模态分析的应用及它的试验模态分析--mjhzhjg

szdlliuzm

这是mjhzhjg 写的关于模态分析的日志，读了后受益很多，特别在振动实验与测试技术论坛这里向大家推荐，我感觉到模态分析方面的知识变成了振动试验人员需要掌握的知识，希望大家自己谈谈自己的感想，请mjhzhjg 、欧阳教授等专家、高手关心指导。

模态分析的应用及它的试验模态分析
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别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，则称为计算模记分析；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。
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。
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导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，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，在已知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。

    近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：
   
（1）动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析
1）激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。
2）数据采集。SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。
3）时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。（2）建立结构数学模型   根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依据。目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。

（3）参数识别   
按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型，激励方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相应的参数识别方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。 对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，即使用较简单的识别方法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，则识别的结果一定不会理想。
   
（4）振型动画   
参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振型。由于结构复杂，由许多自由度组成的振型也相当复杂，必须采用动画的方法，将放大了的振型叠加到原始的几何形状上。
   
以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程。而支持这个过程的除了激振拾振装置、双通道FFT分析仪、台式或便携式计算机等硬件外，还要有一个完善的模态分析软件包。通用的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何物征，设置多种坐标系，划分多个子结构，具有多种拟合方法，并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画显示。
附：
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。
附：
模态分析的发展
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发展。由于电子技术、信号处理技术与设备的发展，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、故障诊断等问题的重要工具。目前这一技术已渐趋成熟。在我国，由于"文化大革命"的影响，对这一技术的研究起步比国外落后了整整十年。70年代中期在我国只有极少数学者在这方面进行一些探索。到70年代后期，模态分析（当时称机械阻抗）这一概念才逐步被我国科技界所了解。"文革"结束后，在这一领域中的研究如雨后春笋般地展开。经过二十余年的奋起直追，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。在这二十余年的发展中，模态分析与试验学会所组织的全国性的学术交流活动起着重要作用。第一届学术交流会（当时称机械阻抗与参数识别）是1978年在西安召开的，虽然参加的人数较少，但这是一次介绍新技术的学习会议，它对促进我国模态分析的发展起着重要作用。此后1980、1982、1985、1988、1991、1995、1998、1999、2002年分别在长沙、郑州、上海、大庸、武夷山、山东、山西、广东、北京召开了第二、三、四、五、六、七、八、九、十届全国模态分析与试验学术交流会。这几次会议对模态分析的研究工作起着重要作用。1985年第四届全国会议上成立了中国模态分析与试验研究会，这一全国性学术组织的成立大大促进了模态分析技术在我国的发展，并对中国振动工程学会的成立起到促进作用。1986年中国振动工程学会正式成立后，模态分析与试验研究会并入中国振动工程学会作为它的一个下属专业分会，并正式改名为中国振动工程学会模态分析与试验专业委员会。2002年4月经民主选举，产生了第四届专业委员会及常务委员会，在新形势下组织、指导有关学术研究工作。同年12月在北京召开了第十届学术会议，与会代表宣读的论文大部分涉及模态分析理论在工程中的应用，鉴于我国国民经济新形势与新发展，会议决定加强模态分析技术在工程中的应用将是今后、特别是近期内主要方向。
　　
尽管我国在模态分析领域里的研究工作起步较晚，但二十余年来的发展还是十分迅速。在理论与方法的研究上我国目前已接近国际先进水平，从历届国际模态分析会议（IMAC）上所发表的论文数量来看，我国已进入"大国"的行列，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安全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安全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，提高了桩基的质量，确保高层建筑的安全；……等等，这些成就不胜枚举。总之，二十余年的发展是迅速的，成就是显著的，回顾这一发展过程和取得的成就，可更激励我们朝着新的目标奋发前进。
　　模态分析技术发展到今天已趋成熟，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办法，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发展趋势是由线性向非线性问题方向发展。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，非线性模态分析的发展受到限制。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。
附：关于模态试验的一些问题
1.模态试验时如何选择最佳悬挂点？？
模态试验时，一般希望将悬挂点选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点。
2.模态试验时如何选择最佳激励点？
最佳激励点视待测试的振型而定，若单阶，则应选择最大振幅点，若多阶，则激励点处各阶的振幅都不小于某一值。如果是需要许多能量才能激励的结构，可以考虑多选择几个激励点。
3.模态试验时如何选择最佳测试点？
模态试验时测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点。在最佳测试点位置其ADDOF(Average Driving DOF Displacement)值应该较大，一般可用EI(Effective Independance)法确定最佳测试点。
4. 模态参数有那些？
模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。
5. 什么是主模态、主空间、主坐标？
无阻尼系统的各阶模态称为主模态，各阶模态向量所张成的空间称为主空间，其相应的模态坐标称为主坐标。
6. 什么是模态截断？
理想的情况下我们希望得到一个结构的完整的模态集，实际应用中这即不可能也不必要。实际上并非所有的模态对响应的贡献都是相同的。对低频响应来说，高阶模态的影响较小。对实际结构而言，我们感兴趣的往往是它的前几阶或十几阶模态，更高的模态常常被舍弃。这样尽管会造成一点误差，但频响函数的矩阵阶数会大大减小，使工作量大为减小。这种处理方法称为模态截断。
什么是阶？
一个弹性体，在一定的约束下，会以某（些）个方式振动。譬如一个弹簧，可能伸缩振动，也可能弯曲振动。每一个振动方式，都有一个对应的振动频率，即固有频率。模态分析，就是用有限元的方法，在某个范围内（譬如3000Hz以下），找出这些振动方式及其对应的频率。把这些振动方式按其频率的大小排排队，最小的那个，就叫1阶，第二小的那个，就叫2阶，以此类推。当外界激励会激起弹性体的某个振动方式，而这个外界激励的频率又恰好等于那个振动方式所对应的固有频率时，就会发生共振。

载荷改变固有频率？
对于载荷是否会改变固有频率，我理解是，如果原来结构的质量分布和刚度由于载荷所引起的改变可以忽略不计的话，那么这个载荷就不会改变该结构的固有频率。对于一般弹性体，在小变形的情况下，这是成立的。载荷改变固有频率的一个例子是琴弦。这是因为外加的拉力增加了琴弦的刚度。  
为什么书上说是为了在后处理中显示振型，可不扩展也能显示呀，而且扩展后的模态频率与不扩展的都不一样？
扩展模态是为了显示初次计算出的固有频率以外的频率对应的信息，所以如果你关系的不只是固有频率处的点的话，这个扩展就很有必要了。
这个扩展前和扩展后的不同就像我们数值分析中的插值和拟合。你现在如果有一堆数据，然后拟合个多项式，然后你再用此多项式来反求你原来数据对应的点，就会发现原来的数据点的值和现在不同了，但是差别不是很大，原因当然是拟合以后的曲线变光滑了，但产生了误差。而插值则在原来的数据点上对应值不变化！
7. 什么是实模态和复模态？
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，这样模态系数就是复数，即形成复模态。

[ 本帖最后由 mjhzhjg 于 2007-8-19 23:07 编辑 ]

szdlliuzm

振动是机械运动的一种形式，振动的运动学和动力学公式都要满足机械运动的一般规律。
      在普通物理学中，大家学习了简谐振动，共振频率。在普通物理学、材料力学或理论力学中，首先物体是假设为刚体的，是质量集中体。因此把物体的一阶共振频率称为固有频率了。固有频率与谐波频率相比有明显的差别。把固有频率当作物体所有部分的共振频率了，各个部分的振动幅值都相等。
      随着系统（物体）的结构日益复杂，这时不能再把复杂系统简化成一个刚性体，和质量集中体。而把一个系统用一个分布质量体来描述，每个分布质量体就有相应的质量和刚度，那么每个分布的质量体就有对应的共振频率了。每个分布体的质量和刚度并不相同，因此系统的每个部分（质量分布体）的共振频率就不会相同了。这样系统就不会象刚性体那样有特征明显的共振频率了，系统各部分的机械运动参数也就不一定相同了。
      因此我认为，模态是机械运动（如共振）在系统中各个部分的分布规律。模态的物理意义与电磁场的意义相似了。

szdlliuzm

进入了振动论坛，经常可以看模态分析这个词语，什么是模态分析了，在其他论坛中有很多网友也多讨论过，感觉就是只能意会不能言传。我也一直在思考什么是模态分析呢？
      我认为做为名工程技术员应该掌握模态分析的物理含义，或工程意义吧，这样才能利用模态分析的方法来指导我们的工程实践。
      在我们的脑海里是股什么样力量在阻碍对模态分析的理解和接受呢？
      一般大家提到振动，就会想到共振频率，这时大家思维中自然就把物体的共振频率当做这个物体整个的共振频率了。对工科学生来说，从高中到大学，大家所学的物理课程中，一般都是把物体简化成刚体，慢慢形成了一种思维上的定势了。而在工作中，我们一般也是把物体当体刚性集中质量体来处理，或者说当作一个整体来看待的，如一台机器、一辆汽车、一台电脑、一个电机、一座桥、一幢大楼等。因此在潜意思中会认为物体各部分是结构强度一致，质量均匀分布，各个部分的运动参数一致，可以用局部的测量参数来当作事个物体的运动参数了。就如同各态历经平稳随机振动的处理方法了。
      而实际上，我们使用的机器、坐的汽车等产品都是个复合体，是由很多质量与结构强度的不相同的各个物体组合在一起的。组合的方式就是通过各种机械的连接方式如螺丝、胶粘、焊接、过盈配合、联轴器、离合器等方式连接在一起的。在静力作用下复合体表现出来的力学性能和刚体一样。但是在动态作用力下，复合体各个部分的运动参数就各不相了。也就是我们不能把局部的测量参数来当作事个物体的运动参数了。
      因此，对于复合体我们不能只是了解它的整体运动参数，更需要了解复合体各个部分的运动参数了。在电学中有电磁场的理论，那么在机械中作为对应的，模态分析我认为是机械运动场的理论分析了。

[ 本帖最后由 szdlliuzm 于 2007-3-15 16:03 编辑 ]

jason0528

szdlliuzm 请问，我测得了频率响应函数如何才能得到振型，刚接触这东西，能不能帮我说的详细点，谢谢！

yelv123

模态分析的资料和相应的参考书不少了，szdlliuzm主任只是把自己的见解写出来了，让我们有一个认识，其实真正需要深入的话，还需要自己看资料和书本，详细了解里面的的内容。

redidle

模态确实是有点只可意会不可言传的样子，当别人问我什么是模态，我一般都说模态分析得到的是物体的固有属性，就像密度和质量一样；当别人进一步问模态分析有什么用，我回答主要看频率值和振型，频率值意味着外界激励接近时物体会共振，整型显示的最大地方是可能出现问题的地方；如果再进一步问，我就不知道怎么回答了，事实上我也确实是不太理解模态的概念。

dfjjfd

楼主对摸态的认识太深刻了，我看了收益非浅啊！谢谢:lol

zhurq

提炼精准！
我又加深了认识。
谢谢！

蛊毒剑

我一般用软件来模拟 工件的模态
主要就是看一下在各个频率峰值下的工件变化情况.

mooncity

楼主推荐几本模态理论学习比较好的书籍吧

happyman

从我个人体会来看，模态分析在理论上不是很简单，如果以前没有接触过，自己通过看书掌握模态分析的理论不是一件很容易的事情，所以我的建议是目前尚在学校的同学要抓住机会尽可能去听听课，初步入门后以后自己再提高比较容易一些。
另一方面，如果对模态分析的理论不是太清楚的话，也很难用一些工具（如LMS）进行模态分析，即使能用这些工具顺利进行一些模态测试但其结果未必可靠，往往出了问题还不知问题在什么地方。
应该说，模态分析基本理论最重要，没有这个理论基础那么模态分析就无从谈起，其次是经验的积累和工具的应用。
个人观点，理论方面的书籍，上海较大傅志方老师的那本模态分析书比较好，这本书在国内很容易找到，而且这本书傅老师在英国也出本了英文版。实验方面，模态大师Ewins的那本模态分析理论、实践与应用很不错，国内大多高校的图书馆都有这本书。

rogen

还有一本曹树谦的书也挺好的，值得一看！

szdlliuzm

振动结构模态分析 –曹树谦
天津大学力学系开展振动结构模态分析(以下简称模态分析)的研究和教学工作已有20多年了。期间为一般力学、结构工程、机械电子工程、水利工程、船舶工程、内燃机、汽车、核物理等专业的研究生和高年级本科生开设了模态分析课程。特别是自20世纪80年代初，天津大学力学系对模态分析的研究和应用有了很大的发展，完成了多项科研项目，提出了适于大型结构的、简单实用的分区模态综合法和随机冲击激励技术。
早在1987年，萧龙翔教授就已编写了《振动结构模态分析基础》一书。此书在历届学生的使用中收到了良好效果。在该书的基础上，我们总结了近二十年的工作经验，纳入了最近的研究内容，并吸收了国内外同行的大量研究成果，重新编写了这部著作。
    20世纪70年代到80年代中期，是模态分析理论及技术实现成熟的阶段，并逐步在各个工程领域内应用。此时航空航天、机械、化工、交通、结构、水工、船舶、内燃机等涉及振动工程的领域都有模态分析的应用，模态分析已从研究机构走向各个工程设计单位。作为一种有效、可靠的测试手段，模态分析已成为结构设计中一项常规的辅助方法。在各高等工科院校也相继开设了模态分析课程。该课程并逐步由一门力学专业课转变成一门相关学科的专业巨大成就课。它不仅作为研究生的专业技术课，也是高年级本科生的专业选修课。
    80年代中期到90年代，是模态分析应用的黄金时期。在结构动力修改、结构优化设计、故障诊断、状态监测、声学分析等诸多领域内，模态分析由单一、直接应用发展到与多种方法的综合应用，特别是国境线实验模态分析（EMA）和有限元法（FEM）两种基本方法，在众多领域开展了大量的工程应用研究工作，提出了繁多的综合研究方法，使结构动态设计日趋成熟。
有关模态分析的著作并不多见，作为高等院校相关专业的教材更是凤毛鳞角。鉴于此，本书并不完全以专著形式编写，而兼顾教材的特点，以模态分析的基本理论、基本方法为主线，兼论模态分析的最新动态。在编写中力求做到前后统一，包括符号的使用和内容的联系待方面。在所有方法的推导力求严谨、准确、完整，并尽量用矩阵运算，以期简明。在每章后面附有思考题，以求帮助学生基因所学的内容。本书最后附有实验指导书，便于实验教学。
本书只限于论述线性模态分析。近几年来，以现代非线性动力学理论为基础的非线性模态分析悄然兴起，并成为非线性振动研究中的热点之一。其原因是工程研究中存在着大量的非线性问题。以传统的线性模态分析无法得到准确的结果，迫切需要提出新的理论和方法加以解决。由于非线性模态分析理论尚不成熟，应用更有困难，故未列入本书。
本书共分为六章。第一章为模态分析理论基础，论述线性模态分析的基础理论；第二章为时间历程的测量，论述有关实验模态分析的时域振动信号测试技术；第三章为动态测试后处理，论述非参数模型识别的基本处理方法；第四章为模态参数识别的频域方法，介绍常用的单模态识别法、多模态识别法及分区模态综合法和频域整体识别法；第五章为模态参数识别的时域方法，介绍常用的局部识别法和整体识别法，包括单入单出（SISO）、单入多出（SIMO）、和多入多出（MIMO）识别法；第六章为模态分析在工程中的应用，介绍模态分析在结构性能评价、结构动态设计、故障诊断、状态监测及声控分析等方面的应用方法及工程实例，特别是将结构动态设计中的众多方法进行了系统整理，归纳为六大类问题，即载荷识别、灵敏度分析、物理参数修改、物理参数识别、再分析和结构优化设计。这种归类使模态分析在结构动态设计中的应用一目了然。本书第1、3、4、5章及第6章大部分内容由曹树谦编写，第2章及第6章第2节和实验指导书由张文德编写。整体思路由萧龙翔主持共同讨论拟定。郎作贵高级工程师对全书提出了许多宝贵意见，陈璐女士对全书数次易稿进行了文字处理并制作了多幅插图，孙洪军也提供了许多 帮助，在此一并致谢。
天津大学霍拳忠、徐燕申两位教授对本书进行了全面、细致的审阅，作者特别在此致谢。本书还得到国家工科力学教学基地、天津市教委资助项目、天津市21世纪青年基金项目的支持。由于编者的水平所限，书中错误在所难免，恳请同行不吝赐教。

szdlliuzm

我在新华书店里没有买到此, 预定也没有用, 后来我通过网友的无私的帮助, 看了这本书电子版, 最大的感觉就是实用性强, 有很强的指导性. 希望大家都来谈谈感受吧.

[ 本帖最后由 szdlliuzm 于 2008-7-28 12:02 编辑 ]

mhd

清华大学  李德葆教授的实验模态分析及其应用  也是一本好书！可惜现在市场上都没货了。所以去图书馆可以找到！