试验模态分析(课件)

6.4试验模态分析试验模态分析概述

试验模态分析技术:通过对样机或结构形式相同的准样机的测试，将采集的测试数据应用相应的识别技术，识别出系统的模态参数，用于对该系统动态特性的优化设计。

由于有一些参数如结合部阻尼和某些边界条件等难以获得较准确的数值，因此，仅靠理论分析计算很难获得准确的结果。试验模态分析的必要性：理论计算结果也需要通过试验实测数据加以验证，以检验其计算结果的精度。

实验模态分析技术己被广泛应用于汽车、飞机等大型机械结构上的振动和模态参数识别问题。6.4试验模态分析试验模态分析概述6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程实验模态分析主要由4个步骤构成：

1）建立试验装置，即悬挂或约束试件、安装传感器与激振器、连接数据采集分析系统、传感器校准等；2）数据采集，即在关心的频段内对频响函数进行估计；3）系统识别，从测得的输入/输出数据中确定系统的动态特性；

4）结果验证及动力学修改，对所得结果进行验证并按照试验结果对系统进行动力学修改。试验模态测试的主要目的是准确得到所测系统的频率响应函数（FRF），继而通过各种模态识别方法得到系统的模态参数。6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程实验模态分6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析

（1）将被测车身用四个螺旋弹簧悬吊在刚性良好的试验台架上以模拟自由边界条件，车身保持水平，悬挂点选择在振幅较小的位置，靠近尽可能多的低阶全局模态的振型节点，与车身的连接处为四个质量很小的挂钩，如图6.4-1所示。图6.4-1白车身模态试验6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程——汽车车6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程在计算机中建立被测车身的CAD模型，如果6.4-2所示。对加速度传感器和力传感器进行校准后，安装到被测车身上。连接数据采集分析系统和激振器功率放大器系统。图6.4-2整车模型及测点布置图为防止丢失模态和提高信噪比，激振点应尽量避开各阶模态振型的节点。另外，激振点位置的刚性要大以防止局部变形，并能将激振力较均匀地传到车身的其它部位。所以激振器选在车的左前方底盘处激振，激振方向由下向上。6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程6.4试验模态分析

激振器基座与基础刚性连接以保证在低频段对结构有较大的激振力，激振器与力传感器之间以直径3mm，长度80mm的细长杆连接，一方面可以保证激振力沿杆长方向传递，另一方面起到过载保护的作用。

（2）测试频响函数

由于我们关心汽车在低频0~200Hz频段的动态特征，因此设置采样频率为512Hz。由于需要将信号转到频域进行分析，为减少对随机时域信号的截断所造成的能量泄漏，选用汉宁窗来抑制泄漏。然后对频响函数进行估计。1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析图6.4-3测得的324条频响函数曲线的集总显示6.4试验模态分析激振器基座与基础刚性6.4试验模态分析

（3）对频响曲线进行模态参数识别。识别后的各阶模态固有频率和阻尼比如表6.4-1所示。阶数1234567固有频率（Hz）22.72733.537.243.151.959.7阻尼比（％）2.232.083.451.61.831.491.6表6.4-1各阶模态参数1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析6.4试验模态分析（3）对频响曲线进行模态6.4试验模态分析识别到的前两阶模态振型如图6.4-4，6.4-5所示。1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析图6.4-4一阶扭转模态振型图6.4-5一阶弯曲模态振型（4）还可以对车身进行结构动力学修改。6.4试验模态分析识别到的前两阶模态振型如图6.4-4，6.4试验模态分析（1）激振方法的选择2.实验模态分析中的有关问题单点激振与多点激振的选择从原理上讲，多点激振的能量输入合理，在结构中的传播均匀，因而测试精度较单点激振高。但在有些情况下采用单点激振也可达到所要求的精度，且有更合理的经济与人力投人。在这两种方法之间做选择时，应综合衡量决定取舍。

对于较大型的和柔软的结构，由多部件组合的复杂结构，材料性质较复杂和存在一些弱非线性因素的结构，如车床、车辆、飞机、火箭等，应采用多点激振，以保证足够的激振能量、测试结果的一致性和良好的分析精度。

对于较小型、较刚硬、由简单部件组成的结构，如梁、板、刚架及相应的简单结构，对于经济上、设备上尚无法应用多点激振的结构，采用单点激振设备是合理的。6.4试验模态分析（1）激振方法的选择2.实验模态分析6.4试验模态分析激振信号的比较和选择2.实验模态分析中的有关问题由于正弦激励信号、随机激励信号和瞬态激励信号等各在一定的场合下具有其优点，没有哪一种在各方面都占优势的激励信号，所以，在具体应用时应根据具体情况合理选择。选择时可考虑以下几个因素：1）测试精度。测试误差在正常情况下主要是由泄漏、噪声等引起的。从泄漏、信噪比和有效值/峰值比等因素考虑，瞬态随机和步进正弦有突出的优点。2）测试时间。一是指整个测试耗用时间，二是指测试系统工作时间。宽带随机（纯随机）与脉冲激励在这两方面都占用较少的时间，正弦激励则相反，将占用较多的时间。6.4试验模态分析激振信号的比较和选择2.实验模态分析6.4试验模态分析

3）非线性影响的线性化。随机激励效果最好，脉冲激励则最差。2.实验模态分析中的有关问题4）系统的非线性检验。非线性因素检验在复杂结构的模态试验中尤为重要，正弦激励是这种检验的主要手段。5）实施的简易性。无论从设备还是从实施方面看，锤击脉冲激励都是最方便的。

6）模态密集性。如结构在某频段内模态密集以至耦合严重，则应采用步进正弦或瞬态随机激励，前者可以改变步长提高分辨率，后者则靠减少泄漏提高分辨率。6.4试验模态分析3）非线性影响的线性化。随机6.4试验模态分析测试系统的校准是为了检测测试设备及系统的精度，定度则是为了确定测试设备的灵敏度等参数。在模态试验中，这两项工作通常是同时进行的，统称为定度。

2.实验模态分析中的有关问题定度分为绝对定度和现场定度。绝对定度是对测试系统的器件或设备的某个参量进行严格的独立测量，据此判定其精度和灵敏度。绝对定度通常由计量单位或生产厂家进行。现场定度是根据测试系统的一些标准实测结果对系统的精度和灵敏度等参数进行校准。（2）测试系统的定度与校准

测试仪器特别是传感器的绝对定度一般很难实现，常采用相对比较法代替。让定度传感器与一个性能稳定的高精度标准传感器同时感受振动，然后给出相对的参数值。6.4试验模态分析测试系统的校准是6.4试验模态分析现场定度方法2.实验模态分析中的有关问题模态测试中，常需进行现场定度，将一个具有单位质量的质量块与传感器固定在一起，当质量块运动时，观察测试系统的响应值，即可做出定度分析。

应用质量块也有两种方法。1）是将质量块用柔性绳悬挂起来，使质量块突然落下，在下落过程中，其理论加速度应为lg。这种方法只要一个简单的附加悬挂设备，误差不大于1%～2%。2）是采用具有反馈控制的激振器对质量块进行激振，根据激振力通道与响应通道的电平比值，确定测试系统的相对灵敏度。现场定度省略了与各通道器件“对号入座”工作，避免了传感器与数据采集通道分别定度带来误差积累。因此，试验前后一般都应进行现场定度，以保证数据一致性。6.4试验模态分析现场定度方法2.实验模态分析中的有6.4试验模态分析（3）被试结构的支承2.实验模态分析中的有关问题进行模态试验的结构在实际工作环境中，总处于一定的约束状态。设置试验时，选择结构的支承方式首先应考虑是否模拟其真实的约束状态。从精确角度出发，自由状态的结构状态很容易模拟，但不可能使结构处于真正的自由悬浮状态。经常用一种非常柔软的悬挂系统将被试结构支承起来，以模拟自由支承。这种情况下结构的刚体模态的频率已不为零。非常柔软的含义就是要保证刚体模态的最低阶频率应低于结构自身第一阶弹性模态频率的10％～20％。一般悬挂系统的固有频率应低于2Hz。

6.4试验模态分析（3）被试结构的支承2.实验模态分析6.4试验模态分析

软悬挂可以通过弹性绳的吊挂来实现，也可以通过弹性基础来提供。对弹性悬挂除了上述非常柔软的要求外，还要求可能参与振动的质量尽可能小。为使悬挂对振动的影响最小，应使主要的振动方向与悬挂方向垂直。如悬挂支承点能靠近结构的节点则更为理想。2.实验模态分析中的有关问题软悬挂不但为像飞机、火箭等真正自由约束的结构提供模拟，对那些非自由的实际结构也是一种常用的支承方式。因为时常对实际约束的模拟可能很困难，而且对测试的精度影响很大。虽然自由状态的响应状况与真实约束状态存在很大差异，但两种状况下的物理模型和模态模型则存在一定的关联，所以这时采用软悬挂仍很有价值。6.4试验模态分析软悬挂可以通过弹性6.4试验模态分析模拟真实的结构约束状态，如固支、铰支等也称为地面支承。地面支承将结构上所选择的点与地基上的点相连。这种状态能很好地给出结构实际约束状态下的各种振动模型。必须注意的是，应使支承基础的刚度足够大，一般要求能提供的振动响应仅有数十千赫兹以上的成分。2.实验模态分析中的有关问题与自由支承相比，地面支承需要专门的支承装置，同时这种装置的模拟精度以及基础的刚度很难保证，否则需要很高的代价。选择支承方式应根据具体要求在二者之间权衡利弊。有些情况下，同时采用两种支承方式进行两次试验也许是最合理的。6.4试验模态分析模拟真实的结构6.4试验模态分析（4）激振器与传感器的定位与安装2.实验模态分析中的有关问题

传感器的定位首先应根据结构建模的需要进行选择。例如，可先建立有限元网格，然后找出所需要的结点作为响应测点。另一个应考虑的条件是让响应的测点尽可能避开各阶模态的节点，这在模态试验前通常是很难预测的，需要在试验中反复调整。

激振点选择的总原则是使激振力易于向各部位传递，要避开振动节点、结构薄弱环节和支承点（悬挂点）。另外，还应考虑使激振器的安装方便。多点激振时还应考虑使各激振点在结构上分布合理，不能过于接近。定位6.4试验模态分析（4）激振器与传感器的定位与安装2.6.4试验模态分析

传感器的正确安装非常重要。为了保证安装的传感器能感受到真实的振动信号，要求安装提供足够的刚性，同时又不能明显增加结构的质量，还要保证传感器的方向要与测振方向一致。2.实验模态分析中的有关问题传感器的固定方式有螺栓、胶接、磁吸座连接等。各种方式各有其一定的频响范围，显然螺栓连接有最理想的效果，但需要对被试结构进行加工；胶接的性能与胶接剂有关。通常通过一块过渡薄片将螺栓与此薄片连接，而薄片则与测点表面胶接，两者结合使用效果更为理想。安装安装激振器时，为了保证激振力的单向作用，激振器与力传感器之间要加一根很细的接长杆并施加一定的预紧力。同时应保证接长杆有很小的侧向刚度和足够大的纵向刚度。6.4试验模态分析传感器的正确安装非6.4试验模态分析2.实验模态分析中的有关问题安装激振器时，为了保证激振力的单向作用，激振器与力传感器之间要加一根很细的接长杆并施加一定的预紧力。同时应保证接长杆有很小的侧向刚度和足够大的纵向刚度。6.4试验模态分析2.实验模态分析中的有关问题6.4试验模态分析试验模态分析概述

试验模态分析技术:通过对样机或结构形式相同的准样机的测试，将采集的测试数据应用相应的识别技术，识别出系统的模态参数，用于对该系统动态特性的优化设计。

由于有一些参数如结合部阻尼和某些边界条件等难以获得较准确的数值，因此，仅靠理论分析计算很难获得准确的结果。试验模态分析的必要性：理论计算结果也需要通过试验实测数据加以验证，以检验其计算结果的精度。

实验模态分析技术己被广泛应用于汽车、飞机等大型机械结构上的振动和模态参数识别问题。6.4试验模态分析试验模态分析概述6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程实验模态分析主要由4个步骤构成：

1）建立试验装置，即悬挂或约束试件、安装传感器与激振器、连接数据采集分析系统、传感器校准等；2）数据采集，即在关心的频段内对频响函数进行估计；3）系统识别，从测得的输入/输出数据中确定系统的动态特性；

4）结果验证及动力学修改，对所得结果进行验证并按照试验结果对系统进行动力学修改。试验模态测试的主要目的是准确得到所测系统的频率响应函数（FRF），继而通过各种模态识别方法得到系统的模态参数。6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程实验模态分6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析

（1）将被测车身用四个螺旋弹簧悬吊在刚性良好的试验台架上以模拟自由边界条件，车身保持水平，悬挂点选择在振幅较小的位置，靠近尽可能多的低阶全局模态的振型节点，与车身的连接处为四个质量很小的挂钩，如图6.4-1所示。图6.4-1白车身模态试验6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程——汽车车6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程在计算机中建立被测车身的CAD模型，如果6.4-2所示。对加速度传感器和力传感器进行校准后，安装到被测车身上。连接数据采集分析系统和激振器功率放大器系统。图6.4-2整车模型及测点布置图为防止丢失模态和提高信噪比，激振点应尽量避开各阶模态振型的节点。另外，激振点位置的刚性要大以防止局部变形，并能将激振力较均匀地传到车身的其它部位。所以激振器选在车的左前方底盘处激振，激振方向由下向上。6.4试验模态分析1.实验模态分析的基本过程6.4试验模态分析

激振器基座与基础刚性连接以保证在低频段对结构有较大的激振力，激振器与力传感器之间以直径3mm，长度80mm的细长杆连接，一方面可以保证激振力沿杆长方向传递，另一方面起到过载保护的作用。

（2）测试频响函数

由于我们关心汽车在低频0~200Hz频段的动态特征，因此设置采样频率为512Hz。由于需要将信号转到频域进行分析，为减少对随机时域信号的截断所造成的能量泄漏，选用汉宁窗来抑制泄漏。然后对频响函数进行估计。1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析图6.4-3测得的324条频响函数曲线的集总显示6.4试验模态分析激振器基座与基础刚性6.4试验模态分析

（3）对频响曲线进行模态参数识别。识别后的各阶模态固有频率和阻尼比如表6.4-1所示。阶数1234567固有频率（Hz）22.72733.537.243.151.959.7阻尼比（％）2.232.083.451.61.831.491.6表6.4-1各阶模态参数1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析6.4试验模态分析（3）对频响曲线进行模态6.4试验模态分析识别到的前两阶模态振型如图6.4-4，6.4-5所示。1.实验模态分析的基本过程——汽车车身实验模态分析图6.4-4一阶扭转模态振型图6.4-5一阶弯曲模态振型（4）还可以对车身进行结构动力学修改。6.4试验模态分析识别到的前两阶模态振型如图6.4-4，6.4试验模态分析（1）激振方法的选择2.实验模态分析中的有关问题单点激振与多点激振的选择从原理上讲，多点激振的能量输入合理，在结构中的传播均匀，因而测试精度较单点激振高。但在有些情况下采用单点激振也可达到所要求的精度，且有更合理的经济与人力投人。在这两种方法之间做选择时，应综合衡量决定取舍。

对于较大型的和柔软的结构，由多部件组合的复杂结构，材料性质较复杂和存在一些弱非线性因素的结构，如车床、车辆、飞机、火箭等，应采用多点激振，以保证足够的激振能量、测试结果的一致性和良好的分析精度。

对于较小型、较刚硬、由简单部件组成的结构，如梁、板、刚架及相应的简单结构，对于经济上、设备上尚无法应用多点激振的结构，采用单点激振设备是合理的。6.4试验模态分析（1）激振方法的选择2.实验模态分析6.4试验模态分析激振信号的比较和选择2.实验模态分析中的有关问题由于正弦激励信号、随机激励信号和瞬态激励信号等各在一定的场合下具有其优点，没有哪一种在各方面都占优势的激励信号，所以，在具体应用时应根据具体情况合理选择。选择时可考虑以下几个因素：1）测试精度。测试误差在正常情况下主要是由泄漏、噪声等引起的。从泄漏、信噪比和有效值/峰值比等因素考虑，瞬态随机和步进正弦有突出的优点。2）测试时间。一是指整个测试耗用时间，二是指测试系统工作时间。宽带随机（纯随机）与脉冲激励在这两方面都占用较少的时间，正弦激励则相反，将占用较多的时间。6.4试验模态分析激振信号的比较和选择2.实验模态分析6.4试验模态分析

3）非线性影响的线性化。随机激励效果最好，脉冲激励则最差。2.实验模态分析中的有关问题4）系统的非线性检验。非线性因素检验在复杂结构的模态试验中尤为重要，正弦激励是这种检验的主要手段。5）实施的简易性。无论从设备还是从实施方面看，锤击脉冲激励都是最方便的。

6）模态密集性。如结构在某频段内模态密集以至耦合严重，则应采用步进正弦或瞬态随机激励，前者可以改变步长提高分辨率，后者则靠减少泄漏提高分辨率。6.4试验模态分析3）非线性影响的线性化。随机6.4试验模态分析测试系统的校准是为了检测测试设备及系统的精度，定度则是为了确定测试设备的灵敏度等参数。在模态试验中，这两项工作通常是同时进行的，统称为定度。

2.实验模态分析中的有关问题定度分为绝对定度和现场定度。绝对定度是对测试系统的器件或设备的某个参量进行严格的独立测量，据此判定其精度和灵敏度。绝对定度通常由计量单位或生产厂家进行。现场定度是根据测试系统的一些标准实测结果对系统的精度和灵敏度等参数进行校准。（2）测试系统的定度与校准

测试仪器特别是传感器的绝对定度一般很难实现，常采用相对比较法代替。让定度传感器与一个性能稳定的高精度标准传感器同时感受振动，然后给出相对的参数值。6.4试验模态分析测试系统的校准是6.4试验模态分析现场定度方法2.实验模态分析中的有关问题模态测试中，常需进行现场定度，将一个具有单位质量的质量块与传感器固定在一起，当质量块运动时，观察测试系统的响应值，即可做出定度分析。

应用质量块也有两种方法。1）是将质量块用柔性绳悬挂起来，使质量块突然落下，在下落过程中，其理论加速度应为lg。这种方法只要一个简单的附加悬挂设备，误差不大于1%～2%。2）是采用具有反馈控制的激振器对质量块进行激振，根据激振力通道与响应通道的电平比值，确定测试系统的相对灵敏度。现场定度省略了与各通道器件“对号入座”工作，避免了传感器与数据采集通道分别定度带来误差积累。因此，试验前后一般都应进行现场定度，以保证数据一致性。6.4试验模态分析现场定度方法2.实验模态分析中的有6.4试验模态分析（3）被试结构的支承2.实验模态分析中的有关问题进行模态试验的结构在实际工作环境中，总处于一定的约束状态。设置试验时，选择结构的支承方式首先应考虑是否模拟其真实的约束状态。从精确角度出发，自由状态的结构状态很容易模拟，但不可能使结构处于真正的自由悬浮状态。经常用一种非常柔软的悬挂系统将被试结构支承起来，以模拟自由支承。这种情况下结构的刚体模态的频率已不为零。非常柔软的含义就是要保证刚体模态的最低阶频率应低于结构自身第一阶弹性模态频率的10％～20％。一般悬挂系统的固有频率应低于2Hz。

6.4试验模态分析（3）被试结构的支承2.实验模态分析6.4试验模态分析

软悬挂可以通过弹性绳的吊挂来实现，也可以通过弹性基础来提供。对弹性悬挂除了上述非常柔软的要求外，还要求可能参与振动的质量尽可能小。为使悬挂对振动的影响最小，应使主要的振动方向与悬挂方向垂直。如悬挂支承点能靠近结构的节点则更为理想。2.实验模态分析中的有关问题软悬挂不但为像飞机、火箭等真正自由约束的结构提供模拟，对那些非自由的实际结构也是一种常用的支承方式。因为时常对实际约束的模拟可能很困难，而且对测试的精度影响很大。虽然自由状态的响应状况与真实约束状态存在很大差异，但两种状况下的物理模型和模态模型则存在一定的关联，所以这时采用软悬挂仍很有价值。6.4试验模态分析软悬挂可以通过弹性6.4试验模态分析模拟真实的结构约束状态，如固支、铰支等也称为地面支承。地面支承将结构上所选择的点与地基上的点相连。这