各种模态分析方法总结及比较.docx
各种模态分析方法总结与比拟一、模态分析模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统区分方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，那么称为计算模记分析；如果通过试验将采集 的系统输入与输出信号经过参数识别获得模 态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整 体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受 影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部 各 种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。模态分析最终目标是在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。二、各模态分析方法的总结一单自由度法一般来说，一个系统的动态响应是它的假设干阶模态振型的叠加。但是如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度ISDOF法nlo在给定的频带范围内，结构的动态特性的时域表达表示近似为：h t 七只 r2-1而频域表示那么近似为：h jUR LRR2-2J r单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机内存。这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。然而实际情况通常并不是这样的，所以就需要用包含假设干模态的模型对测得的数据进行近似，同时识别这些参数的模态，就是所谓的多自由度MDOF法。单自由度算法运算速度很快，几乎不需要什么计算和计算机内存，因此在当前小型二通道或四通道傅立叶分析仪中，都把这种方法做成内置选项。然而随着计算机的开展，内存不断扩大，计算速度越来越快，在大多数实际应用中，单自由度方法已经让位给更加复杂的多自由度方法。1、峰值检测峰值检测是一种单自由度方法，它是频域中的模态模型为根据对系统极点进行局部估计固有频率和阻尼。峰值检测方法基于这样的事实：在 固有频率附近， 频响函数通过自己的极值，此时其实部为零同相局部最小，而虚部和幅值最大 相移达90 ° ,幅度达峰值图1。出现极值的那个固有频率就是阻尼固有频率的良好估计。相应的阻尼比，的估计可用半功率点法得到。设！和2分处在阻尼固有频率的两侧1< r< 2，那么：Hj r2-3、22-42、模态检测模态检测是根据频域中的模态模型对复模态或实模态向量进行局中略去剩余部估计的一种单自由度方法。在h jQr项那么单个频响函数在r处的值近似为：Htj j r -Qr 1r jrj rr j rQr 1r jrA1 jr2-5由此式可见，频响函数在r处的值乘以模态阻尼因，就是留数的估计值如图1。利用这种模态检测方法之前，先要估计出图1对频响应函数的幅值进行峰值和模态检测3、圆拟合圆拟合是一种单目由度方法，用频域中的模态模型对系统极点和复模态或实模态向量进行局部估计。此方法依据事实是：单自由度系统的速 度频响 函数速度对力在奈奎斯特图即实部对虚部上呈现为一个圆。如 果把其他模态的影响近似为一个复常数，那么在共振频率r附近，频响函数的根本公式为：Htj j R j12-6J r因此，首先要选择共振频率附近的一组频率响应点，通过这些点拟合成一个圆。阻尼固有频率r可以看成是复平面上数据点之间角度变化率最大角间隔最大的那个点的频率，也可以看成是相位角与圆心的相位角最为接近的那个数、。 阻尼比估计如下:2-7得半径之间的夹角U+jV的信息：2-8据点的频率。对于分得开的模态而言，二者的差异 21rr tan 12 tan ;式中!，2：分居在r两侧的两个频率点：1 ,2 ：分别为频率点在圆的直径和阻尼固有频率点的角位置含有复留数H,tanr式中：圆的直径:园心与固有频率点的连线跟虚轴之间的夹角圆拟合法速度也很快，但为防止结果出错，特别是在模态节点附近需要操作者参与二单自由度与多自由度系统粘性阻尼单自由度SDO系统如图2的力平衡方程式表示惯性力、阻尼力、弹性力与外力之间的平衡图2单自由度系统Mx t Cx t Kx t ft2-9其中M:质量C:阻尼K: xxx :加速度，速度，位移f :外力t时间变 量，把结 构中所呈现出来的全部阻尼都近似为一般的粘性阻尼。把上面的时间域方程变换到拉氏域复变量P,并假设初始位移和初始速度为零，那么得到拉氏域方程：Mp2CpK Fp ,或ZpXp F p乙动刚度经过变换可得传递函数的定义，Hp Z 1 p即X p H p F p2-102-111/Mp2 C/M p K/M上式右端的分母叫做系统特征方程，它的根即是系统的极点是:12 C / 2M VC/2M 2 K /M如果没有阻尼c=o,那么所论系统是保守系统。我们定义系统的无阻尼固有频率为：2-4临界阻尼Cc的定义为使式中根式项等于零的阻尼值而临界阻尼分数或阻尼比Z i为：Zi二CG,阻尼有时也有用品质因数即Q因数表示：Q 1/ 2 i2-6系统按阻尼值的大小可以分成过阻尼系统Z 1>1、临界阻尼系统Z1=1和欠阻尼系统Z 1<1。过阻尼系统的响应只含有衰减成分、没有振 荡趋势。欠阻尼系统的响应时一种衰减振动，而临界阻尼系统那么是过阻尼系统与欠阻尼系统之间的一种分界。实际系统的阻尼比很少有大于10%的，除非这些系统含有很强的阻尼机11j 1 , 11j 12-7制，因此我们只研究欠阻尼的情形。在欠阻尼的情况下式2-11两个共掘复根：其中1为阻尼因子1为阻尼固有频率。有关系统极点的另外一些关系式有：1 j .1122-82-92-102-112-2式写成如下形式:1/M2-12在展开成局部分式形式，那么有-AU ,这里A P i1/M72-i2-13这里的A,和A是留数多目由度系统多自由度系统可以用简单的力平衡代数方程演化成形式相似的一个矩阵的方程。下面是以而自由度系统为例。如图：-一晶曲K, 7口一 J"T7T7CT图3多自由度系统MixiCi C2 xi tM 2X2C2 C3 X2 t该系统的运动方程如下2-i4C2X2 tKiK2 X-! tK2X2 t f 1tC2 Xi tK2K3 X2 tK2Xi tf2 t写成矩阵形式是Mi 0为0 M2 X2Ci C2C2C2C2C3XX>Ki K 2 K2 XiK2K2 K3 X2fi2-i5或者 M x C xK x f2-i6其中M、 q、的、ft和xt分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚矩阵、方向量和响应向量。把这个时间域的矩阵方程变换到拉氏域变量 为p且2-i7假定初始位移和初始速度为零，那么得:p2 M pC K X p F p或者是Z p X p F p式中：Z( p)动刚度矩阵2-18可以得到传递函数矩阵为H p Z p 1 2-19式中adj Z p : Z叫的伴随矩阵，等于jZjT；Zj : Z p去掉第行第列后的行列式传递函数矩阵含有幅值函数。1如果i j等于偶数1如果i j等于奇数2-19式中的分母，即是Z p的韩烈士，叫做系统的特征方程。与单目由度情况一样，系统特征方程的根，即系统极点，决定系统的共振频率。根据特征值问题，可以求出系统特征方恒的根。为了把系统方程2-17 转化为 般的特征值问题公式，参加下面的恒等式:2-20将此式与2-17式结合在-起得:F'2-21其中如果力函数等于零，那么式2-19就成了关于实值矩阵的一般特征值问题，其特征值马祖以下方程的p值:2-22它的根就是特征方程Zp0的根。对于N各自由度系统，此方程有2N个呈复共转对出现的特征根2-23N J NN11 J 100N J NN同单自由度系统一样，多自由度系统的极点的实部是阻尼因子，虚部r是阻尼固有频率。三实模态和复模态按照模态参数主要指模态频率及模态向量是实数还是复数，模态可以分为实模态和复模态。对于无阻尼或比例阻尼振动系统，其各点的振动相位差为零或180度，其模态系数是实数，此时为实模态；对于非比例阻尼振动系统，各点除了振幅不同外相位差也不一定为零或180度，这样k点鼓励Z点响应的模态系数就是复数，即形成复模态。1复模态与实模态理论在拟合频段，实模态理论中传递函数在留数表达式为r RklJ reHki -2 2r arcta n r Vrk,l 1,2, ,nr JV r拟合频段复模态理论中传递函数在k点鼓励f点响应的留数表达式为n rRki eJ rHki()r12j r jVrr 1 2 ir Rkl eJ r=eJ r%2其中，rRkl为留数；r和Vr构成的复数为系统的复特征值k, l 1,(2)arcta n 92式中可以看出，传递函数共振峰处复模态的相位与实模态相位的差异在于多出的复留数相位r,由传递函数的逆变换可以得到脉冲响应函数，由此可以得到物理坐标系中结构的自由响应表达式对于无阻尼结构，t时刻第r阶模态k点的振动为粘性比例阻尼:,般粘性阻尼:Xkrt时刻第krYr sinrtrr阶模态k点的振动为XkrkrYre rt Sindrtt时刻第r阶模态k点的振动为(3)r kro表示相位角Xkr 2Tr kre mrt COS drt式中，？ kr表示振型幅值；Q表示模态频率;可以看出，无阻尼和比例阻尼系统的初相位与初始条件有关，与物理坐标无关， 具有模态振型保持性；而一般粘性阻尼系统的初相位 还与物理坐标k有关，每个物理坐标振动时并不同时到达平衡位置和最不变，各点的振动周期、衰减率仍保持相同J.从物理坐标点的自由响应公式还可看出，即使各测点留数为复数，但如果留数的相位差，振型的幅角相同，那么还是可以得到振动周期内形状不变且节点固定的的实振振型.这样模态虽是复模态，但表现出实模态的性质.因此实模态理论型与复模态理论中复模态的差异在于各测点峰值相位差的大小.2实模态提取方法复模态理论中模态参数 特征值和特征向量均为复数，在进行结构模型修正时大量采用复数矩阵和复数迭代运算，计算工作量大，效率低；实模态理论中模态参数为实数，物理概念明确，后续结构模型修正计算公式简单，计算工作量小又节约空间，故实模态得到广泛的应用，实际测试得到的传递函数留数一般都为复数，要由复模态经过实模态提取技术才能 得到实模态。复模态提取实模态的方法主要 有：根据复模态的实部、虚部 或相位确定实模态的传统方法；I b r a h i m的 扩大 模型法；Chen的传递函数提取法等。目前的模态分析软件中普遍使用的为传统方 法。由 复模态实部或虚部获得实模态向量的方法为：直接取复留数的实部或虚部作为实模态理论中的留数，进行规格化得到实模态振型.由复模态相位获得实模态向量的方法为：取复留数的幅值作为实模 态理论中的留数，根据的数值接近1或-1 ,将留数相位归为90? 0或-90?。，然后尽享振型规格化，得到实模态振型，此振型中各测点相位差即为0?。或180?。用复模态理论获得的复模态向量，由复振型的周期变化中t=0即振动到达最大幅度时的振幅之比表示。三、模态分析的应用与开展模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：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）控制结构的辐射噪声；5）识别结构系统的载荷。对于实际的工程， 用有限元软件分析需要的频率段，可查找振动原因， 或校核。模态分析可以看出在那些频率段需要防止或防止共振时很有用。首先，频率和振型是结构的固有特性，任何结构都可以进行模态分析；其次，结构的功能是不同的，不同结构对应的模态分析的用途是有差异的。对建筑结构，模态分析可以知道结构的避频设计、用于抗震设计计算以及考虑动力荷载的放大作用等。另外，还可以挖掘振型有关的信息。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换(FFT)分析，得到任意两点之间的机械与纳函数(传递函数)。用模态分析理论通过对试验与纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。模态分析软件以美国的 ME ScopeVES 的功能最为全面。ME ScopeVES 软件的功能包括信号处理(signalProcess ing)、运行挠曲振型(OperatingDeflection Shapes)、模态分析(Modal Analysi s)、结构改 正(SDM)和 声学分析(Acoustics Analysi S)等，解决和分析机器与结构的振动噪声问题。主要可用于：1、可以显示被测物体的实际工作形态(0DS)、模态、声学分布形态和工程数据的形态等；2、模块化结构便于用户根据自己的需要选择适宜的产品；3、强大的图形显示、结构编辑、数据处理及动画显示功能；4、软件的开放性好，能够与全球的多家厂商的硬件兼容；5、主要应用的领域：航空航天、建筑桥梁、汽车制造、钢铁冶金、军工装备等。模态分析与参数辨识作为结构动力学中的一种逆问题分析方法并在工程实践中应用是从60年代中、后期开始，至今已有近四十年的历史了。这一技术首先在航空、宇航及汽车工业中开始开展。由于电子技术、信号处理技术与设备的开展，到 80年代末这项技术已成为工程中解决结构动 态性能分析、振动与噪声控制、故隙诊断等问 题的重要工具。目前这一技 术已渐趋成熟。经过二十余年的研究开展，到目前为止模 态分析技术已在我国各个工程领域中广泛应用，成为一种解决工程问题的重要手段。在工程应用方面模态分析已渗透到我国各个工程领域，并取得了不少成就。例如，某型火箭全装置的实物模态试验保证了火箭的准确发射与导航，防止了发射的失败；模态分析与参数识别技术曾被成功地用于解决某型航空发动机的严重振动故障，取得重大经济及社会效益；某型鱼雷全装 置实物水下模态试验为鱼雷的振动与噪声控 制确保导航性能提供了技术依据；远东第一高塔的上海东方明珠电视塔的振动模态试 验，为高塔的抗 风抗地震平安性设计提供了技术依据；目前世界上跨度第一的斜拉索 杨浦 大桥的振动试验对大桥抗风振动的平安性分析与故障诊断提供了技术依据；建立在模态分析技术上的桩基断裂检测技术已在高层建筑施工中广泛应用，提图了桩基的质量，确保图层建筑的平安；等等，这些成就不 胜枚举。总之，二十余年的开展是迅速的，成就是显着的，回忆这一开展 过程和取得的成就，可更鼓励我们朝着新的 目标发奋前进。模态分析技术开展到今天已趋成熟，特别是线性模态理论方面的研究 已日臻完善, 但在工程应用方面还有不少工作可做。首先是如何提高模态分析的精度，扩大应用范围。增加模态分析的信息量是提高分析精度的关键，单靠增加传感器的测点数目很难实现，目前提出的一种激光扫描方法是大大增加测点数的有效方法，测点数目的增加随之而来的是增大数据采 集与分析系统的容量及提高分析处理速度，在测试方法、数 据采集与分析方面还有不少研究工作可做。对复杂结构空间模态的测量分析、频响函 数 的耦合、高频模态检测、抗噪声干扰等等方面的研究尚需进一步开展。模态分析当前的一个重要开展趋势是由线性向非线性问题方向开展。非线性模态 的概念早在1960年就由Rosenberg提出，虽有不少学者对非 线性模态理论进行了研究，但由于非线性问题本身的复杂性及当时工程实 践中的非线性问题并引引起重视，非线性模态分析的开展受到限制。近年来在工程中的非线性问题日益突出，因此非线性模态分析亦日益受到人们的重视。最近已逐步形成了所谓非线性模态动力学。关于非线性模态的正交性、解耦性、稳定性、模态的分叉、渗透等问题是当前研究的重点。在非线性建模理论与参数辨识方面的研究工作亦是当今研究的热点。非线性系统物理参数的识别、载荷识别方面的研究亦已开始。展望未来，模态分析与试验技 术仍将以新的速度，新的内容向前发 展。姓名：徐海滨学号:
