...wd......wd......wd...研究生課程論文(2013-2014學年第二學期)振動測試技術研究生：提交日期：2014年7月10日研究生簽名：學號學院機械與汽車工程學院課程編號S0802013課程名稱振動測試技術學位類別碩士任課教師教師評語：成績評定：分任課教師簽名：年月日模態試驗大作業0模態試驗概述模態試驗〔modaltest〕又稱試驗模態分析。為確定線性振動系統的模態參數所進展的振動試驗。模態參數是在頻率域中對振動系統固有特性的一種描述，一般指的是系統的固有頻率、阻尼比、振型和模態質量等。模態試驗中通過對給定鼓勵的系統進展測量，得到響應信號，再應用模態參數辨識方法得到系統的模態參數。由于振動在機械中的應用非常普遍。振動信號中包含著機械及構造的內在特性和運行狀況的信息。振動的性質表達著機械運行的品質，如車輛、航空航天設備等運載工具的安全性與舒適性；也反映出諸如橋梁、水壩以及其它大型構造的承載情況、壽命等。同時，振動信號的發生和提取也相對容易因此，振動測試與分析已成為最常用、最基本的試驗手段之一。模態分析及參數識別是研究復雜機械和工程構造振動的重要方法，通常需要通過模態實驗獲得構造的模態參數即固有頻率、阻尼比和振型。模態實驗的方法可以分為兩大類：一類是經典的純模態實驗方法，該方法是通過多個激振器對構造進展鼓勵，當激振頻率等于構造的某階固有頻率，激振力抵消機構內部阻尼力時，構造處于共振狀態，這是一種物理別離模態的方法。這種技術要求配備復雜昂貴的儀器設備，測試周期也比較長；另一類是數學上別離模態的方法，最常見的方法是對構造施加鼓勵，測量系統頻率響應函數矩陣，然后再進展模態參數的識別。為獲得系統動態特性，常需要測量系統頻響函數。目前頻響函數測試技術可以分為單點鼓勵單點測量(SISO)、單點鼓勵多點測量(SIMO)、多點鼓勵多點測量(MIMO)等。單點鼓勵一般適用于較小構造的頻響函數測量，多點鼓勵適用于大型復雜機構，如機體、船體或大型車輛機構等。按鼓勵力性質的不同，頻響函數測試分為穩態正弦鼓勵、隨機鼓勵及瞬態鼓勵三類，其中隨機鼓勵又有純隨機、偽隨機、周期隨機之分。瞬態鼓勵那么有快速正弦掃描鼓勵、脈沖鼓勵和階躍鼓勵等幾種方式。按鼓勵力性質的不同，頻響函數測試分為穩態正弦鼓勵、隨機鼓勵及瞬態鼓勵三類，其中隨機鼓勵又有純隨機、偽隨機、周期隨機之分，瞬態鼓勵那么有快速正弦掃描鼓勵、脈沖鼓勵和階躍鼓勵等幾種方式。振動信號的分析和處理技術一般可分為時域分析、頻域分析、時頻域分析和時間序列建模分析等。這些分析處理技術從不同的角度對信號進展觀察和分析，為提取與設備運行狀態有關的特征信息提供了不同的手段。信號的時域分析包括時域統計分析、時域波形分析和時域相關分析。對評價設備運行狀態和故障診斷而言，時域分析往往是初步的。頻域分析是機器狀態監測中信號處理的最重要、最常用的分析方法。工程上所測得的信號一般為時域信號，然而由于故障的發生、開展往往引起信號頻率構造的變化，為了通過所測信號了解、觀測對象的動態行為，往往需要頻域信息。它能通過了解測試對象的動態特性，對機械的狀態做出評價并準確而有效的診斷機械故障和對故障進展定位，進而為防止故障的發生提供分析依據。通過頻域分析把復雜的時間歷程經傅里葉變換分解為假設干單一的諧波分量，可以獲得信號的頻率構造以及各諧波幅值和相位信息。根據信號的性質及變換方法的不同，常用的頻域分析方法有：頻譜、自功率譜、互功率譜、倒頻譜、細化譜、相干函數、頻響函數分析等，這些頻域分析的核心算法是快速傅里葉變換〔FFT〕。對非平穩或時變信號的分析方法統稱為時頻分析，它將時域和頻域組合成一體，兼顧到非平穩信號的要求。時頻分析方法應用于設備狀態監測與故障診斷，可以很好的為確定設備的運行狀態提供判斷依據。時頻分析中最重要的是短時傅里葉變(STFT)、小波變換(WT)、Wigner-Ville時頻分析和Hilbert-Huang變換。與經典的基于FFT的分析方法不同，時間序列分析方法是對采集到的振動信號建設時間序列模型，通過對模型參數的分析識別系統的特性和狀態。時間序列模型有自回歸滑動平均模型(ARMA)，自回歸模型(AR)和滑動平均模型(MA)三種。目前振動信號測量與分析在很多領域得到了廣泛應用，測試和分析也開展到了較高的水平。但仍然存在很多需要解決的問題。展望未來，有如下幾方面需要突破和開展：無線智能型傳感器、傳感器的微型化及納米級構造的動力學測試問題、更高速度的數字信號處理技術和更快的數據輸出速度、激振力無法測量情況下構造模態參數識別、非穩態信號的分析、非線性信號分析問題、微弱信號檢測問題、激光測振技術的進一步開展。1實驗目的1.了解模態測試技術的原理和實施方法。2.學會用“鼓勵法〞測量振動系統的模態與振型，通過軟件求得系統的模態參數。3.初步掌握MESCOPE軟件的使用方法以及對模態測試結果的分析方法。2實驗設備上海北智14206加速度傳感器2個〔9g，0.5~8000Hz〕，圖1〔A〕所示。PCB模態力錘086C03一個〔0.1kg，8kHz，500lb〕，圖1〔B〕所示。IOTECHZonicBook618E動態信號分析儀一臺，圖1〔C〕所示。鑄鐵薄板一個，圖1〔D〕所示。〔A〕(B)(C)(D)圖1實驗器材3實驗步驟本實驗測試對象是一塊300mm×300mm，中央開圓孔〔直徑為100mm〕，厚度為8mm的鐵板，采用多點鼓勵多點測量(SIMO)測試方式。實驗的原理是：用力錘對被測物體進展激振，錘頭內的力傳感器和被測物體上的加速度傳感器同時記錄下脈沖鼓勵和被測物體的響應，經IOTECH采集處理，傳入計算機進展進一步計算分析。數據采集完畢后，采用Mescope模態分析軟件，首先對被測對象進展建模，導入數據進入模態分析，根據振動理論，分析系統在各階的模態，自動生成分析結果并可以生成振動的仿真動畫、各階頻率、模態剛度、模態阻尼比等參數。3.1實驗平臺的搭建將力錘連接入IOTECH的1號通道，2個加速度傳感器分別接入2、3號通道。在被測物外表選取測點并編號〔如圖2〕，將加速度傳感器置于物體的24、16點，用數據線將IOTECH與計算機連接，連接框圖如圖3所示。開啟計算機上的Z-Analyst軟件，調整軟件即時顯示窗口為FRF窗口，沖擊脈沖Time窗口，傳感器響應time窗口以及Coherence窗口。圖2薄板測點編號被測平臺加速度傳感器被測平臺加速度傳感器IOTECH計算機PCB力錘3.2IOTECH參數設置著先需要設置分析頻率。由于所分析的構造簡單，其固有頻率比較小，因面分析頻率范圍設在0~2000Hz，奈奎斯特因子可以選取2.56。選取輸入信號作為觸發信號，由于力錘的力和操作人員有很大關系，因而可以選取10次平均以消除或降低誤差，其相應設置見圖4〔A〕。力錘連接的1號通道設為Reference，加速度傳感器連接的2、3號通道設為Respond，并去掉其它通道前面的勾號，同時選取適宜的量程并輸入靈敏度參數，其具體設置見圖4〔B〕。FFTSetup設置中，ReferenceChannel加指數窗，ResponseChannel加矩形窗，具體設置見圖4〔C〕。(A)(B)〔C〕圖4ez-analysis數據采集參數設置3.3信號采集用力捶依次敲擊被測對象的每一個測點，設定為連續敲擊，從每個點敲擊10次。在圖中顯示力的時域信，以及各輸出通道的時域信號。同時顯示相干和RFR窗口。實驗中前3個點的采集數據如圖5所示。對采集的數據進展保存，每個點保存一個數據文件，然后用ezAnalys將文件轉化為可用于MEScope處理的格式〔unv〕，主要保存數據的FRF信息。〔A〕(B)〔C〕圖5實驗的采集數據〔第1-3個點〕3.4MEscope模態分析翻開MEscope模態分析軟件，將每個點的FRF導入軟件中進展模態分析，算出固有頻率，阻尼系數，以及留數。在導入時根據點的不同修改DOF’s。圖6MEScope數據點的導入為了能更清晰的觀察結果，可以畫出板材的構造圖，進展動畫仿真。其具體步驟為：在MEscope中新建一個Structure，利用繪圖工具，根據被測物體的尺寸大致地畫出被測對象的幾何圖形，并在圖形上布置8×4的點陣。如圖7所示。而后導入三個點的數據，DOFs設置分別為：1Z:24Z,2Z:24Z,3Z:24Z，其中1,2,3分別表示三個敲擊點，4表示加速度傳感器所在的點，如圖8所示。然后為8×4的點陣標上節點號，每個節點對應敲擊點號及加速度傳感器所在的點。將采集到的實驗結果導入到模型中，導入成功后，動畫效果會自動顯示。圖7繪制被測件的構造圖4實驗結果按照上述的方法對實驗測量的結果導入到MEScope軟件中進展分析，各點測量的結果經分析得到固頻，阻尼系數，以及留數。圖8〔A〕為頻率響應函數〔RFR〕重疊后的總體曲線，由此圖可以看出被測物體固有頻率的大致分布。圖8〔B、C〕為經MEScope計算得到的固有頻率。從圖中可知，當分析頻率范圍設在了0至2000Hz，軟件在該頻段中識別出了7個模態。〔A〕〔B〕〔C〕圖8MEScope分析結果為了能更好的觀察系統的振型，在導入測量數據后，可以繼續畫出系統的構造圖，通過生成各階固有頻率的動畫，可以直觀的看到振動情況，其各振型如圖9所示。〔A〕一階振型〔B〕二階振型〔C〕三階振型〔D〕四階振型〔E〕五階振型〔F〕六階振型〔G〕七階振型圖9模型各階振型動畫5實驗總結1．力錘擊振法屬于瞬態測試技術的一種方法，該方法雖然簡單，但也有其固有的缺陷，比方敲擊的方向和波形不易控制，重復性較差。反映在本次試驗上，由于敲擊力度和時間間隔把握不是很好，每個點的10次敲擊相干性并不是太好，造成了其相干系數值并不在1附近波動。2．為了能夠獲得比較準確的模態參數，試驗的各個環節