DASP模態(tài)分析軟件中的世界領(lǐng)先技術(shù)2

/1.引言是目前用戶最多的國(guó)產(chǎn)模態(tài)軟件?？蛻舭ㄖ锌圃?、中國(guó)航天科技集團(tuán)、中國(guó)航天科工集團(tuán)、中國(guó)鐵科院、總裝備部設(shè)計(jì)研究院、海軍潛艇部隊(duì)大連和葫蘆島基地、工程兵某設(shè)計(jì)院、空軍后勤學(xué)院、解放軍工程兵學(xué)院、清華大學(xué)、香港理工大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等。眾多的科研權(quán)威機(jī)構(gòu)及企業(yè)成為的用戶，說明品質(zhì)可靠，具有非常好的口碑。參及完成了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)重大試驗(yàn)，如長(zhǎng)三捆火箭、神州飛船發(fā)射架、長(zhǎng)征系列火箭移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)、宇航員離心模擬訓(xùn)練機(jī)，酒泉西昌太原發(fā)射架、澳星模擬星、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等的模態(tài)分析?；鸺?lì)錢塘橋公鐵兩用橋模態(tài)實(shí)驗(yàn)，力錘激勵(lì)烏海黃河橋模態(tài)分析，機(jī)車車頭，汽車車身，運(yùn)機(jī)床整機(jī)及零部件，U235核分離器、海軍雷達(dá)車、核潛艇火炮發(fā)射架、核安全殼模型、、鉆井井架、拉希瓦大壩模型等的模態(tài)分析。此外完成了如中旅大廈，上海盧蒲大橋，楊浦大橋、杭州灣跨海大橋等大型土木結(jié)構(gòu)的環(huán)境激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)。是目前同類國(guó)產(chǎn)軟件中實(shí)例最多的。2.錘擊激勵(lì)的變時(shí)基技術(shù)及彈性聚能力錘對(duì)大型低頻結(jié)構(gòu)，由于其質(zhì)量大、頻率低，一般難以使用錘擊等脈沖激勵(lì)試驗(yàn)。但是錘擊法不僅操作簡(jiǎn)便、效率高、時(shí)間短、成本低，而且相對(duì)于環(huán)境激勵(lì)方法，還可獲取完整的模態(tài)參數(shù)。因此研究，具有非常重要的意義，和非常實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。東方所通過變時(shí)基技術(shù)及高彈性聚能力錘解決了大型低頻結(jié)構(gòu)的錘擊試驗(yàn)中的問題，彌補(bǔ)了大型結(jié)構(gòu)錘擊法模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)中的空白。2.1彈性聚能力錘傳統(tǒng)力錘難以對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，原因在于激勵(lì)力的能量太小，并且頻譜具有寬帶的特性,使能量分散。彈性聚能力錘加入彈性聚能裝置，使得激勵(lì)力的作用時(shí)間大大加長(zhǎng)，作用時(shí)間可加長(zhǎng)1倍以上。不加彈性聚能裝置，激勵(lì)力作用時(shí)間一般在2-7，加入彈性聚能裝置，作用時(shí)間可達(dá)21甚至更高。本技術(shù)已經(jīng)取得編號(hào)為“201120163125.8”的國(guó)家專利。彈性聚能力錘專利證書圖3.2.7彈性聚能力錘原理圖通過如圖所示的彈性聚能力錘原理圖可以看出，新型力錘通過作用時(shí)間加長(zhǎng)，第一可以使激勵(lì)力的總能量增加，第二可以使能量集中到低頻部分。例如，通過彈性聚能裝置，使激勵(lì)力的作用時(shí)間成為原來(lái)的3倍，總能量是原來(lái)的3倍左右，能量分布的帶寬只有原來(lái)的1/3，在低頻段激勵(lì)的能量是原來(lái)的9倍，提高了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)（如圖3.2.8所示）。圖3.2.8普通力錘及彈性聚能力錘力波形及力譜圖圖8和圖9則是使用大號(hào)彈性聚能力錘在烏海黃河鐵路橋上進(jìn)行激勵(lì)的脈沖力波形和頻譜，其脈沖峰值達(dá)到1606，而且持續(xù)時(shí)間達(dá)到21，其頻譜能量主要集中在40以下。圖10為1型彈性聚能力錘的實(shí)物照片，圖11為使用該彈性聚能力錘在實(shí)際橋梁上進(jìn)行錘擊試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)照片。彈性聚能力錘解決了大型結(jié)構(gòu)力錘激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)中激勵(lì)源的問題，填補(bǔ)了行業(yè)空白，得到了各行各業(yè)用戶的認(rèn)可及青睞，某些國(guó)外知名廠商也曾多次從我公司購(gòu)買彈性聚能力錘。2.2變時(shí)基技術(shù)傳統(tǒng)的等時(shí)基傳遞函數(shù)做瞬態(tài)激勵(lì)傳函分析時(shí)，激勵(lì)及響應(yīng)之間，特征時(shí)間及特征頻率的差異太大，激勵(lì)是級(jí)的，響應(yīng)是幾百級(jí)到秒級(jí)，因而就存在頻率分辨力（采樣頻率越低，分辨力越高）和時(shí)域波形精度（采樣頻率越高，時(shí)域波形精度越高）這一對(duì)無(wú)法克服的矛盾。由于脈沖激勵(lì)信號(hào)作用時(shí)間較短，為確保頻率分辨力，采樣頻率不能太高，從而導(dǎo)致以下幾種情況：采到的激勵(lì)信號(hào)偏大，采到的激勵(lì)信號(hào)偏小或激勵(lì)信號(hào)沒有采上（圖3.2.4）。圖3.2.4采樣頻率不夠高時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量脈沖信號(hào)變時(shí)基技術(shù)則是用較高的頻率對(duì)力脈沖進(jìn)行采樣，用較低的頻率對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣，兩個(gè)采樣頻率的倍數(shù)就是變時(shí)倍數(shù)。以下為同樣條件下使用不同方法對(duì)一簡(jiǎn)支梁的測(cè)試分析結(jié)果比較：圖3.2.5兩次等時(shí)基采樣及傳函分析圖3.2.6兩次變時(shí)基采樣及傳函分析我們可以通過下表來(lái)比較兩種方法的準(zhǔn)確性：等時(shí)基兩次傳函主峰幅值比較變時(shí)基兩次傳函主峰幅值比較頻率11.7295.70181.6312.5458.911.8195.49181.1312.1458.7第一次3.562.782.551.596.2715.611.610.27.5125.1第二次17.011.411.09.3628.115.911.710.37.7725.3兩次比值4.784.104.315.894.481.021.011.011.031.01對(duì)比圖3.2.5、圖3.2.6及上表可見，由于采樣頻率低，等時(shí)基采樣得到的激勵(lì)信號(hào)波形一致性較差，計(jì)算出來(lái)的導(dǎo)納值重復(fù)性差，相位不準(zhǔn)。需要12次以上平均才能獲得可接受的穩(wěn)定性和相干。而變時(shí)基方法每次激勵(lì)重復(fù)性很好，只需要3次平均即可獲得較好的相干。變時(shí)基技術(shù)改變了傳統(tǒng)的等時(shí)基采樣模態(tài)分析方法，獨(dú)創(chuàng)地解決了時(shí)間分辨率和頻率分辨率的矛盾，顯著提高測(cè)量結(jié)果的精度和穩(wěn)定性。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)的人力物力。目前，變時(shí)基技術(shù)結(jié)合彈性聚能力錘，已在神舟飛船750噸移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)模態(tài)試驗(yàn)，長(zhǎng)3捆大型運(yùn)載火箭模態(tài)試驗(yàn)，烏海黃河橋模態(tài)試驗(yàn)，航天員超重訓(xùn)練機(jī)模態(tài)試驗(yàn)，東方紅機(jī)車頭模態(tài)試驗(yàn)等數(shù)十項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目中，取得了非常好的效果。（注：變時(shí)基技術(shù)及彈性聚能力錘為東方所專利技術(shù)，從未轉(zhuǎn)讓或授權(quán)給其他任何組織、單位或個(gè)人，未經(jīng)同意，凡涉及剽竊、引用該技術(shù)，北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所都保留追究其法律責(zé)任的權(quán)利。）3.精確、快速的頻響函數(shù)計(jì)算在模態(tài)試驗(yàn)中，所有模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率，模態(tài)阻尼，模態(tài)振型，模態(tài)質(zhì)量及模態(tài)剛度）是通過對(duì)頻響函數(shù)進(jìn)行曲線擬合得到的，因此，計(jì)算出準(zhǔn)確的頻響函數(shù)是模態(tài)分析中非常重要的一部分，東方所通過多年的實(shí)踐積累及深入的理論研究，掌握了多項(xiàng)行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)及算法，這些技術(shù)及算法已在國(guó)際模態(tài)會(huì)議及權(quán)威期刊上發(fā)表，獲得了行業(yè)專家的認(rèn)可及好評(píng)。3.1錘擊激勵(lì)中的“一錘定音”技術(shù)不論是多次觸發(fā)還是連續(xù)隨機(jī)激勵(lì)，只要脈沖響應(yīng)函數(shù)已知，通過積分，就可計(jì)算出理論響應(yīng)曲線，理論響應(yīng)曲線和實(shí)測(cè)響應(yīng)曲線的誤差，反映了或的估計(jì)精度。將此估計(jì)精度細(xì)化到各條譜線上，即可得到物理意義明顯的新相干函數(shù)。新相干函數(shù)以及反映估計(jì)精度的吻合系數(shù)，都由東方所提出，并得到了國(guó)際同行的認(rèn)可。對(duì)于多次觸發(fā)，模態(tài)軟件一次即可得到相干函數(shù)，做到了“一錘定音”，試驗(yàn)效率是其它同類軟件的十倍以上。下圖為一次激勵(lì)及五次激勵(lì)新相干函數(shù)的對(duì)比（圖中綠色曲線），從圖中可以看出，通過一次平均（未平均）得到的新相干函數(shù)及及五次平均后的新相干函數(shù)基本相同，說明了新相干函數(shù)的準(zhǔn)確性及可行性?！耙诲N定音”技術(shù)大大提高了試驗(yàn)效率，并可識(shí)別多次激勵(lì)中各次激勵(lì)的優(yōu)劣，保證得到準(zhǔn)確的頻響函數(shù)。例如國(guó)內(nèi)某知名電力大學(xué)使用東方所產(chǎn)品對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸及末級(jí)葉片進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，在經(jīng)過初步分析得到的振型結(jié)果中某一點(diǎn)的變形不協(xié)調(diào)，檢查該點(diǎn)頻響函數(shù)，發(fā)現(xiàn)由于操作人員失誤使該點(diǎn)頻響函數(shù)誤差較大，圖1所示為三次平均后得到的頻響函數(shù)及相干函數(shù)，圖中最下方為相干函數(shù)，其中綠色曲線為傳統(tǒng)相干函數(shù)，黑色曲線為新相干函數(shù)，可以看出傳統(tǒng)相干在主要峰值處對(duì)誤差并不敏感，而新相干函數(shù)說明了三次平均后得到的頻響函數(shù)存在較大誤差。使第二次第三次激勵(lì)的數(shù)據(jù)不參及計(jì)算，僅使用第一次激勵(lì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻響函數(shù)計(jì)算，得到頻響函數(shù)及相干函數(shù)如下圖所示，因?yàn)槲催M(jìn)行平均，傳統(tǒng)相干在整個(gè)頻帶為1，無(wú)法判斷頻響函數(shù)的優(yōu)劣，而新相干函數(shù)在能量較大的位置接近于1，圖中右下角的精度指數(shù)（）為100%，說明通過第一次激勵(lì)的數(shù)據(jù)計(jì)算出的頻響函數(shù)較好。隨后使第一次第三次激勵(lì)的數(shù)據(jù)不參及計(jì)算，僅使用第二次激勵(lì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻響函數(shù)計(jì)算，得到頻響函數(shù)及相干函數(shù)如下圖所示，因?yàn)槲催M(jìn)行平均，傳統(tǒng)相干在整個(gè)頻帶仍為1，無(wú)法判斷頻響函數(shù)的優(yōu)劣，而新相干函數(shù)在能量較大的位置較差，圖中右下角的精度指數(shù)（）僅為74.01%，說明通過第二次激勵(lì)的數(shù)據(jù)計(jì)算出的頻響函數(shù)誤差較大。對(duì)第三次激勵(lì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻響函數(shù)計(jì)算，所得到的新相干函數(shù)及精度指數(shù)仍較低，說明第三次激勵(lì)的數(shù)據(jù)計(jì)算出的頻響函數(shù)誤差也較大。最終使用第一次激勵(lì)計(jì)算出的頻響函數(shù)作為最終結(jié)果，并重新進(jìn)行模態(tài)擬合，得到的振型有了較大改善。從上例可以看出，即使試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)并不是很豐富，無(wú)法保證每次激勵(lì)的準(zhǔn)確及穩(wěn)定，仍可以通過東方所的“一錘定音”技術(shù)得到準(zhǔn)確的頻響函數(shù)。3.2穩(wěn)態(tài)激勵(lì)中的頻響函數(shù)精確算法下圖為穩(wěn)態(tài)激勵(lì)時(shí)頻響函數(shù)計(jì)算的示意圖，由積分可知，對(duì)激勵(lì)1及脈沖響應(yīng)函數(shù)H進(jìn)行卷積計(jì)算可得到長(zhǎng)度為1及H兩倍的響應(yīng)Y(1)m及Y(1)r，而對(duì)激勵(lì)及脈沖響應(yīng)函數(shù)H進(jìn)行卷積計(jì)算可得到響應(yīng)及，傳統(tǒng)算法中，使用Y(1)r及和的傅里葉變換及的傅里葉變換計(jì)算脈沖響應(yīng)函數(shù)，這及系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系不符，會(huì)引入周期性假設(shè)造成的計(jì)算誤差，傳統(tǒng)方式通過使用大量的平均次數(shù)消除此種計(jì)算誤差，使試驗(yàn)周期變長(zhǎng)，降低試驗(yàn)效率。采用迭代算法，考慮初始響應(yīng)的影響，可以快速的得到精確的頻響函數(shù)。下圖及表是迭代次數(shù)和計(jì)算時(shí)間及吻合的關(guān)系(或點(diǎn)數(shù):2048)，最后一列為最小二乘解卷積法直接計(jì)算。從圖表中可以看出，在20次迭代后東方所算法就可以得到97%以上的精度，而用時(shí)僅為2.22s，迭代200次后精度可以達(dá)到97.87%，及最小二乘法的精度相當(dāng)，而時(shí)間僅為20.03s，比最小二乘法的計(jì)算時(shí)間提高了很多。圖3.2.1（b）為通過傳統(tǒng)算法得到的理論響應(yīng)及實(shí)測(cè)響應(yīng)的對(duì)比，圖3.2.1（a）為通過東方所算法得到的理論響應(yīng)及實(shí)測(cè)響應(yīng)的對(duì)比，其中藍(lán)色曲線為實(shí)測(cè)響應(yīng)，紅色虛線為理論計(jì)算得到的響應(yīng)。從兩圖的計(jì)算誤差可以看出，傳統(tǒng)算法的總誤差為33.74%，而東方所算法的誤差僅為0.09%，可見相比于傳統(tǒng)算法，通過得到的頻響函數(shù)更準(zhǔn)確。（a）（b）圖3.2.1東方所算法及傳統(tǒng)算法比較3、多樣、準(zhǔn)確的模態(tài)擬合方法在得到準(zhǔn)確的頻響函數(shù)之后，需要對(duì)頻響函數(shù)進(jìn)行模態(tài)擬合以得到模態(tài)頻率、阻尼及振型等模態(tài)參數(shù)。各種模態(tài)擬合方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在擬合過程中需要使用多種擬合方法互相校驗(yàn)，以得到最準(zhǔn)確可靠地模態(tài)參數(shù)。是同類產(chǎn)品中提供模態(tài)擬合方法最多的。經(jīng)典模態(tài)分析方法中當(dāng)前較新的方法是（特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法）和（多參考點(diǎn)頻域最小二乘復(fù)指數(shù)法）。具有方法，和方法（功能完全等效于）。這兩種分析方法可用來(lái)分析復(fù)雜的模態(tài)和重根，分析精度高。除此之外還包含了由東方所及2011年在第14屆亞太振動(dòng)會(huì)議上提出的方法（多參考點(diǎn)無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波參數(shù)識(shí)別方法），方法和方法具備完全相同的頻率特征方程。的矩陣的所有系數(shù)是直接得到，方法的矩陣的系數(shù)需要經(jīng)過復(fù)數(shù)運(yùn)算、運(yùn)算以及逆矩陣運(yùn)算，因此方法的穩(wěn)定圖更清晰，圖3.2.2為方法及方法的穩(wěn)定圖比較，觀察圖中黑色方框中的極點(diǎn)，可以看出方法的穩(wěn)定圖更清晰。圖3.2.2方法及方法穩(wěn)定圖比較4、模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化及模態(tài)盲分析，一鍵求模態(tài)4.1模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化對(duì)(單輸入多輸出)及(多輸入單輸出)優(yōu)化過程為，固定模態(tài)振型，優(yōu)化頻率和阻尼，得到新的頻率阻尼后，提取模態(tài)振型。再進(jìn)行下一步的優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化過程為，固定模態(tài)參及因子和模態(tài)振型，優(yōu)化頻率阻尼，得到新的頻率和阻尼后，根據(jù)模態(tài)頻率和阻尼，求模態(tài)參及因子，求出參及因子后，提取模態(tài)振型。再進(jìn)行下一步的優(yōu)化將不同模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法的結(jié)果作為初解，經(jīng)過優(yōu)化，可得到統(tǒng)一的理論頻響函數(shù)和實(shí)測(cè)頻響函數(shù)在最小二乘意義上最為吻合的模態(tài)分析結(jié)果。4.2模態(tài)盲分析，一鍵求模態(tài)虛假模態(tài)即數(shù)學(xué)極點(diǎn)在優(yōu)化過程中是不穩(wěn)定的，其走勢(shì)有三種可能性，通過分析其走勢(shì)，可將其和物理極點(diǎn)區(qū)分出來(lái)，并消除掉。（1）向最接近的物理極點(diǎn)靠近，導(dǎo)致一個(gè)真正模態(tài)對(duì)應(yīng)了兩個(gè)極點(diǎn)，兩者振型也趨于一致。（2）阻尼越來(lái)越大。（3）極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型所占能量越來(lái)越小。模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化以及通過優(yōu)化進(jìn)行模態(tài)盲分析，一鍵求模態(tài)為東方所獨(dú)創(chuàng)提出，適用于，和。其它的模態(tài)盲分析算法是建立在穩(wěn)定圖統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，模態(tài)軟件也包括這些算法，屬于半自動(dòng)分析。5、基于振動(dòng)及聲的互易性原理的模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)質(zhì)量較輕的結(jié)構(gòu)，如電路板，小的金屬圓盤，薄的金屬圓柱等，做模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器的附加質(zhì)量將會(huì)顯著影響模態(tài)的頻率，使得頻率降低。另外，對(duì)圓盤、圓柱等對(duì)稱結(jié)構(gòu)，存在嚴(yán)格意義上的重根，需要用方法進(jìn)行試驗(yàn)。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法需要