试验模态测试分析

随着现代科技的快速发展，人们不断追求更快的运输速度，更高的燃油经济性，更轻巧的结构，而这些需求往往需要通过降低结构的质量来满足。降低结构质量会引起结构本身变弱，共振频率降低，共振频率进入工作频率等后果，严重的可能导致结构因动态载荷而失效。共振现象在生活中也很常见，如在一个玻璃杯的旁边敲击音叉，当达到一定频率玻璃杯瞬间破碎。

如果我们获得了结构的固有频率，就可以避免共振现象的发生。模态分析就是获取固有频率的有效途径。我们以VENZO 160手持式分析仪和模态分析软件为基础，一起来了解试验模态数据采集与结果分析，希望通过本文的介绍，能给大家在工作和学习中提供一些有意义的参考！

什么是模态

模态是指机械结构的固有振动特性，线性系统的自由振动被解耦合为N个正交的单自由度振动系统，对应系统的N个模态。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。如图为某圆盘的一阶模态振型。

那么我们如何从测试中获取模态呢？一般有以下三种方式：

☆ 试验模态分析EMA（Experimental Modal Analysis, 试验模态分析，力锤法、激振器法）

☆ OMA（Operational Modal Analysis, 工作模态分析，环境激励法）

☆ ODS（Operational Deflection Shape, 运行响应模态、时域、频域）

什么是模态分析

分析机械结构的固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数的过程称为模态分析。按计算方法，模态分析可分为计算模态分析和试验模态分析。计算模态分析通过有限元计算的方法获得模态参数；而试验模态分析通过试验采集系统的激励和响应，并经过参数识别获得模态参数。通常，模态分析都是指试验模态分析。

模态分析的作用

通过模态分析方法弄清楚了结构在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

模态分析的应用

模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

■ 模态分析技术的应用丰富，如:

1) 评价现有结构系统的动态特性

2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计

3) 诊断及预报结构系统的故障

4) 检验产品的质量

5) 识别结构系统的载荷

6）验证有限元模型

…

■ 模态分析的应用领域也十分广泛，如：

1）航空航天飞行器、船舶、汽车工业等

2）土木领域：大桥、大坝、高层建筑、海洋平台、闸门、桩基检测

3）各种机械设备：如机床、发电设备、压缩机、气轮机

4）……

模态分析理论的基本假设

▶ 线性假设

结构的动态特性是线性的，就是说任何输入组合引起的输出等于各自输出的组合，其动力学特性可以用一组线性二阶微分方程来描述。每次进行模态分析试验时，应当首先检查结构的线性动态特性。

▶ 时不变性假设

结构的动态特性不随时间而变化，因而微分方程的系数是与时间无关的常数。由于不得不安装在结构上的运动传感器的附加质量，可能出现典型的时不变性问题。

▶ 可观测性假设

用以确定系统动态特性所需要的全部数据都是可以测量的。为了避免出现可观测性问题，合理选择响应自由度是非常重要的。

▶ 互易性假设

结构遵从Maxwell互易性原理，即在q点输入所引起的p点的响应，等于在p点的相同输入所引起的q点的响应。

试验模态测试分析一般流程

（1）将试验结构以适当的方式支撑起来；

根据试验的目的选择合适的支撑条件。试验目的主要有三种情况：与有限元模型进行比较；在规定的边界条件下进行子结构的试验研究；在常规工作条件下测量试件的动态特性。与试验目的相对应的3种支撑条件：自由支撑、固定支撑和实际工作状态支撑。

（2）根据试验目的对被测结构进行网格划分布点；

（3）布置传感器，传感器标定；（传感器标定视需要进行）

（4）选择适当的激励方式激励试验结构；

一般分力锤法激励和激振器法激励。如何选择呢？可参考以下几点：线性结构通常选择力锤激励；零部件结构通常选择力锤激励；激振器安装空间不够时，采用力锤激励；大型复杂结构通常采用激振器激励；当结构具有非线性时，只能使用激振器激励；纯模态测试，只能使用激振器激励；结构庞大，单点激励能量不足以充分激起感兴趣的模态时，宜用激振器；结构比较脆弱，不能施加太大的激励时，优先使用激振器激励。

虽然锤击法有诸多缺点，但锤击法测试比激振器法更为普遍。

（5）通过采集系统测量激励和响应的时频数据。

这一步分为示波模式和正式采集。示波模式是为了检查传感器工作是否正常，协助选择合适的激励点、合适的采样参数、触发参数、加窗参数、锤击参数等。另一方面还需要对数据进行检查，包括FRF和相干检查等等。

确定了这些参数，并且也进行了相应的检查之后，就可以正式采集了。正式采集的过程中，应对每次敲击的结果从时域和频域检查测量数据，以防止某些测点测量数据出现问题。如果某些测点数据存在问题，应立即重测。

（6）导入模态数据，并建立几何模型

（7）模态参数识别

导入模态采集过程中的频率响应函数后，就可以开始频域的模态参数识别了。目前基于输入（激振力）、输出（响应）测量的试验模态分析（EMA）技术有以下几种：

☆ 选带（SIMO）模态分析技术：SIMO的正交多项式（RFOP）法，一次可识别选定频段内的若干个模态。

☆ 窄带（MIMO）模态分析技术：MIMO的复模态指示因子（CMIF）法，通过选峰逐个识别模态。

☆ 选带（MIMO）模态分析技术：MIMO的频域多参考点（FDPR）法和正交多项式（RFPM）法，一次可识别选定频段内的若干个模态。

☆ 宽带（MIMO）模态分析技术：MIMO的频域宽频带（BBFD）法，一次可识别较宽频带的许多个模态，有时甚至可以一次识别全频带内的所有模态。

☆ 多点激振（随机信号）（MIMO）模态识别技术，具有识别高密度或重根模态的能力，是大型、复杂结构试验模态分析的理想方法。

☆ 单参考点（SR）和多参考点（MR）锤击法模态识别技术，简单高效，对测试设备要求低。

根据具体情况选定一种模态识别算法，进行曲线拟合得到各模态参数，拟合完成后可查看拟合结果和振型动画。在识别完毕以后，还可以通过模态置信准则（MAC）对识别结果进行检验。

（8）结果输出

分析完成后，可以输出模态数据、表格、图形或动画等，也可以直接打印输出。

平板模态试验实例

这里，我们使用VENZO 160手持式分析仪与模态分析软件对一块钢质平板进行实测来介绍模态测试过程。

1.试验介绍

待测对象为一块尺寸为 360*270*2mm的钢质平板，如下图所示。

测试这块平板在自由—自由边界条件下的前10阶弹性模态。测试方法为固定响应传感器，移动力锤遍历所有测点的方式。

2.测点布置，建立几何模型

平板长等分6份，测点间距为60mm，长边方向7个测点。平板宽等分4份，测点间距67.5mm，宽边方向5个测点。总共35个测点，结构上的测点布置如下图所示。

3.测试设备

根据本次试验对象及试验要求，需要以下设备：VENZO 160手持式分析仪，一套模态分析软件，一个力锤和两个加速度传感器，传感器配套线缆。

VENZO 160手持式分析仪设备通过网线和电脑连接，电脑本地连接的IP地址设置为192.168.1.20。手持式分析仪的输入通道1接入力锤的输出信号，输入通道2和输入通道3连接单向加速度传感器。

4.结构支撑搭建

根据本次试验要求，需要测量自由—自由边界条件下的模态。在这里我们使用乳胶管悬挂的方式，如图所示。

5.通道设置

手持式分析仪正常连接后，打开“力锤法”模态数据采集模块。对输入通道参数进行设置，如图所示。

6.测试参数设置

由于测试要求为测量结构前10阶弹性模态，故使用软的橡胶锤头，带宽设置为500Hz。谱线设置为1600线，帧时间为3.2s。由于响应在采样周期内衰减到零，所以不需要对响应加指数窗。

7.正式测试

敲击测点1，敲击3次，每次查看能量衰减，频响函数，相干情况，3次结束后，保存数据，如图所示。一直敲击到测点35，结束采集。

8.模态分析

模态分析软件中，建立几何模型，如图所示。

导入模态数据中的频响函数，选择识别方法，这里我们选择SelBand MIMO1,它是一种多输入多输出的频域模态参数识别方法。适用于具有多个激励点或者多个参考点的模态分析。选取频段，进行曲线拟合，依次操作即可，如图所示。

曲线拟合完成后，查看模态数据结果，如图所示。

可以查看各阶振型动画，如图所示。