某柴油机缸套模态分析与试验研究计外文翻译资料

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实验模态分析

1引言

实验模态分析是一种令人兴奋和有趣的技术，它结合了来自各种工程和自然科学的知识，如电气工程，传感器技术，信号分析，机械动力学和数值方法。 该技术有时被描述为一门艺术而不是工程学科。 然而，我们不想通过这样的论点阻扰读者理解，因为我们相信大多数工程师可以学习正确地执行实验模态分析与正确的指导。 然而，在进行之前，可能有助于获得对该主题的一些尊重，因此采取足够的谨慎以实现所有必要的预防措施以确保良好的结果。 以下将有助于读者在这方面的理解。

本文简要介绍了实验模态分析的概念和性能。 本文涵盖数据采集的实际方面以及用于模态分析的曲线拟合数据的原理和过程，即，处理测量的频率响应函数以获得模态参数。 在阅读本文之前，读者应该了解模态分析的理论。

我们将术语“实验模态分析”定义为获取数据的过程，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，以及随后通过某些曲线的模态参数的识别。模态参数由谐振频率，模态阻尼和模态振型组成。

通过冲击测试或通过将一个或多个振动器附接到结构来进行实验模态分析，我们将在这里包含这两种方法，虽然我们将排除多个振动器激发的大部分方面。

在第2章中，给出了在获得高质量数据所需的测量之前的准备。基于我们从实验模态分析的经验给出一些建议，以帮助读者获得更好的结果。

在第3章中，介绍了模态参数的参数提取。本章的目的是让读者熟悉大多数现代商业模态分析软件中的概念，以便能够正确地使用这样的软件。因此，数学公式保持尽可能简单。

1. 列出了一些有用的参考，希望更多地了解这个主题的读者。

2测量准备

从机械结构收集大量的频率响应函数（FRF，s）是实验模态分析的基本部分。这与重新粉刷你的房子非常相似的一个过程：你必须花大部分的任务准备时间，随后的绘画、测量，就比较容易了。

考虑的准备如下：

bull;测试对象

bull;激励点的选择

bull;激发、冲击锤或振动器

bull;选择激励信号（用于振动激励）

bull;激振力传感器（用于振动激发）

bull;选择响应点

bull;加速计注意事项

bull;数据质量评估

2.1测试对象

模态分析通常在无自由条件下的结构上或者在其操作条件下暂停的结构上进行。在后一种情况下，无论是结构重新安装在原来的位置，或在这些近似条件下。如果有自由的选择，你应该选择自由悬挂，因为这是最简单可重复的方式实现的边界条件。此外，从测量的角度来看，在自由结构上，激发能量主要到达测试结构，并且不消散到整个结构的周围（未测量的）部分。对于特定的激励水平，响应水平更高，这使得更容易获得高测量质量。一个很好的近似的固定边界条件下，它往往是很难做出很好的质量测量，因为在许多点的响应水平太低。

如果测量的目的是将实验结果与分析结果相关联，这种相关性需要所获得模式形状的最高精度，应当使用自由边界条件。即使期望的结果出现其它边界条件下的结果，这也是适用的。通常优选的方法是首先将分析模型与实验模型相关联。然后在操作条件下的边界条件下，进行分析和实验的悬浮结构的结果的相关性。

为了获得实验研究的近似自由边界条件，通常测试结构通过软橡胶线悬挂或放置在软弹簧上。橡胶线或弹簧应当足够的软，使得刚体模式（整个测量对象的质量和悬架的刚度之间的共振）要低于具有最低频率的结构共振的频率1/10。然后其他模式对的刚体模态影响可以忽略不计。

当使用橡胶绳索时，不应该直接连接到结构上，这会给结构增加阻尼。相反，一条细的、强壮的绳子，例如钓鱼线或金属电线最接近结构。另一个重要考虑的结构位置应当能够在所有方向上很容易调整。船只索具是非常实用的。如图2.1

根据橡皮筋蠕变，您必须在测量中进行长时间的中断，测试中的结构应为卸载测量，否则可能一会就返回到弯曲前的样子。如果测量在短时间内进行，就可以避免数据的不一致，也能避免静态负载，细长的结构应该总是垂直的！见2.10节。

图2.1。 当悬挂测试结构时，船用吊挂装置非常有用，因为它们允许对位置进行小的调整，对于重型测试结构也是如此。

2.2激励点的选择

如果使用一个参考点，必须确保所选的参考点包括所有的模式。 这意味着对于任何模式，您的参考点不得接近节点。 参考点是在整个测量期间保持固定的点，即用于振动器测试的激励点和用于使用粗纱锤的冲击测试的加速度计点。

如果你进行实验模态分析来确认或更新有限元模型，你显然要选择适当的参考点，请使用结构的FE模型。 如果FE模型不可用，您必须选择不同的测试。 这通常可以使用单个加速度计和冲击锤调查几个可能的位置。 然后测量和调查每个位置的驱动点频率响应。

矩形板

图2.2。 矩形板有25个可能的激励点。

您可以策略性地选择“最小”共振最大化的点。 我们用一个简单的例子演示方法。 我们有一个矩形钢板，1米times;2米，10毫米厚，如图2.2。 我们有25个可能的激励点。

然后，我们计算（或测量）点迁移率（垂直于板），并查看前10个谐振的峰值，参见图2.3的驱动点频率响应函数的示例。

图2.3。 测量点的点移动性1.共振频率由环标记。

我们现在绘制每个可能点的最小共振峰。 结果可能如图2.4所示。

图2.4。 谐振时的最小点移动作为测量点数的函数

我们发现板的四个角是明显的选择之一。 例如，比较点1和点7，如图2.5所示。 根据图中的频率响应，显而易见在点7中几乎不激励前十个中的几个模式。

图2.5。 点编号1和7的点移动性的比较。当在点编号7中激励结构时，几个模式（例如第四和第五模式）被每周激励。

对于三维物体，应当注意自然选择的正交方向，即沿着x，y或z方向，通常找不到最佳参考点。 很多结构在方向之间具有不是很好耦合模式，即一个方向上的模式在其它方向上具有非常小的偏转。 然后通过有用技巧是可以找到具有在所有三个主要方向上的分量的偏斜参考位置。许多情况下，可能意味着必须将固定装置焊接或以其它方式附接到结构中。

2.3冲击的激发

两种形式的激励可用于模态分析的频率响应的测量：冲击和振动激发。对于测量质量不是非常重要的情况，例如对于许多故障排除目的的情况，冲击测试可能是优选的。通常冲击测试被选择一个或多个固定响应点，其中附加加速度计。然后通过冲击锤法测出所有自由度，粗略地一个接一个地测量频率响应函数。

然而，在某些情况下，不可能使用冲击法。例如一些自由度可能不被锤子激发。如具有有限的空间，或者在平坦表面上，不垂直于表面的方向可能难以激发。在这些情况下，必须在整个结构选择测量参考点，然后在其中进行激发。使用这种方法，通常通过在结构周围放置一组加速度计（如果测量系统包含两个通道以上）直到测量了所有自由度。

冲击法测试许多优点：

测量速度快; 没有振动器必须悬挂和附接到结构。

很容易改变激发点。

锤击不会对结构施加额外的负荷。

然而，还有一些缺点：

- 当结构是非线性时，测量很困难。

- 因为存在固有的信噪比问题，力信号和响应持续时间短。

- 由于有有限的频率分辨率; 信号长度是由结构的阻尼给出，所以不能得到使用时间窗口大于响应时间的用途。

- 高阻尼结构的困难，给出非常短的响应时间，以及对于轻微阻尼的结构，有信号截断的问题。

- 需要一个熟练的操作员，不是那么容易打一个连续的锤击！

2.4振动的激发

在需要通过冲击测试获得更高的精度的情况下，一个或多个振动器必须附接在被测结构上。然后保证与固定自由度中的冲击激励情况所描述的相同。

振动激发的缺点是：

- 将振动器正确地连接到结构上，可能相当耗时的。

- 难以改变激发点。如果夹具必须移动，我们必须保持振动器—刀架 - 力—传感器对准的布置。

- 对结构施加额外的负载，可能需要补偿。

- 刺客增加了另一个复杂性。

- 要一个信号源，滤波器和一个放大器。

振动激发的优点是：

有广泛的激发信号选择。

有一个相对较好的信噪比。

对频率分辨率和阻尼的限制较少，因为有一个信号打开较长时间，可以选择窗口（测量）时间。

可以系统地处理非线性，因为改变激励振幅是相当直接的。

可以使用长的平均时间。

在许多情况下，可以使用几个振动器，给出更好的能量分布，并使其更容易同时激发所有自由度。

2.5激励信号的选择

当我们使用振动器时，必须选择一个激励信号，但选择性很多，不同种类的随机信号和不同种类的正弦波。

随机信号具有的优点是，它给出了最佳线性近似微弱非线性频率响应函数。但是有一个严重的缺点，那就是泄漏。如图2.6所示。上面的时间是输入；较低的是输出。时间A处的输入给出时间B处的输出，并且时间C处的输入给出时间D处的输出。离散傅里叶变换的圆形特性的结果是，“假定”在时间B的输出来自输入现在时间A和B处的信号不同，因为具有真随机输入。这就产生了泄漏问题。事情更好的处理方法是使用时间窗口，通常是汉宁窗口，然而泄漏不会被除去，而仅被减少。因此，真随机不应用于测量具有低阻尼（例如小于20％的相对阻尼）的结构的频率响应。

实际上更好的解决方案是使信号具有周期性，这被称为伪随机信号。这种信号设计的一种方式是从具有作为频率的函数的期望幅度的频率记录开始。然后将随机相位添加到频率点中，并执行傅立叶逆变换产生时间记录。如果我们在时间窗口中周期性地重复使用，所得到的时间记录是伪随机信号。由于该信号在时间窗口内是周期性的，所以它将仅在由DFT估计的离散频率处包含能量。因此，该激励信号给出了最佳的信噪比。

图2.6。 真随机输入的泄漏问题的图示。 上部时间历史是输入，下部是输出。 A的输入给出B的输出，C的输入给出D的输出，但DFT“认为”C给出B的输出。

当我们使用伪随机信号时，我们应该首先让几（3到5）个周期通过，然后开始获取数据。这考虑了结构的瞬态响应，以确保在测量期间所有信号都是周期性的。为了减少外来噪声的影响，使用伪随机，通常应使用5至15或者平均值。

消除泄漏问题的另一种方法是使用突发随机信号。我们仅对时间窗口的第一部分应用随机信号，而在时间窗口的其余部分输出为零。我们使静默期足够长，以使瞬态响应在时间窗期间消失。由于突发随机信号是瞬态的，它具有连续的频谱密度，这使得信噪比低于伪随机信号。

我们还可以使用正弦波的激励信号。正弦信号在时间窗期间的感兴趣的频率范围上扫频的频率被称为正弦扫频。线性调频信号以与伪随机信号相同的方式重复，并且由DFT估计的频率相同的频率组成。我们还可以使用来自突发随机信号并使用突发正弦扫频。那么光谱就能连续了。

最终的正弦激励是单频率正弦波。通过进行正弦激励，正弦波以特定的频率进入跨越感兴趣的频率范围。对于每个频率，估计和响应信号的幅度和相位，并且从那些测量中计算频率响应。如果存在严重的噪声问题，这可能是有用的，因为纯正弦信号具有可能的最佳信噪比。该方法比使用宽带激励信号慢得多，因此步进式正弦激励仅用于其它方法失败的情况。

2.6激励信号谱的形状

力谱具有适当的形状是重要的。 我们的基本思想应该是只激励兴趣模式。 在冲击的情况下，我们可以选择输入力的上限频率。 这是通过正确选择锤头实现的。见图2.7 锤头的刚度给出了不同的冲击时间长度。见图2.8

当我们使用振动激励时，我们可以进一步优化力谱，在测量中获得最佳动态范围。该原理在ISO 7626“机械移动性的实验测定”中给出。参见图2.9；其中出示了刚性结构的原理。该图的解释如下：

如果我们有一个平坦的力谱，左上，我们将获得响应信号中的所有FRF的动态摆动，左中。在我们的数据采集系统中有限的动态范围，然后给出一个扭曲的FRF，左下。

图2.7 用于频率选择的课选择的尖端的冲击锤

图2.8。 强制时间历史和相应的频谱的冲击激励。

图2.9。 插图的动态范围的力信号的影响，对动态范围加速度信号。 通过使用在谐振频率附近具有更多能量的力信号，其中力水平否则很小，可以获得更好的测量质量。 该图示取自ISO标准7626，“机械移动性的实验测定”。

如果我们在反谐振条件下增加力谱，在谐振条件下减小它，右上，我们将在计算FRF右下方的响应，中间右和全动态范围中获得降低的动态范围。这个想法是在力和响应上具有大致相同的动态摆动。

如果机械系统灵活，我们有相反的问题，在共振时很难得到任何力输入。在这种情况下，我们增加共振时的力谱。同样，基本思想是在力信号中具有与响应信号中大致相同的动态范围。

2.7振动力传感器

将力施加到被测结构中的标准方式是将力传感器安装到结构上，然后使用托管架将振动器连接到力传感器上。 托管架应当在横向方向上是柔性的，仅在测量方向上施加力。 托管架还可以作为机械保险丝。 托管架不应该太柔软，可能会弯曲。 托管架不应该在感兴趣的频率范围内具有任何共振。 托管架和力传感器之间的良好对准，对于获得正确的频率响应函数是必要的。为了获得这一点，船的索具齿轮是非常有用的，如第2.1节所述。<!--

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