機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本步驟
閱讀：243 發(fā)布時間：2020-8-112.2試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本步驟
試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析一般分為如下的四個步驟：
第一步：建立測試系統(tǒng)
所謂建立測試系統(tǒng)就是確定實(shí)驗(yàn)對象，選擇激振方式，選擇力傳感器和響應(yīng) 傳感器，并對整個測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。
第二步：測量被測系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)
這是試驗(yàn)?zāi)B(tài)的關(guān)鍵一步，所測量得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響到 模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果。在某一激振力的作用下被測系統(tǒng)一旦被激振起來，就可以通過 測試儀器測量得到激振力或響應(yīng)的時域信號，通過數(shù)學(xué)手段將其轉(zhuǎn)化為頻域信號， 就可以得到系統(tǒng)頻響函數(shù)的平均估計，在某些情況下不要求計算頻響函數(shù)，只需 要時間歷程就可以了。
第三步：進(jìn)行模態(tài)參數(shù)估計[26]
即利用測量得到的頻響函數(shù)或時間歷程來估計模態(tài)參數(shù)，包括：固有頻率， 模態(tài)振型，模態(tài)阻尼，模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量等。
第四步：模態(tài)模型驗(yàn)證[27]
它是對第三步模態(tài)參數(shù)估計所得結(jié)果的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，它是對模態(tài)試驗(yàn)成 果評定以及進(jìn)一步對被測系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析的必要過程。
以上的每個步驟都是試驗(yàn)?zāi)B(tài)中*的組成部分，其具體的介紹如下：
1、建立測試系統(tǒng)
建立測試系統(tǒng)是模態(tài)試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備過程，它主要包括：被測對象的理論分 析和計算，測試方案的確定（包括激振方式的確定，傳感器的選擇，數(shù)據(jù)采集分 析儀器的選擇等），按照方案要求安裝和調(diào)試，測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)等工作。
接下來對激振方式，傳感器的選擇和數(shù)據(jù)采集儀器的選擇的具體介紹如下：
1.1激振方式的確定：
激振方式有很多種，主要分為天然振源激振和人工振源激振[281。天然振源包 括地震，地脈動，風(fēng)振，海浪等；其中地脈動常被使用于大型結(jié)構(gòu)的激勵，其特 點(diǎn)是頻帶很寬，包含了各種頻率的成分，但是隨機(jī)性很大，采樣時間要求較長， 人工振源包括起振機(jī)，激振器，地震模擬臺，車輛振動，爆破，張拉釋放，機(jī)械 振動，人體晃動和打樁等。其中爆破和張拉釋放這兩種方法應(yīng)用較為廣泛。在工 程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)根據(jù)被測對象的特點(diǎn)，選取適當(dāng)?shù)募ふ穹绞健?/span>
1.2傳感器的選擇：
傳感器是測試系統(tǒng)的一次儀表，它的可靠性，精確度等參數(shù)指標(biāo)直接影響到 系統(tǒng)的質(zhì)量。傳感器的選用原則如下：
1)、靈敏度要求
一般的講，傳感器靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，意味著傳感器所能感 知的變化量越小，被測量稍有微小變化時，傳感器就有較大的輸出。但是當(dāng)傳感 器的靈敏度越高時，與被測信號無關(guān)的外界干擾也越容易混入，并且同樣被放大 裝置所放大。因此為了保證既要檢測到微小量值，又要干擾小，這就要求傳感器 的信噪比越大越好。
此外，和靈敏度緊密相關(guān)的是測量范圍，除非有專門的非線性校正稽旋， 大的輸入量不應(yīng)使傳感器進(jìn)入非線性區(qū)域，更不能進(jìn)入飽和區(qū)域。某些測試工作
要在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行。其輸入量不僅包括被測量，也包括干擾量；兩者之 和不能進(jìn)入非線性區(qū)。過高的靈敏度會縮小其適用的測量范圍。
2) 、響應(yīng)特性
在所測頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真的測量條件。此外， 實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定遲疑，但總希望遲疑的時間越短越好。在動態(tài)測量中， 傳感器的響應(yīng)特性對測試結(jié)果有直接影響，在選用時，應(yīng)充分考慮到被測物理量 的變化特點(diǎn)。
3) 、線性范圍
任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線 性范圍越寬表明傳感器的工作量越大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精 度的基本條件。然而任何傳感器都不容易保證其的線性，在許可限度內(nèi)，可 以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。選用時必須考慮被測物理量的變化范圍，令其線性誤 差在允許范圍以內(nèi)。
4) 、可靠性
可靠性是傳感器和一切測量裝置的生命。所謂可靠性是指儀器，裝置等產(chǎn)品 在規(guī)定的條件，在規(guī)定的時間內(nèi)可以完成規(guī)定功能的能力。只有產(chǎn)品的性能參數(shù) (特別是主要的性能參數(shù))均處在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，方能視為可完成規(guī)定的功能。 因此在傳感器的選用過程中其可靠性是挑選傳感器的重要指標(biāo)之一。
5）、精確度
傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量的真值一致的程度。傳感器處于 測試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)的反映被測量值，對整個測試系統(tǒng)具 有直接影響。然而，傳感器精確度余額高，價格越昂貴，因此應(yīng)從實(shí)際情況尤其 應(yīng)從測試目的出發(fā)來選擇傳感器。
6）、測量方式
傳感器在實(shí)際條件下的工作方式也是傳感器選擇必須考慮的因素。工作環(huán)境 的不同情況對傳感器的要求也不同。
7）、其它因素
除了以上選用傳感器時應(yīng)該充分考慮的因素之外，還應(yīng)該盡可能的兼顧結(jié)構(gòu) 簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等因素。
2.3數(shù)據(jù)采集分析儀器的選擇：
如今市場上的這類儀器很多，能夠完成試驗(yàn)任務(wù)的儀器在價格、配置、性能、 售后服務(wù)等方面差異很大。根據(jù)不同的試驗(yàn)要求我們可以從如下幾個方而考慮： 資金預(yù)算；測量的類型、數(shù)量、頻率和位置；測量的通道數(shù)；大頻率范圍；儀 器的抗千擾能力，精度，可靠性等指標(biāo)；濾波器類型，窗的類型，軟硬件的兼容 性；便攜性能等。
3測量被測系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)
測試系統(tǒng)安裝、調(diào)試并校準(zhǔn)之后，就可以開始試驗(yàn)了。在試驗(yàn)工程中，測試 人員的經(jīng)驗(yàn)，對儀器操作的熟練以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)態(tài)度都直接影響到試驗(yàn)的結(jié)果。 如果采用地脈動激勵測試系統(tǒng)，一般要求數(shù)據(jù)采集時間為30分鐘左右。
4進(jìn)行模態(tài)參數(shù)估計[29]
試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)通常是通過曲線擬合一組頻響函數(shù)數(shù)據(jù)后估計得到的。在頻響 函數(shù)的頻帶內(nèi)進(jìn)行曲線擬合，擬合的結(jié)果就是每一階模態(tài)的一組模態(tài)參數(shù)(固有頻 率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量)。曲線擬合是頻響函數(shù)的參數(shù)與 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配的過程。頻響函數(shù)的部分分式中參數(shù)就是極點(diǎn)(含頻率和阻尼信息丨 和留數(shù)(含振型信息)。7V自由度系統(tǒng)有頻響函數(shù)(頻響矩陣的一行或一列)的留數(shù)可 以求出各階振型，由極點(diǎn)可以求得固有頻率和阻尼比。
進(jìn)行模態(tài)參數(shù)估計的方法有很多種，從自由度來分可以分為單自由度和多自 由度兩種。
4.1單自由度法[3Q]
單自由度法有很多種，常見方法有如下兩種：
峰值法(圖解法)：
利用峰值光標(biāo)在光標(biāo)帶內(nèi)尋找共振峰。將每個FRF上峰位置處的幅值保存為 模態(tài)振型的一個成分，將所有FRF峰值頻率進(jìn)行平均后獲得模態(tài)頻率的估計值。 (但是這種方法無法計算出模態(tài)阻尼)。
不同FRF數(shù)據(jù)曲線上的共振峰稍稍漂移時，采用這種方法估計模態(tài)參數(shù)是很 有用處的。共振峰漂移現(xiàn)象主要是由于FRF測量采集過程中環(huán)境激勵的變化或移 動傳感器時附加質(zhì)量的變化引起。
導(dǎo)納圓擬合法：
所謂導(dǎo)納圓擬合法是用頻域中的模態(tài)模型對系統(tǒng)極點(diǎn)和模態(tài)向量進(jìn)行局部估 計[311。此方法的依據(jù)是：單自由度系統(tǒng)的速度頻響函數(shù)(速度對力)在奈奎斯特圖 上(即實(shí)部對虛部)呈現(xiàn)為一個圓。系統(tǒng)固有頻率可以看成復(fù)平面上數(shù)據(jù)點(diǎn)之間角 度變化率大的那個點(diǎn)的頻率。導(dǎo)納圓擬合法計算速度快，通過量綱校核可以避 免結(jié)果出錯。
4.2多自由度法
多自由度法也有很多種如正交多項(xiàng)式擬合法、復(fù)指數(shù)法等。多自由度法可以 從一組FRF數(shù)據(jù)中，同時估計兩階或兩階以上的模態(tài)參數(shù)[32]。其中正交多項(xiàng)式擬 合法是直接對一組FRF進(jìn)行曲線擬合的一種頻域方法。它是基于多個FRF的 小二乘曲線擬合原理，來估計FRF分母多項(xiàng)式(又稱：特征多項(xiàng)式)的系數(shù)；然后 從特征多項(xiàng)式的解中提取模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼。復(fù)指數(shù)法是一種整體時域方法[33]， 它也是基于小二乘曲線擬合原理來估計FRF的分母多項(xiàng)式的系數(shù)，模態(tài)頻率和 模態(tài)阻尼可以從特征多項(xiàng)式的解中提取出來。這種方法是對脈沖響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行估 計的，通過傅利葉逆變換(IFFT)，可以得到頻率響應(yīng)函數(shù)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。
一旦得到一組固有頻率和模態(tài)阻尼的估計值后，利用整體多項(xiàng)式對FRF數(shù)據(jù) 進(jìn)行單獨(dú)曲線擬合，然后從每一個多自由度擬合的FRF曲線上獲得留數(shù)的估計值。 在留數(shù)曲線擬合過程中，通過小二乘曲線擬合估計得到每個FRF的分子多項(xiàng)式 系數(shù)。
對于擬合頻帶之外的模態(tài)留數(shù)對頻帶內(nèi)模態(tài)留數(shù)的影響，同過使用附加分子 多項(xiàng)式的方法自動加以補(bǔ)償。（這對獲得準(zhǔn)確的模態(tài)振型估計是非常重要的)。然 后通過對FRF曲線擬合后的模型進(jìn)行部分分式展開，通過部分分式展開項(xiàng)可以求 得模態(tài)的留數(shù)。
5模態(tài)模型驗(yàn)證[34]
模態(tài)模型驗(yàn)證是實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的第四步，它對第三步即模態(tài)參數(shù)估計所得結(jié) 果的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)。模態(tài)模型驗(yàn)證一般可以按照三種級別進(jìn)行。第一級別相當(dāng) 直觀，不涉及任何數(shù)學(xué)工具，對模態(tài)振型進(jìn)行視覺檢查，或把實(shí)測到的頻響函數(shù) 與從模態(tài)參數(shù)識別過程中計算得到的頻響函數(shù)進(jìn)行比較。第二級別的驗(yàn)證是利用 某些數(shù)據(jù)工具檢驗(yàn)估計出來的模型質(zhì)量。如模態(tài)規(guī)定準(zhǔn)則，模態(tài)參預(yù)、互異性、 模態(tài)超復(fù)雜性，模態(tài)相位共線性，平均相位偏移，模態(tài)置信因子等這些工具。第 三級別驗(yàn)證時一種隱含式驗(yàn)證：當(dāng)模型用于靈敏度分析，結(jié)構(gòu)變化效果預(yù)測，有 限元模型修正等進(jìn)一步分析時，這些分析的成功很大程度上決定于模態(tài)模型估計 的正確性。
.實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析過程中還包括其他一些方面的驗(yàn)證：首先是測量(試件固定，校 準(zhǔn)、傳感器信號等)的正確性必須驗(yàn)證，其次測量得到的頻響函數(shù)必須通過相干函 數(shù)加以驗(yàn)證。
5.1模態(tài)比例因子CMSF)和模態(tài)判定準(zhǔn)則(MAC)
模態(tài)比例因子給出的是兩個向量之間比值的小二乘估計[35]。模態(tài)判定準(zhǔn)則 就是對應(yīng)的相關(guān)因子。如果模態(tài)判定準(zhǔn)則為1,則說明這兩個向量在一個比例系 數(shù)內(nèi)，即在模態(tài)比例因子內(nèi)，是*等同的。如果模態(tài)判定準(zhǔn)則是0,那么說明 這兩個向量之間不存在線性關(guān)系，估計出來的模態(tài)比例因子便失去意義。這個原 理即可用做模態(tài)模型驗(yàn)證的一個工具，也可當(dāng)作檢驗(yàn)所選的模態(tài)向量估計法是否 合適的一個標(biāo)志。
5.2模態(tài)復(fù)雜性(MOV)
在一個測量點(diǎn)給結(jié)構(gòu)附加一個質(zhì)量，將會降低各階模態(tài)的阻尼固有頻率，這 個原理構(gòu)成了模態(tài)復(fù)雜性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)。物理模態(tài)的超復(fù)雜性值應(yīng)當(dāng)為1。如果模 態(tài)超復(fù)雜性的值低，表明此模態(tài)是個噪聲模態(tài)或計算模態(tài)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程 中應(yīng)予以剔除。
5.3模態(tài)相位共線性(MPC)和平均相位偏移(MTO)
本文采摘自“VMC1060型立式加工中心試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析”，因?yàn)榫庉嬂щy導(dǎo)致有些函數(shù)、表格、圖片、內(nèi)容無法顯示，有需要者可以在網(wǎng)絡(luò)中查找相關(guān)文章！本文由伯特利數(shù)控整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！