多输入多输出时域模态分析研究及其在汽车工程中的应用_精品.doc

多输入多输出时域模态分析研究及其在汽车工程中的应用 . , , . ? ? , ,, . . ,, . : 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥 工业大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名:【工作单位职称】 主席: 委员: 导师:致谢 本论文是在导师陈朝阳,石琴副教授的悉心指导下完成的。读 研期间,两位导师给予作者学习上的谆谆教诲,生活上的细微关怀, 在此表示最衷心的感谢 实验中曾得到力学教研室的卢水章副教授,汽车实验室的温于 虹老师以及振动与测试实验室各位老师的热心帮助,在此一并表示衷 心的感谢 作者馒锋 .第一章 绪 论 . 模态分析概述 ..模态分析引论 模态,简单地说,是振动系统的一种表征,它是构成各种工程结构复杂振 动的那些最简单或最基本的振动形态。从数学概念出发,它是由系统数学模型 的特征值和相应的特征向量所确定的;而从物理概念出发,模态系假定振动系 统以其在作自由振动时所可能有的各阶固有频率振动时,每阶固有振动所呈现 的特定的相对偏转或振动状态。 模态分析是指对结构动态特性的解析分析和实验分析,其动态特性用模态 参数表征。实际上,模态分析是结构动力学中的~种“逆问题”分析方法,解 析模态分析主要指有限元模态分析,依据结构图纸上的几何尺寸,材料属性以 及边界条件,选用适合的有限元模型,求其质量矩阵【】,刚度矩阵【】若不 考虑结构阻尼,并按一定算法求解方程:一∞:】融,从而求出 模态参数。实验模态分析就是通过测量,分析振动系统的输入输出,获得系统 模态模型的过程。 实验模态分析主要由以下三部分组成:理论模型的建立,动态测试,模态 参数识别。理论模型的建立就是依据各种物理定律和数学推导,获得线性振动 系统模态模型的理论公式,共经历了实模态分析理论,复模态分析理论以及广 义模态分析理论三个阶段;动态测试就是获得识别系统模态参数所需系统输入 输出数据的过程,它主要包括激励,数据采集,信号分析和系统频响函数估计 频域几个过程;模态参数的识别就是根据系统的输入输出数据识别系统模 态参数的过程。 ..实验模态分析方法分类 模态参数识别和物理参数识别 描述振动系统的方法多种多样,识别内容也随之而变,如用物理坐标位 移描述系统,就需识别质量矩阵,刚度矩阵【】,阻尼矩阵【】,故称之 为结构参数识别,又因为它们是对物理坐标系下的参数,所以又称为物理参数 识别;若将物理坐标转为模态坐标,并用模态坐标描述振动系统的话,则需识 别模态参数,这称之为模态参数识别。 频域法和时域法 模态分析根据识别所用的原始数据不同,把模态分析分为频域法和时域 法。所谓频域法,是指在频域内,利用频域响应函数 进行振动参数识别,又称为机械阻抗法,不论何种频域法, 频域识别大体上包括两个过程:频响函数的估计和从频响函数中识别模态参 数。频响函数的估计是指对测得的激励和响应数据可以是单通道或多通道 进行运算,依照不同的最优指标进行最佳估计。而时域法,是指利用振动系统 输入输出时间历程数据,进行模态参数识别的方法。 单输入法和多输入法 若将施加于振动系统上的激励力看作该系统的输入,将测量的响应看作系 统的输出,则模态分析按同时使用系统输入,输出个数来分类的话,振动系统 模态分析可分为单输入/单输出,单输入/多输出,多输入/多 输出三大类。 ..研究模态分析的意义 随着工程技术和计算机技术的迅速发展,使得计算机辅助设计/ 计算机辅助实验中的动态设计技术日趋成熟,而计算机辅助振动分析 即解析模态分析与实验模态分析是/动态设计流程中的重要环节,并 且所占比例也越来越大,可见模态分析已经为现代机械动态设计的主要内容。 通过模态分析所得的模态参数本身是具有物理意义的量,如频率等参数是 工程设计振动分析等应用中十分有用的量;由于系统的模态模型将系统分解成 若干单元,所以大大方便了系统分析,响应模拟,系统综合,系统控制和系统 特性优化等方面的工作,而且也可以作为动力问题分析和论证的有效工具。 模态分析现如今广泛应用于航空、航天、汽车、土木建筑等复杂、大型结 构的动态设计,振动控制,故障诊断,减振降噪以及环境振动工程等方面。在 模态分析广泛应用于各行各业的同时,反过来对实验模态分析算法提出了新要 求。因此有必要研究和改进现有的模态分析技术,使其具有较高的精度和较强 的抗干扰能力。 .模态分析技术的过去与新发展 随着快速傅立叶变换算法和基于的动态测试分析仪器的出现, 产生了模态分析与实验这一新技术,并渐渐成为机械结构故障诊断和动态设计 的重要手段,在机械、航空、航天、汽车、土木等工程领域获得广泛应用。模 态分析与实验三十年的发展大致可分为三个阶段”,初期阶段年代中 期到年代中期有两项引入注目的“发明创造”,一是振型动画显示,使抽 象的结构动力学特性易于为