振動基礎知識：實驗模態分析的基本流程

Bjhq2021

2022年5月21日 10:14

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本文主要講解實驗模態分析及其基本流程。在此之前，我們首先要明確模態分析類型主要有哪些。

模態分析類型

模態分析方法主要可以分為兩類，分別是實驗模態分析 (ExperimentalModal Analysis,EMA) 和工作模態分析 (OperationalModal Analysis,OMA)。

實驗模態分析EMA，被稱之為傳統模態分析，是一種主動地測量方式，主要是通過激勵裝置激勵結構，同時測量結構響應的一種測試分析方法。激勵裝置主要有力錘和激振器。
工作模態分析OMA，也稱為只有輸出的模態分析，是一種被動地測量方式，主要應用于大型結構的模態分析，如土木橋梁行業、大型風力發電設備等。其特征是僅測量結構的輸出響應，不需要輸入。

實驗模態分析流程

在了解模態分析種類的基礎上，我們現在主要來探討實驗模態分析的基本流程。實驗模態分析可以分為四步：建立測試系統、數據采集、模態參數估計和結果驗證。以下，展開詳細說明。

建立測試系統

所謂建立測試系統就是確定實驗對象，選擇激振方式，選擇力傳感器和響應傳感器，并對整個測試系統進行校準。這一步主要分為以下幾個方面：

確定邊界條件：約束邊界還是自由邊界。兩者區別是：自由邊界除了彈性模態之外還存在剛體模態，而約束邊界只有彈性模態。最終采取何種邊界條件取決于試驗目的。
確定激勵方式：對于EMA而言，分錘擊法（常用）和激振器法。錘擊法通常適用于簡單的線性結構（部件級），不適用于非線性結構。激振器測試激勵能量更大，獲得的數據質量更高，通常用于大型復雜結構，且是研究非線性的唯一方法。缺點是激振器難于安裝，操作復雜。

力錘

激振器

選擇傳感器及確定其安裝方式：模態測試的激勵力通常不會特別大，因此，模態傳感器的靈敏度通常比較高，如100mV/g。
確定測量自由度：包括確定測點數目和方向，并在結構相應測量位置作標識。測量自由度應合理分布，使得能唯一地描述所有關心的模態振型。
組建、校準測量系統：確定所使用的各個設備都能正常工作和對測量系統進行校準。

數據采集

這一步又分為采集準備和正式采集。采集準備是為了確定合理的參數，如采樣頻率、采集儀量程、采樣時長、激勵信號、參考點等。另一方面還需要對數據進行檢查，包括線性檢查、FRF和相干檢查、互易性檢查等等。

校準后開始采集，正式采集完一組數據后，應立即從時域和頻域檢查測量數據，以防止某些測點測量數應檢查各批數據的一致性。

對于EMA而言，數據采集應至少包括所有測點的FRF和相干數據。如果是進行OMA分析，則只需要采集各個測點的時域信號即可。

模態參數估計

這一步是利用測量得到的頻響函數或時間歷程來估計模態參數，包括：固有頻率，模態振型，模態阻尼，模態剛度和模態質量等。

模態分析的實質是曲線擬合的過程，根據測量的數據（頻率響應函數，FRF），通過曲線擬合獲得模態參數。獲得各階模態參數之后，又可以根據這些參數綜合出各個測點的FRF。而曲線擬合又分為單自由度擬合和多自由度擬合，局部擬合和整體擬合。

結果驗證

最后一步是對上一步模態參數估計所得結果的正確性進行檢驗，它是對模態試驗成果評定以及進一步對被測系統進行動力學分析的必要過程。模態模型驗證一般可以按照三種級別進行：

第一級別相當直觀，不涉及任何數學工具，對模態振型進行視覺檢查，或把實測到的頻響函數與從模態參數識別過程中計算得到的頻響函數進行比較。
第二級別的驗證是利用某些數據工具檢驗估計出來的模型質量。如模態規定準則，模態參預、互異性、模態超復雜性，模態相位共線性，平均相位偏移，模態置信因子等這些工具。
第三級別驗證時一種隱含式驗證：當模型用于靈敏度分析，結構變化效果預測，有限元模型修正等進一步分析時，這些分析的成功很大程度上決定于模態模型估計的正確性。

當然，試驗模態分析過程還包括其他一些方面的驗證：

首先是測量設置，如試件固定，校準，傳感器信號等的正確性必須驗證；
其次是測量得到的頻響函數必須通過相干函數加以驗證。

實質上這些驗證更為重要，因為這是前期測試過程中的驗證，這些都正常了，才能進一步保證后期模態結果的正確性。

來源：吉興汽車聲學部件科技有限公司公眾號

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中國工業合作協會仿真技術產業分會

(STC)

中國工業合作協會仿真技術產業分會（簡稱中國工合仿真技術產業分會）（英文名稱：SimulationTechnology Committee of China Industrial Cooperation Association 簡稱：STC）是由中國工業合作協會批準成立，并報國家民政部登記備案的全國性社會組織，接受中國工業合作協會的領導。

中國工合仿真技術產業分會秉承“賦能創新、融合發展”的工作理念，從技術提升、市場需求出發，緊密聯系國家有關部門，聯合社會優質資源，搭建仿真技術產業創新融合的高質量平臺。會員單位包括中國中車、中航工業、航天科工、中國商飛、中國兵器、中船重工、中國核電等知名企業集團公司，一汽、上汽、北汽、廣汽、江鈴等整車生產廠家，徐工集團、三一重工、上海電氣等高端裝備企業，騰訊、中科曙光等知名科技企業，海爾、格力等行業龍頭企業；中望龍騰、安世亞太等優秀自主工業軟件企業，清華、北航、北理工、同濟、西北工大、南大等知名高校，中科院自動化所、中石油工程技術研究院、中國電器研究院、國家高速動車組總成工程技術研究中心等科研院所與國家級創新平臺，吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室、湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室、西南交通大學牽引動力國家重點實驗室、航空發動機高性能制造工業和信息化部重點實驗室等國家級、省部級重點實驗室等。

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