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实验模态分析的前端信号精度研究及虚拟式模态分析仪的研制

段虎明  
【摘要】: 实验模态分析是随着计算机技术、振动测试技术、虚拟仪器技术的发展,从上个世纪60年代开始发展起来的一项重要的工程应用技术。到目前为止,与其相关的理论模型研究,已经较为完善,并逐步转向各种行业的工程应用中。在机械、建筑、航空航天、船舶、汽车等多个领域的应用非常广泛,并且已经日趋成熟。在国内外也出现了多种不同功能、不同层次的模态分析软件。随着科技的进步,很多工程结构对模态分析软件的分析结果精度要求越来越高,然而由于结构本身、传感器、数据采集调理、参数识别等环节都可能引入误差,所以模态参数识别结果的精度往往不高。本文正是基于以上背景,完整地开发了一套虚拟式模态分析仪,并且对其前端的频响函数估计精度问题进行了深入的研究和探讨。 文章首先介绍了实验模态分析的相关研究背景和国内外的研究现状,然后较为系统地描述了实验模态分析的基础知识。从物理模型出发,推导出了模态分析的理论模型,从正反两个角度说明了实验模态分析的原理。根据实验模态分析的运作流程,完整地介绍了实验模态分析的过程,包括实验前的实验准备(结构的安装、调试和校准,激励测点、响应测点布置等)、几何结构模型的建立、时域原始振动数据的采集、频响函数的估计、模态参数的识别、模态模型的验证、结果参数和振型动画的输出等。 针对提高频响函数的估计精度问题使用两种方法进行了专门的研究和探讨,一种方法是使用频率抽取校正方法首先对采集的原始数据信号进行频谱校正,提高其频谱精度,待各个测试点各个方向的数据都进行校正以后,再使用其进行频响函数估计,然后在频响函数的基础上进行模态参数识别,得到较高精度的模态参数;另一种方法是采用高阶谱的方法,使用高阶谱优良的噪声不敏感性,首先对原始采样数据信号进行双谱估计,再使用双谱重构原始信号的Fourier变换,达到去噪的目的,然后使用重构信号估计频响函数,进而进行模态参数识别。通过仿真数据和实际的简支梁采样数据分别验证了两种方法的有效性,得到了精度较高的模态参数识别结果。 文章还重点介绍了QLVMA-2型虚拟式模态分析仪的研制研发过程和其各个部分的功能结构。该模态分析仪采用图形化的显示操作界面,简洁明了、用户操作简单、上手快,真正体现了“虚拟”仪器的特点。该模态分析仪可以实现整个实验模态分析过程,分别为几何结构建模、结构数据采集、频响函数估计、模态参数识别、结果参数和振型动画显示、模态模型验证等。在介绍仪器功能的基础上通过简支梁的实验模态分析、钢板结构的实验模态分析、工字形梁的实验模态分析、刚性框架结构的实验模态分析、摩托车车架结构的实验模态分析等各种形状、大小的结构实验模态分析实例,验证了该仪器实验模态分析结果的正确性和适用性,并且与国内外著名的商用模态分析软件作了对比实验、与ABAQUS有限元分析软件的计算模态参数和振型作了对比实验,都充分的验证了虚拟式模态分析仪分析结果的可靠性和准确性。文章最后还对所做工作进行了总结,并且对下一步研究方向进行了展望。


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