組成：試驗試驗激振系統(tǒng)，響應(yīng)采集系統(tǒng)，模態(tài)分析和處理系統(tǒng)。其中， (1)試驗激振系統(tǒng)包括：江蘇聯(lián)能LC系列力錘；(2)響應(yīng)采集系統(tǒng)包括加速度傳感器、和DASP信號采集系統(tǒng)；(3)模態(tài)分析和處理系統(tǒng)主要是DASP和Matlab軟件。具體的組成方式如圖1和圖2所示。圖1模態(tài)試驗測量分析系統(tǒng)模型示意圖圖2模態(tài)試驗測量分析系統(tǒng)—電荷放大器圖3模態(tài)試驗測量分析系統(tǒng)—INV306UDASP數(shù)采系統(tǒng)5實驗原理5.1傳遞函數(shù)試驗?zāi)B(tài)分析是基于系統(tǒng)響應(yīng)和激振力的動態(tài)測試，即通過振動測試，經(jīng)信號處理和參數(shù)識別確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，建立以模態(tài)參數(shù)表示的運動方程。從模態(tài)分析理論可知，這些參數(shù)可以通過傳遞函數(shù)或頻響函數(shù)曲線進行分析求得。在時域內(nèi)，系統(tǒng)的極點、固有頻率和阻尼比由系統(tǒng)的特征方程決定，即由傳遞函數(shù)的分母決定;在頻域內(nèi)，以輸入-輸出信號在頻域中的關(guān)系，可以采用模態(tài)參數(shù)識別法求得動態(tài)參數(shù)。試驗?zāi)B(tài)分析必須借助于模態(tài)分析理論的指導(dǎo)，才能夠正確的求出系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比，用頻率f代替s即可得到頻響函數(shù)H但由于單次數(shù)據(jù)測取并不可靠，常采取平均技術(shù)來減少干擾和噪聲帶來的影響。所以有從上式可以看出，頻響函數(shù)與外界輸入無關(guān)，它是系統(tǒng)的固有屬性，可以防止輸入含有噪聲而影響輸出結(jié)果分析，從而影響模態(tài)參數(shù)的正確性。為了判斷輸入輸出線性關(guān)系的可靠性，運用相干函數(shù)來進行檢驗，即相干函數(shù)是判斷試驗可靠性的有力工具。5.2相干函數(shù)一般情況，不知道系統(tǒng)的響應(yīng)信號x(t)中有多少成分是由鼓勵信號f(t)產(chǎn)生的，這時用相關(guān)函數(shù)和傳遞函數(shù)的關(guān)系來衡量這一問題，可以得出一種有效的方法，這即是相干函數(shù)法。對于單輸入單輸出，可以用下列圖簡單描述:為了反映第i個輸入所提供的分量在第j個輸出總量中所占的權(quán)重以及檢查系統(tǒng)有否噪聲干擾和非線性的程度，引入相干函數(shù)通常用球(f)表示，其定義:如果相干函數(shù)為零，表示輸出信號與輸入信號完全不相干，所得傳遞函數(shù)是無效的。那么，當相干函數(shù)為1時，表示輸出信號與輸入信號完全相干。假設(shè)相干函數(shù)在(0一l)之間，那么說明有如下三種可能: (l)測試中有外界噪聲干擾; (2)輸出x(t)是輸入f(t)和其它輸入的綜合輸出; (3)聯(lián)系x(t)和f(t)的線性系統(tǒng)是非線性的。相干函數(shù)的一個重要意義是檢驗系統(tǒng)非線性程度。將F(t)作為系統(tǒng)輸入的隨機過程，X(t)作為系統(tǒng)輸出的隨機過程，由系統(tǒng)是在假設(shè)的線性條件下得到的:所以，譜相關(guān)函數(shù)值的大小可以用來檢查系統(tǒng)的非線性程度。5.3誤差控制本試驗采用提高激振頻率的方法減小迭混誤差。采用加窗與猝發(fā)鼓勵減小泄漏誤差。本試驗使用的沖擊錘是產(chǎn)生脈沖信號最常用的鼓勵裝置，理想脈沖信號即δ〔t〕函數(shù)，其傅氏譜為一水平直線，頻率成分寬?，F(xiàn)實中的脈沖信號是一有限寬度和有限高度的信號，其時間歷程和自譜見圖〔a〕，〔b〕。從圖〔a〕，〔b〕可以看出，在低頻能量近似均勻分布，而在高頻段能量逐漸衰減。脈沖信號的頻率成分和能量大致可控，試驗周期短，無泄漏，但是信噪比差，特別是對大型機構(gòu)，沖擊錘產(chǎn)生的鼓勵能量往往缺乏以激起足夠大的響應(yīng)信號，所以沖擊信號的高頻響應(yīng)較差。圖〔a〕沖擊錘產(chǎn)生的激振信號時間歷程圖〔b〕沖擊錘產(chǎn)生激振信號自譜圖6模態(tài)分析方法和測試過程6.1鼓勵方法從頻響函數(shù)的物理意義可知，假設(shè)知道鼓勵和響應(yīng)，就可推知系統(tǒng)的特性。從這個意義上來說，有兩種鼓勵方法可供選擇，其一是對結(jié)構(gòu)上某點鼓勵，測得所有點響應(yīng)，即單點鼓勵的方法。其二是對結(jié)構(gòu)某些點同時鼓勵，測得各點的響應(yīng)，即通常所說的多點鼓勵方法。單點鼓勵的優(yōu)點是在模態(tài)試驗中，只要同時測量記錄鼓勵和響應(yīng)的信號，再經(jīng)數(shù)字信號處理，可獲得與響應(yīng)鼓勵自由度對應(yīng)的頻響函數(shù)，簡單易行。單點鼓勵的缺點是能量有限，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗中，響應(yīng)信號信噪比差，有時難于鼓勵出所關(guān)心的整體模態(tài)，當試驗結(jié)構(gòu)的模態(tài)比擬密集且阻尼又比擬大時，難于激出結(jié)構(gòu)的純模態(tài)。多點鼓勵的優(yōu)點是可以激發(fā)出試驗結(jié)構(gòu)的純模態(tài)，對大型結(jié)構(gòu)尤其有效。而且多點激振可以解決系統(tǒng)存在重根的問題，但是多點鼓勵也存在缺乏，其缺點是需要采用幾套激振器鼓勵。模態(tài)試驗中，各激振器的鼓勵信號應(yīng)互不相關(guān)，輸入力的大小和相位要反復(fù)調(diào)試，比擬費時，加上設(shè)備昂貴，目前，尚未普遍推廣。在進行模態(tài)試驗時，試件采用單點鼓勵還是多點鼓勵方法取決于試件被整體激振的難度。如果單點鼓勵就可以測得試件上任意點的響應(yīng)，且響應(yīng)幅度足夠大，那么采用單點激振即可，否那么需要對試件進行多點激振。由于本試驗研究的是擋風玻璃的模態(tài)參數(shù)，其剛度比擬小，總體比擬容易被激振。而且由于低頻段是我們所感興趣的頻帶，不考慮重根的存在，所以這里采用單點激振。6.2結(jié)構(gòu)安裝方式在測試中使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于什么狀態(tài)，是試驗準備工作的一個重要方面。一種經(jīng)常采用的自由狀態(tài)。即使試驗對象在任一坐標上都不與地面相連接，自由地懸浮在空中。如放在很軟的泡沫塑料上；或用很長的柔索將結(jié)構(gòu)吊起而在水平方向激振，可認為在水平方面處于自由狀態(tài)。另一種是地面支承狀態(tài)，結(jié)構(gòu)上有一點或假設(shè)干點與地面固結(jié)。如果在我們所關(guān)心的實際情況支承條件下的模態(tài)，這時，可在實際支承條件下進行試驗。但最好還是自由支承為佳。因為自由狀態(tài)具有更多的自由度。本試驗采用輪胎簡支的方式固定試件，如下列圖所示。圖〔c〕試件支撐方式7、實驗步驟7.1測點確實定對于需要得到模態(tài)振型的測試件，測點選取原那么如下：1.在根本反響測試件輪廓的前提下，測點盡量少；2.避開各階振型節(jié)點；3.能明確顯示模態(tài)振型特征。對于僅需得到模態(tài)頻率的測試件，測點選取原那么如下：1.在保證數(shù)據(jù)采集全面的前提下，測點盡量少；2.避開各階振型節(jié)點。試驗時，布置了28個測點，對這些測點只進行Z向的振動加速度信號的采集。分別完成測點模型的建立〔見圖5〕，以及實物機構(gòu)的測點布置〔圖2〕。圖5測點布置示意圖表3測點坐標7.2儀器連接儀器連接如圖1所示，其中力錘上的力傳感器和壓電加速度傳感器接電荷放大器的電荷輸入端。經(jīng)過放大器的低通濾波，輸出通道分別接到INV306U接口箱〔盒〕上的第輸入通道。7.3結(jié)構(gòu)生成及約束儀器安裝好后，啟動DASP2005專業(yè)版，選擇模態(tài)分析按鈕，進入模態(tài)分析界面。輸入測點號及其坐標，生成結(jié)構(gòu)的節(jié)點及線，面等幾何元素。7.4參數(shù)設(shè)置與采樣在DASP信息窗口中選擇隨機采樣，進入采樣界面。在測量設(shè)置中設(shè)置傳感器類型、總測點數(shù)和原點導(dǎo)納位置，總測點數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)自動讀取，不可更改。用力錘擊激振點測點，觀察有無波形，如果有一個或兩個通道無波形或波形不正常，就要檢查儀器是否連接正確、導(dǎo)線是否接通、傳感器、儀器的工作是否正常等等，直至示波波形正確為止。在采樣參數(shù)設(shè)置中選定采樣頻率1200Hz，采樣長度2K，程控倍數(shù)為1，使用適當?shù)那脫袅η脫舾鳒y點，調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)和INV的程控倍數(shù)，直到力的波形和響應(yīng)的波形即不過載也不過小。選定采樣時自動增加測點號，準備采樣。采樣類型設(shè)為：變時基；單位類型設(shè)為：第1-9通道工程單位設(shè)為：m/ss〔加速度〕，，第10通道工程單位設(shè)為：N〔牛頓〕；其余通道本試驗不用。輸入標定值和工程單位。通過示波已經(jīng)定好了放大器的檔位，傳感器靈敏度為KCH〔PC/U〕表示每個工程單位輸出多少PC的電荷，如是力，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為牛頓N，那么此處為PC/N；如是加速度，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為m/s2，那么此處為PC/m/s2；試驗采用的是江蘇聯(lián)能生產(chǎn)的型號為YE5853A的電荷放大器，在試驗前必須先用示波器調(diào)節(jié)波形的幅值，以確定放大器的增益及靈敏度的設(shè)定，為采樣程序參數(shù)設(shè)置表中輸入各通道的工程單位和標定值。在試驗時，我們把與力錘相連的電荷放大器的低通撥到10K擋，高通撥到加速度傳感器擋，根據(jù)計算其標定值為100mv/EU;與加速度傳感器相連的電荷放大器的低通撥到也撥為I0K擋，高通撥到加速度傳感器擋，根據(jù)計算其標定值為I0mv/EU;按下式設(shè)定DASP采樣參數(shù)表中的標定值：標定值參數(shù)設(shè)置完以后，選擇自動增加測點號，按左窗下面的開始采樣按鈕，進入觸發(fā)變時基采樣狀態(tài)，等待觸發(fā)，并提示當前采樣的點號和觸發(fā)次數(shù)。根據(jù)提示從第一點設(shè)定的觸發(fā)次數(shù)測試到最后一個測點。自動記錄下每次測試結(jié)果。測試過程中盡量防止連擊現(xiàn)象，如果有連擊現(xiàn)象，按中止采樣按鈕，改變測點號重新開始采樣，將覆蓋原來數(shù)據(jù)。7.5實驗數(shù)據(jù)分析處理7.5.1調(diào)采樣數(shù)據(jù)采樣完成后，進入DASP信號分析功能模塊，對采樣數(shù)據(jù)進行傳函分析。首先選擇要調(diào)入的測點號，按調(diào)入波形按鈕，右面窗口中顯示該測點的波形。給每一通道的力信號加力窗，對響應(yīng)信號加指數(shù)窗，選擇系數(shù)1。選擇通用傳函分析，具體設(shè)置如圖6所示。圖6傳遞函數(shù)設(shè)置圖7信號加窗設(shè)置完成后，按進行傳遞函數(shù)計算，完成測點的傳函分析，顯示分析結(jié)果。按自動計算全部傳函按鈕，可以分析完全部采樣點的傳函分析。在實驗進行過程中，檢查信號的相干性，只有相干系數(shù)〔除去節(jié)點或反節(jié)點外〕在0.8以上的信號才有效，如圖6所示，可見本次試驗的信號在研究頻段內(nèi)相干系數(shù)在研究頻率范圍內(nèi)均大于0.8，信號符合要求。圖8測點的傳遞函數(shù)以及相干系數(shù)7.5.2模態(tài)定階與擬合采用集總平均的方法進行模態(tài)定階，按開始模態(tài)定階，顯示集總平均后的結(jié)果，用鼠標分別點峰值點，收取該階頻率，依次收取各階頻率，按保存按鈕存盤。如果收取有誤可按去除按鈕去除當前結(jié)果。集總平均：將所有頻響函數(shù)進行平均，得到一條平均后的曲線，由此來確定模態(tài)階數(shù)，其好處是不容易喪失某階模態(tài)。一點頻響函數(shù)：選所有頻響函數(shù)中的一條來確定模態(tài)階數(shù)，往往和多自由度模態(tài)擬合方法配合使用，所選的一條頻響函數(shù)必須具有代表性。集總顯示：同時顯示所有頻響函數(shù)曲線，來確定模態(tài)階數(shù)。其好處是不容易喪失某階模態(tài)，但當頻響函數(shù)曲線條數(shù)很多時，畫面有時較凌亂。本試驗采用集總平均的方法確定試件各階模態(tài)頻率。如圖9所示圖9集總平均法模態(tài)定階模態(tài)擬合采用復(fù)模態(tài)單自由度擬合方法，按開始模態(tài)擬合得到擬合，得到擬合結(jié)果。如圖10所示。圖10擬合結(jié)果3振型編輯質(zhì)量歸一和振型歸一兩種方式隨各自需要任選，本試驗選擇質(zhì)量歸一，模態(tài)振型編輯完畢后，進行模態(tài)振型相關(guān)矩陣校驗，如圖11所示。振型相關(guān)矩陣校驗可用來校驗各階模態(tài)振型之間的正交性，矩陣關(guān)于主對角線對稱，主對角線的元素都為1。矩陣元素的行號和列號分別代表了兩階模態(tài)，其大小表示了這兩階模態(tài)振型的正交性，為歸一化后的兩階模態(tài)振型標量乘積，值越小表示正交性越好。理想的模態(tài)分析，其結(jié)果的振型相關(guān)矩陣除主對角線元素外，其它元素的值都很小。圖11為試驗的振型相關(guān)矩陣校驗圖，從中可以看出，雖然存在一些誤差，但仍符合主振型的特點，說明試驗是正確可行的。圖11模態(tài)振型相關(guān)矩陣校驗至此，模態(tài)分析完畢，以后可以觀察、打印和保存分析結(jié)果，也可以觀察模態(tài)振型的動畫顯示。4動畫顯示按進入動畫顯示對話框，根據(jù)每個對話框中的相應(yīng)按鈕可以動畫進行控制，如更換顯示階數(shù)、顯示軌跡；在視圖選擇中選取顯示方式：單視圖、多模態(tài)和三視圖；改變顯示色彩方式；振幅、速度和大小，以及幾何位置。對于當前動畫可輸出AVI格式的動畫文檔，可直接用媒體播放器播放。按模態(tài)輸出為AVI文件，彈出保存文件對話框，模態(tài)動畫視頻壓縮對話中的壓縮程序選擇MicrosoftVideo1.0方式，確定后即可生成動畫文件。在保存的目錄下調(diào)用文件，顯示動畫。8、實驗結(jié)果和分析8.1模態(tài)頻率和阻尼通過以上步驟，得到擋風玻璃的前13階模態(tài)，其模態(tài)參數(shù)如表4所示。表4:模態(tài)頻率和阻尼階數(shù)頻率(Hz)阻尼(%)模態(tài)質(zhì)量模態(tài)剛度模態(tài)阻尼19.7018.6611.0000e+0003.7155e+0031.0559e+001219.9624.5841.0000e+0001.5731e+0041.1499e+001322.4813.7121.0000e+0001.9952e+0041.0486e+001440.4001.9611.0000e+0006.4435e+0049.9562e+000546.5761.1131.0000e+0008.5641e+0046.5133e+000667.9500.7291.0000e+0001.8228e+0056.2211e+000796.8270.8501.0000e+0003.7012e+0051.0339e+0018100.9040.5221.0000e+0004.0196e+0056.6174e+0009138.2521.6241.0000e+0007.5458e+0052.8209e+00110145.6581.2711.0000e+0008.3759e+0052.3255e+00111164.6490.9431.0000e+0001.0702e+0061.9504e+00112206.1871.0021.0000e+0001.6783e+0062.5960e+00113226.9171.0641.0000e+0002.0328e+0063.0344e+0012、打印出各階模態(tài)振型投影圖圖12一階模態(tài)振型〔9.701Hz〕圖13二階模態(tài)振型〔19.962Hz〕圖14三階模態(tài)振型〔22.481Hz〕圖15四階模態(tài)振型〔40.4Hz〕圖16五階模態(tài)振型〔46.576Hz〕圖17六階模態(tài)振型〔67.950Hz〕圖18七階模態(tài)振型〔96.827Hz〕圖19八階模態(tài)振型〔100.904Hz〕圖20九階模態(tài)振型〔138.252Hz〕圖21十階模態(tài)振型〔145.658Hz〕圖22十一階模態(tài)振型〔164.649Hz〕圖23十二階模態(tài)振型〔206.187Hz〕圖24十三階模態(tài)振型〔226.917Hz〕表5擋風玻璃Z向前10階振動模態(tài)陣型描述階數(shù)模態(tài)頻率〔Hz〕模態(tài)振型描述19.701一階彎219.962一階扭轉(zhuǎn)322.481局部模態(tài)440.400彎扭組合54