结构振动测试技术.docx

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结构振动测试技术

结构振动测试技术

一、实验目的

了解振动测试目的及意义；认识振动测试仪器设备；掌握振动测试仪器设备的使用方法；测量频率响应函数；根据频率响应函数分析结构振动的模态参数。

二、实验仪器设备

学生振动实验平台

锤击法简支梁模态测试

一、实验目的

1、学习测力法模态分析原理；

2、学习测力法（锤击法）模态测试及分析方法。

二、实验仪器安装示意图

图12-1实验装置框图

三、实验原理

1、模态分析方法及其应用

模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别（系统识别），从而大大地简化了系统的数学运算。

通过实验测得实际响应来寻求相应的模型或调整预想的模型参数，使其成为实际结构的最佳描述。

主要应用有：

用于振动测量和结构动力学分析。

可测得比较精确的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。

可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算机模型更趋于完善和合理。

用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。

用来进行响应计算和载荷识别。

2、模态分析基本原理

工程实际中的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分析的性质，只有掌握无限多个点在每瞬间时的运动情况，才能全面描述系统的振动。

因此，理论上它们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。

但实际上不可能这样做，通常采用简化的方法，归结为有限个自由度的模型来进行分析，即将系统抽象为由一些集中质量块和弹性元件组成的模型。

如果简化的系统模型中有n个集中质量，一般它便是一个n自由度的系统，需要n个独立坐标来描述它们的运动，系统的运动方程是n个二阶互相耦合（联立）的常微分方程。

模态分析是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”，是一种参数识别的方法。

模态分析的实质，是一种坐标转换。

其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述。

这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。

也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，分别描述振动系统的各阶振动形式，每个坐标均可单独求解，得到系统的某阶结构参数。

经离散化处理后，一个结构的动态特性可由N阶矩阵微分方程描述：

（1）

式中f（t）为N维激振向量；x，

，

分别为N维位移、速度和加速度响应向量；M、K、C分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称N阶矩阵。

设系统的初始状态为零，对方程式

（1）两边进行拉普拉斯变换，可以得到以复数s为变量的矩阵代数方程

（2）

式中的矩阵

（3）

反映了系统动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。

其逆矩阵

（4）

称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。

由式

（2）可知

（5）

在上式中令s=jω，即可得到系统在频域中输出（响应向量*）和输入*的关系式

（6）

式中H（ω）为频率响应函数矩阵。

H（ω）矩阵中第i行第j列的元素

（7）

等于仅在j坐标激振（其余坐标激振为零）时，i坐标响应与激振力之比。

在（3）式中令可得阻抗矩阵

（8）

利用实际对称矩阵的加权正交性，有

其中矩阵称为振型矩阵，假设阻尼矩阵C也满足振型正交性关系

代入（8）式得到

（8）

式中

因此

（10）

上式中，

，分别为第r阶模态质量和模态刚度（又称为广义质量和广义刚度）。

分别为第r阶模态频率、模态阻尼比和模态振型。

不难发现，N自由度系统的频率响应，等于N个单自由度系统频率响应的线形叠加。

为了确定全部模态参数，实际上只需测量频率响应矩阵的一列（对应一点激振，各点测量的或一行（对应依次各点激振，一点测量的））就够了。

试验模态分析或模态参数识别的任务就是由一定频段内的实测频率响应函数数据，确定系统的模态参数——模态频率

、模态阻尼比

和振型

（n为系统在测试频段内的模态数）。

3、模态分析方法和测试过程

（1）激励方法

为进行模态分析，首先要测得激振力及相应的响应信号，进行传递函数分析。

传递函数分析实质上就是机械导纳，i和j两点之间的传递函数表示在j点作用单位力时，在i点所引起的响应。

要得到i和j点之间的传递导纳，只要在j点加一个频率为

的正弦的力信号激振，而在i点测量其引起的响应，就可得到计算传递函数曲线上的一个点。

如果

是连续变化的，分别测得其相应的响应，就可以得到传递函数曲线。

然后建立结构模型，采用适当的方法进行模态拟合，得到各阶模态参数和相应的模态振型动画，形象地描述出系统的振动型态。

根据模态分析的原理，我们要测得传递函数模态矩阵中的任一行或任一列，由此可采用不同的测试方法。

要得到矩阵中的任一行，要求采用各点轮流激励，一点响应的方法；要得到矩阵中任一列，采用一点激励，多点测量响应的方法。

实际应用时，单击拾振法，常用锤击法激振，用于结构较为轻小，阻尼不大的情况。

对于笨重、大型及阻尼较大的系统，则常用固定点激振的方法，用激振器激励，以提供足够的能量。

还有一点是单点拾振法，当结构常因过于巨大和笨重，以至于采用单点激振时不能提供足够的能量，把我们感兴趣的模态激励出来。

或者是在结构同一频率时可能有多个模态，这样单点激振就不能把它们分离出来，这时就需要采用多点激振的方法，采用两个甚至更多的激励来激发结构的振动。

（1）结构安装方式

在测试中使结构系统处于什么状态，是试验准备工作的一个重要方面。

一种经常采用的状态是自由状态。

即使试验对象在任一坐标上都不与地面相连接，自由地悬浮在空中。

如放在很软的泡沫塑料上；或用很长的柔索将结构吊起而在水平方向激振，可认为在水平方向处于自由状态。

另一种是地面支承状态，结构上有一点或若干点与地面固结。

如果在我们所关心的是实际情况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行试验。

但最好还是自由支承为佳。

因为自由状态具有更多的自由度。

四、实验步骤

有一根梁如图12-2所示，长（x向）500mm，宽（y向）50mm，欲使用多点敲击、单点响应方法做其z方向的振动模态，可按以下步骤进行。

图12-2梁的结构示意图和测点分布示意图

（1）测点的确定

此梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在

x方向顺序布置若干敲击点即可（本例采用多点敲击、单点响应方法），敲击点的数目视要得到的模态的阶数而定，敲击点数目要多于所要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。

此例中x方向把梁分成十六等份，即可布十七个测点。

选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，此处取拾振点在六号点处。

（2）仪器连接

仪器连接如图12-3所示，其中力锤上的力传感器接动态采集分析仪的第一通道（即振动测量通道），压电加速度传感器接第二通道（振动测试通道）。

图12-3仪器连接及传感器分布示意图

（3）打开仪器电源，启动DHDAS2003控制分析软件，选择分析/频响函数分析功能。

在新建的四个窗口内，分别显示频响函数数据、1-1通道的时间波形、相干函数和1-2通道的时间波形。

（4）参数设置

打开动态采集分析仪电源，启动DHDAS2003软件，选择分析/频响函数分析，打开新窗口，点击右键，信号选择/选择频响函数。

分析参数设置

●采样率：

1.28KHz（分析频率取整）

●采样方式：

瞬态

●触发方式：

信号触发

●延迟点数：

-200

●平均方式：

线性平均

●平均次数：

4

●时域点数:

1024或2048

●预览平均：

√

系统参数设置

●参考通道：

1-1

●工程单位和灵敏度：

将两个传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。

传感器灵敏度为KCH（PC/EU）表示每个工程单位输出多少PC的电荷，如是力，而且参数表中工程单位设为牛顿N，则此处为PC/N；如是加速度，而且参数表中工程单位设为m/s2，则此处为PC/m/s2

●量程范围：

调整量程范围，使实验数据达到较好的信噪比。

调整原则：

不要使仪器过载，也不要使得信号过小。

●模态参数：

编写测点号和方向。

采用单点拾振法时，如果测量1号点的频响函数数据，在1-1通道（力锤信号）的模态信息/节点栏内输入1，测量方向输入+Z；响应通道（加速度传感器信号）内输入传感器放置的测点号，方向为+Z。

注意：

●移动敲击时，当力锤移动到其他点进行敲击测量时，就必须相应的修改力锤通道的模态信息/节点栏内的测点编号。

每次移动力锤后都要新建文件。

●用力锤敲击各个测点，观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器是否连接正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至波形正确为止。

使用适当的敲击力敲击各测点，调节量程范围，直到力的波形和响应的波形既不过载也不过小。

●预览平均方式打开后，软件在每次敲击采集数据后，提示是否保存该次试验数据。

需要学生判断敲击信号和响应信号的质量，判断原则为：

力锤信号无连击，信号无过载。

（5）数据预处理

●调节采样数据

采样完成后，对采样数据重新检查并再次回放计算频响函数数据。

一通道的力信号加力窗，在力窗窗宽调整合适。

对响应信号加指数窗。

●设置完成后，回放数据重新计算频响函数数据。

（6）模态分析

●几何建模：

自动创建矩形模型，输入模型的长宽参数以及分段数；打开节点坐标栏，编写测点号；

●导入频响函数数据：

从上述实验得到数据文件内，将每个测点的频响函数数据读入模态软件，注意选择测量类型：

单点拾振测量方式

●参数识别：

首先光标选择一个频段的数据，点击参数识别按钮，搜索峰值，计算频率阻尼及留数（振型）。

（7）振型编辑

模态分析完毕以后可以观察、打印和保存分析结果，也可以观察模态振型的动画显示。

图12-4前四阶振型

（8）动画显示

打开振型表文件和几何模型窗口，在振型表文件窗口内，按数据匹配命令，将模态参数数据分配给几何模型的测点。

进入到几何模型窗口，点击动画显示按钮，几何模型将相应模态频率的振型以动画显示出来。

在振型表文件内鼠标选择不同的模态频率，几何模型上就相应的将其对应的振型显示出来，如图12-4为简支梁的前四阶振型的彩色动画显示。

在几何模型窗口内，使用相应按钮可以动画进行控制，如更换在视图选择中选取显示方式：

单视图、多模态和三视图；改变显示色彩方式；振幅、速度和大小，以及几何位置。

五、实验结果和分析

1、记录模态参数

模态参数

第一阶

第二阶

第三阶

第四阶

第五阶

频率

阻尼

2、打印出各阶模态振型图

线性扫频法简支梁模态测试

一、实验目的

1、学习线性扫频法实验模态分析原理；

2、学习线性扫频法模态测试及分析方法。

二、实验仪器安装示意图

图13-1实验装置框图

三、实验原理

本实验对简支梁进行实验模态分析使用的是测力法模块，与锤击法简支梁模态测试基本一致，区别如下：

1、锤击法简支梁模态测试方法中，在测试输入、输出信号（激励、响应信号）的频响关系（频响函数）时，激励力由力锤提供（压电式力传感器接收信号）；而线性扫频法简支梁模态实验中，激励信号为力传感器拾取的扫频信号源DH1301（内置小功率功放）控制激振器激励出来的激励信号。

2、锤击法简支梁模态测试可以选用单点拾振法（跑激励）,也可以选用单点激励法（跑响应），而线性扫频法简支梁模态实验由于移动激励比较困难，工作量大，所以一般情况下多采用单点激励法。

总的来说，线性扫频法简支梁模态测试方法和锤击法简支梁模态测试方法在原理上是基本相同的。

四、实验步骤

有一根梁如图12-2所示，长（x向）555mm，宽（y向）50mm，欲采用线性扫频方法做其z方向的振动模态，可按以下步骤进行。

（1）测点的确定

此梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在x方向顺序布置若干测点即可，测点的数目视要得到的模态的阶数而定，测点数目要多于所要测量振型的阶数，得出的高阶振型结果才真实可靠。

同时注意要把激振位置作为简支梁模态测试中的一个测点（测得原点频响）。

此例中在x方向把梁分成十六等份，布置十五个测点（梁的两个端点不作为测点）。

（2）连接仪器

固定好JZ-1型接触式激振器，并与DH1301连接好。

力传感器信号接入数采分析仪的第一通道，压电式加速度传感器信号接入第二通道。

（3）数据采集及参数设置

打开仪器电源，启动DHDAS2003控制分析软件，菜单选择分析/频响分析。

在新建的四个窗口内，分别显示频响函数数据、1-1通道的时间波形、相干函数和1-2通道的时间波形，平衡清零之后，等待采样。

打开DH1301扫频信号发生器，调节类型为“线性扫频”（具体的DH1301的面板操作方法请用户参考DH1301硬件说明书），设置起频为10，止频为500，扫速为1，按“确定”，然后按下“开始”，调节扫频电压，即可开始线性扫频。

点击DHDAS2003软件中的采样按钮，开始采样。

注意观察频响函数的变化。

系统参数设置

●采样频率：

1.28KHz（分析频率取整，且采样频率的选取视用户希望通过扫频实验得到简支梁的频率阶数而定。

实验装置配套的简支梁选取1.28KHz（通过实验或有限元分析大致确定）的采样频率即可扫出简支梁的前四阶频率；如过希望得到较高阶的频率，则采样频率应选得较高，如5.12KHz）；

●采样方式：

连续

●触发方式：

自由采集

●平均方式：

峰值保持

●时域点数：

视用户所选取的采样频率而灵活调整，一般那情况下，保证频率分辨率的值小于1.25即可。

如选取1.28KHz的采样频率，建议选取1024或2048；如选取5.12KHz的采样频率，建议选取4096或者8192

通道参数设置

●参考通道：

1-1。

●工程单位和灵敏度：

参考实验十二。

●量程范围：

参考实验十二的量程范围选定原则，另外根据试验者所期望达到的扫频范围灵活地加以调整。

●模态参数：

编写测点号和方向。

如果测量1号点的频响函数数据，在1-1通道（力信号）的模态信息/节点栏内输入激振器的测点号（测点号固定），测量方向输入+Z；响应通道（加速度信号）的模态信息/节点栏内输入1，方向为+Z；如果测量2号点的频响函数数据，在1-1通道（力信号）的模态信息/节点栏内输入激振器的测点号（测点号固定），测量方向输入+Z；响应通道（加速度传感器信号）的模态信息/节点栏内输入2；如果测量其它点的频响函数数据，依此类推。

●触发参数：

不用设置。

注意：

●移动加速度传感器测量响应信号时，当加速度传感器移动到其他点进行测量时，就必须相应的修改加速度传感器通道的模态信息/节点栏内的测点编号。

每次移动加速度传感器后都要新建文件。

●测试时观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器是否连接正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至波形正确为止。

根据DH1301输出电压的大小灵活调节量程范围，在正式测试之前可进行预采样大致观察一下信号的大小，直到力的波形和响应的波形既不过载也不过小。

（4）数据预处理

●调节采样数据

采样完成后，对采样数据重新检查，更改错误设置，回放重新计算频响函数数据。

（5）模态分析

●几何建模：

自动创建矩形模型，输入模型的长宽参数以及分段数；打开节点坐标栏，编写测点号；

●导入频响函数数据：

从上述实验得到数据文件内，将每个测点的频响函数数据读入模态软件，注意选择测量类型：

单点激励法；

●参数识别：

首先光标选择一个频段的数据，点击参数识别按钮，搜索峰值，计算频率阻尼及留数（振型）。

（6）振型编辑

同实验十二。

（7）动画显示

同实验十二。

五、实验结果和分析

1、记录模态参数

模态参数

第一阶

第二阶

第三阶

第四阶

第五阶

频率

阻尼

2、打印出各阶模态振型图

随机激励法简支梁模态测试

一、实验目的

1、学习随机激励法实验模态分析原理；

2、学习随机激励法模态测试及分析方法。

二、实验仪器安装示意图

图14-1实验装置框图

三、实验原理

本实验对简支梁进行实验模态分析采用的模态分析方法为测力法模块，与锤击法简支梁模态测试基本一致，区别如下：

1、锤击法简支梁模态测试方法中，在测试输入、输出信号（激励、响应信号）的频响关系（频响函数）时，激励力由力锤提供（压电式力传感器接收信号）；而随机激励法简支梁模态实验中，激励信号为DH1301控制激振器产生的随机激励信号（同为压电式力传感器接收信号）。

2、锤击法简支梁模态测试可以选用单点拾振法（跑激励）,也可以选用单点激励法（跑响应）；而随机激励法简支梁模态实验由于移动激励比较困难，工作量大，所以一般情况下多采用单点激励法。

总的来说，随机激励法简支梁模态测试方法和锤击法简支梁模态测试方法在原理上是基本相同的。

四、实验步骤

有一根梁如图12-2所示，长（x向）555mm，宽（y向）50mm，欲使用多点敲击、单点响应方法做其z方向的振动模态，可按以下步骤进行。

（1）测点的确定

此梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在x方向顺序布置若干测点即可，测点的数目视要得到的模态的阶数而定，测点数目要多于所要测量振型的阶数，得出的高阶振型结果才真实可靠。

同时注意要把激振位置作为简支梁模态测试中的一个测点（测得原点频响）。

此例中在x方向把梁分成十六等份，布置十五个测点（梁的两个端点不作为测点）。

（2）连接仪器

固定好JZ-1型接触式激振器，并与DH1301连接好。

力传感器信号接入数采分析仪的第一通道，压电式加速度传感器信号接入第二通道。

（3）数据采集及参数设置

打开仪器电源，启动DHDAS2003控制分析软件，菜单选择分析/频响函数分析功能。

在新建的四个窗口内，分别显示频响函数数据、1-1通道的时间波形、相干函数和1-2通道的时间波形，平衡清零之后，等待采样。

打开DH1301扫频信号发生器，调节类型为“随机”（具体的DH1301的面板操作方法请用户参考DH1301硬件使用说明书），按“确定”，然后按下“开始”，即可开始输出随机信号。

点击DHDAS2003软件中的采样按钮，开始采样。

注意观察频响函数的变化。

系统参数设置

●采样频率：

1KHz

●采样方式：

连续

●触发方式：

自由采集

●平均方式：

线性平均

●平均次数：

建议较高，一般要求100次以上。

●时域点数：

视用户所选取的采样频率而灵活调整，一般情况下，保证频率分辨率的值小于1.25即可。

如选取1KHz的采样频率，建议选取1024或2048

通道参数设置

●参考通道：

1-1。

●工程单位和灵敏度：

参考实验十二。

●量程范围：

根据用户所设置的随机信号的输出电压而灵活调整。

●模态参数：

编写测点号和方向。

如果测量1号点的频响函数数据，在1-1通道（随机信号）的模态信息/节点栏内输入激振器的测点号（激振器的测点号固定），测量方向输入+Z，响应通道（加速度传感器信号）的模态信息/节点栏内输入1，方向为+Z；如果测量2号点的频响函数数据，在1-1通道（随机信号）的模态信息/节点栏内输入激振器的测点号，测量方向输入+Z；响应通道（加速度传感器信号）的模态信息/节点栏内输入2，方向为+Z；如果测量其它点的频响函数数据，依此类推。

●触发参数：

不用设置。

注意：

●移动加速度传感器测量响应信号时，当加速度传感器移动到其它测点进行测量时，就必须相应的修改加速度传感器通道的模态信息/节点栏内的测点编号。

每次移动加速度传感器后都要新建文件。

●测试时观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器是否连接正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至波形正确为止。

根据DH1301输出电压的大小灵活调节量程范围，在正式测试之前可进行预采样大致观察一下信号的大小，直到力的波形和响应的波形既不过载也不过小。

（4）数据预处理

●调节采样数据

采样完成后，对采样数据重新检查，更改错误设置，回放重新计算频响函数数据。

（5）模态分析

●几何建模：

自动创建矩形模型，输入模型的长宽参数以及分段数；打开节点坐标栏，编写测点号；

●导入频响函数数据：

从上述实验得到数据文件内，将每个测点的频响函数数据读入模态软件，注意选择测量类型：

单点激励法；

●参数识别：

首先光标选择一个频段的数据，点击参数识别按钮，搜索峰值，计算频率阻尼及留数（振型）。

（6）振型编辑

同实验十二。

（7）动画显示

同实验十二。

五、实验结果和分析

1、记录模态参数

模态参数

第一阶

第二阶

第三阶

第四阶

第五阶

频率

阻尼

2、打印出各阶模态振型图

悬臂梁模态测试

一、实验目的

1、熟悉模态分析原理和测试方法；

2、学习悬臂梁的测试过程。

二、实验仪器安装示意图

图16-1实验装置框图

三、实验原理

参考简支梁模态试验原理

四、实验步骤

与简支梁模态试验相同。

五、实验结果和分析

1、记录模态参数

模态参数

第一阶

第二阶

第三阶

第四阶

第五阶

频率

阻尼

2、打印出各阶模态振型图

图16-2为悬臂梁的前三阶振型图。

图16-2悬臂梁前三阶振型图