动态分析设计法之模态分析研讨.ppt

动态分析设计法之模态分析 模态分析 第一节 模态分析基础 第二节 模态分析的应用 第一节 模态分析基础 1.什么是模态分析？ 模态是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。 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。 2.优点 由于采用模态截断的处理方法，可使方程数大为减少，从而大大节省了计算机时，减小了机器容量，降低了计算成本。这对大型复杂结构的振动分析带来很大的好处。 由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，所以在准备进行其他动力分析前首先要进行模态分析。 3.模态分析基本方法 根据研究模态分析的手段和方法的不同，模态分析分为计算模态分析和实验模态分析两种。 计算模态分析又称理论模态分析，是指以线性振动理论为基础，研究激励、系统、响应三者的关系。如图1所示。 实验模态分析，是计算模态分析的逆过程。如图2所示。首先，实验测得激励和响应的时间历程，运用数字信号处理技术求得频响函数（传递函数）或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型。其次，运用参数识别法，求得系统模态参数。最后，如果有必要，进一步确定系统的物理参数。因此，实验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段，进行系统识别的过程。 两种方法的优缺点：计算模态分析主要是运用有限元法对振动进行离散，建立系统特征值的数学模型，由计算获得系统的模态参数。其特点是在设计阶段就可预知系统的动态特性，但阻尼等参数无法确定，因而结果不太准确。实验模拟分析是通过对样机的或相似设备进行测试，以采集的数据来识别系统的模态参数，这种方法对优化设计系统的动态特性具有很大的价值。 小结：模态是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，则称为计算模态分析；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。 第二节 模态分析的应用 模态分析技术的出现是近30年的事，当前，模态分析几乎在所有的现代大型设计程序中，都已经成为不可缺少的部分。模态分析技术的应用是指用模态实验和模态分析的结果去解决工程中的动力学实际问题。它的主要应用包括故障诊断和状态监测、系统的动载荷识别等方面。 一、故障诊断与状态监测 应用模态分析的方法进行故障诊断和状态监测是近年来发展起来的一种方法，当结构发生故障时，如出现裂纹、松动、零部件损坏等情况，结构物理参数发生变化，其特征参数（固有频率、模态阻尼、振型、频响函数、相干函数等）亦随之改变。根据这些参数的变化情况，可以判断出故障类型，有使还可以判断出故障位置。 必须指出，应用模态分析进行故障诊断和状态监测 的方法有自身的特点，因而也有局限性并非所有故障都可由这种方法判断。比如，对金属结构小裂纹情形，这种方法往往效果不好，因为固有频率和振型对小裂纹并不敏感，当然这种敏感性还与裂纹位置有关。尽管模态阻尼和高阶模态频率对裂纹的敏感性较强，但常常仍不足以判断出来。一般来讲，应用模态分析方法对动态故障的诊断效果优于对静态故障的诊断，对大型复杂结构故障诊断的效果优于对简单小型结构的故障诊断，这也是模态分析用于故障诊断和状态监测的优势所在。 1.在故障诊断中的应用 举例：航空发动机故障诊断 某航空发动机在使用过程中和试车台上频繁发生故障，直观表现为振动加速幅值严重超标，导致常常提前维修，甚至被迫空中停车。 为了找到该发动机产生故障的真正原因，首先对一台新的同型号发动机和故障发动机进行空载运行试验，实测发动机典型部位的加速度响应并进行频谱分析。图3是在发动机油门角为18°时的3 、6 测点的频谱图。 频谱分析发现，两台发动机的频谱结构几乎完全一致。不同的是，在约252HZ处，故障机的频谱幅值明显大于标准机。由此判断，故障原因可能是由于转子旋转频率与发动机某阶固有频率重合而引起的共振，而转子旋转激振力与转子的不平衡、安装不对中、机匣变形、密封环磨损或脱落、轴承损坏等诸多因素有关，首先考虑到的因素是转子不平衡。 通过动平衡试验，发现转子不平衡量大大超过标准值。为此用三圆平衡法对发动机进行整机平衡，平衡结果使加速