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1、实验模态分析初步1.结构动特性的建模方法理论建模：动力学仿真分析 耦合的力平衡方程 通过有限元离散模型，采用模态分析理论、特征值求解技术和矩阵变换技术获得结构的动力学特性：频率、阻尼和振型；建立结构完整模态模型（一组解耦的方程组）、系统的传递特性（传递函数或频响函数），进一步建立结构的频域响应计算模型和时域响应计算模型。通过网格调整和模型的缩减技术，可以建立与实测模型具有比对意义的分析模型。用于进行实验研究的指导和分析模型的修改。对实验研究的指导作用主要表现在：确定传感器和激励设备的配置方案、传感器类型、频响、灵敏度、线性范围、温度特性等的要求。1.结构动特性的建模方法实验建模：实验模态分析方
2、法1 采用实验建模的原因（1）实际结构太复杂，难以采用理论简化和进行精确的动力学仿真分析 组成部件多，连接关系复杂，甚至有刚体、柔性体及机构耦合；包含间隙、摩擦等非线性；包含大位移和大变形等几何非线性；结构强度、构形、边界条件和受力条件时变；受复杂风载、运动载荷、热环境条件等共同作用；如发电机组、大桥（2）动力学仿真分析的结果需要得到实验验证；原型试验（Prototype Experiment）全尺寸模型试验(Full Scale Model Experiment)缩尺动力学相似模型试验(Scale Model Experiment)部件试验(Component Experiment)1.结构
3、动特性的建模方法实验建模：实验模态分析方法2 实验建模分类实验建模：通过系统的输入信号和输出响应之一或全部来确定系统动特性模型的方法。因此又可称为辨识过程。辨识的方法可分为：系统辨识：模型的形式、阶次、参数均未知；参数辨识：模型的形式已知，阶次和参数待定；或仅参数待定；3 有限元仿真与实验建模对比网格规模问题有限元模型的自由度任意性很大，适当的自由度数取决于：分析频带。确定了分析的模态阶数。理论上只需要一个传感器即可获得结构的全部频率，但用于与之对比的有限元网格的规模肯定要大于一。有限元网格能够描述分析频带内的全部模态振型 2.基本概念2.基本概念2.基本概念什么是实验模态分析（EMA）通过实
4、验的方法（获取频率响应FRF），然后模态估计和识别方法，得到系统的模态参数。动力学仿真分析（FEM）根据结构的几何形状、边界条件和材料特性，进行建模，获取M、C、K，然后计算模态参数。2.基本概念模态分析理论的基本假设2.基本概念模态分析理论的基本假设 线性假设 时不变假设 可观测性假设系统满足：线性叠加性superposition 一致性homogenety 互易性reciprocity2.基本概念2.基本概念2.基本概念 模态试验的过程(1)频响函数的测量(2)曲线拟合(3)模态参数计算(4)结果输出、动画显示(5)结果验证 3.频响函数的测量1 测试系统及设备频响函数是结构系统的固有特性
5、，但它可以通过作用于系统的激励和对应的响应来描述 3.频响函数的测量 3.频响函数的测量 1 测试系统及设备 试验结构 激励系统 测量系统 分析系统 输出和记录系统 3.频响函数的测量 1.1 试验结构（Structure under Test）线性条件下，被测试的结构的动特性是结构固有的。而我们要测试的FRFs只是结构固有特性的一个近似模型。结构可以用不同的数学模型描述，至少可表现为测试方案的不同选取：（1）激励点的位置、激励方式和个数不同；（2）测量点的分布和个数。测试方案不同，对结构特性的描述模型（自由度数、参数等）也不同，但这些模型均是对结构特征值的近似表示。关键在于解决实验模型和结构
6、实际特性之间的近似程度问题。3.频响函数的测量 1.2 激励系统（Excitation System）(1)稳态激励（Stationary Excitation）：信号发生器（Source Function Generator）、功放(Power Amplifier)、激振器(Shaker、Actuator)信号发生器：正弦（Sinusoidal）、随机（Random）、瞬态（Transient）激振器：无台面、小推力。有台面的激振器通常称为振动台。3.频响函数的测量 压电陶瓷（Piezo-Ceramic）激振器：小型、高频（通常可高达60kHz-180kHz）、推力(Force)小、行程（Stroke）小，位移和波形(waveform)控制精确（微米级）；电动式（Electrical）：频带宽(0-5.5kHz)、能量较大，推力可达吨级，行程一般可达1至2英寸、位移和波形控制较精确（标准台失真(distortion)可控制在10%以下），但特大推力困难，出于技术垄断和军事目的20吨以上推力振动台美国限制对华出口；电液伺服式（Hydro-Electric Servo）：频带窄（0-500 Hz）、能量大、推力大、行程大；机械式（Mechanical）：频带窄（10-100Hz）、行程一般数毫米、噪音大、位移和波形控制不精确；