文档介绍：试验模态分析与振动测试技术一、引言随着社会科学技术的飞速发展,现代工业对各种机器的要求越来越高,故现代机器的设计已不是原来古典意义上的设计了。古典意义上的机械设计一般称之为——“静态设计”,也就是说在满足零部件或结构的功能设计后,主要进行机构的强度、刚度的设计校核。而现代机械设计则不但要满足静态设计的要求,而且对机构提出了动态特殊要求。即所谓的“动态设计”。目前,工程中的桥梁、汽车、飞机等,从强度、刚度这角度来说,他们基本是安全的。然而还经常发生破坏现象,其主要原因是机构不符合动态设计要求。举个例子说,一列火车或汽车在桥梁上行驶,会使桥梁产生振动,如果火车或汽车对桥梁的激励频率与桥梁结构本身的某一阶固有频率相等或非常接近。那么桥梁就会发生共振现象。这对桥梁的破坏是很大的,桥梁的部件容易产生疲劳屈服,这大大缩短了桥梁的寿命,严重的会直接发生桥梁倒塌事故。狭义地说,现代机构设计主要是考虑这方面问题。以上说明了试验模态分析这门课在科学技术中所处地位。而现代结构动态设计的理论基础有两部分, 即: 《振动分析》、《试验模态分析》二、试验模态分析技术的发展早期研究实验观察振动试验主要目的是: (1)确定振动响应量的大小和范围; 现代则更注重另外一个目的是, (2)理论模型的验证预测; 或总称动力学建模。虽然, “试验模态”这个名称现已流行,其原理上世纪中就已提出,但早期不叫试验模态。它们已经经历了不同的阶段,例如,曾使用过“共振实验”和“机械阻抗法”等名称来描述这类试验技术。这一课题的重要里程碑之一是 1947 年肯尼迪( kennedy ) 和潘库( Pancu )的论文[Use of vectors in vibration measurement and analysis] 。文中的叙述方法用来精确地确定航空结构的固有频率和阻尼值,这种方法沿用了许多年,直至六十年代测量和信号分析技术迅速地发展起来。它为更精密的测量和更有效而广泛的应用铺平了道路。 1963 年毕晓普( Bishop )和格拉德威尔( Glodwell ) 的论文[Steady stale vibration] 描述了共振实验原理的现状,当时,理论大大领先于实验的水平。在同一时期的另一项工作,是在塞尔特( Salter )所著的书中从完全不同的观点提出的,即用非解方法来处理测量数据。该方法较之现在借助于计算机自动地完成同样的工作相比,要占用较多的人力。塞尔特方法成功地在该项结构振动的研究中引入了重要的物理概念。到1970 年主要是, 传感器、电子学和数字分析仪以及计算机技术等方面都有了重要的发展,从而又建立了目前的试验模态分析技术。而现在所谓“试验模态分析”这一名称的意义,通常指“对系统或部分的一个实验过程,其目的是获得其动态或振动特性的数学描述”。对于不同的应用,其数学描述或模型也是不同的,在一种情况下可以是对固有频率和阻尼系数的估计,而在另一种情况下又可以是质量-弹簧-阻尼系统的模型建立。三、现代模态分析的定义: 对于个自由度的线性定常有阻尼系统,其运动微分方程为: N??????????????)()()(tftxKxCtxM??????式中: ?? M?? C?? K 上式是用系统的物理坐标描述的运动方程组。在其每一个方程中均包含系统各点的物理坐标,因此是一组耦合方程。当系统自由度数目很大时,求解十分困难。??( ) x t??( ) f t ??( ) x t??( ) x t ???)(tx ??为系统的质量刚度阻尼矩阵阻尼矩阵为系统的自由度及外界对系统的激励能否将上述耦合的方程组变换成非耦合的,独立的微分方程组,这就是模态分析要解决的根本任务。故所以,所谓模态分析方法就是: 以无阻尼系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标, 使坐标耦合的微分方程组解耦为各个坐标独立的微分方程组,即 iiiiigqkqcqm??????Ni,,2,1??从而求出系统的各阶模态参数,即、、以及。这就是模态分析的经典定义。 im ic ik ?? i?目前线性系统的理论与技术趋于成熟。