振動測試技術(shù)模態(tài)實(shí)驗(yàn)報告

...wd......wd......wd...研究生課程論文(2013-2014學(xué)年第二學(xué)期)振動測試技術(shù)研究生：提交日期：2014年7月10日研究生簽名：學(xué)號學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院課程編號S0802013課程名稱振動測試技術(shù)學(xué)位類別碩士任課教師教師評語：成績評定：分任課教師簽名：年月日模態(tài)試驗(yàn)大作業(yè)0模態(tài)試驗(yàn)概述模態(tài)試驗(yàn)〔modaltest〕又稱試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。為確定線性振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)所進(jìn)展的振動試驗(yàn)。模態(tài)參數(shù)是在頻率域中對振動系統(tǒng)固有特性的一種描述，一般指的是系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比、振型和模態(tài)質(zhì)量等。模態(tài)試驗(yàn)中通過對給定鼓勵的系統(tǒng)進(jìn)展測量，得到響應(yīng)信號，再應(yīng)用模態(tài)參數(shù)辨識方法得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。由于振動在機(jī)械中的應(yīng)用非常普遍。振動信號中包含著機(jī)械及構(gòu)造的內(nèi)在特性和運(yùn)行狀況的信息。振動的性質(zhì)表達(dá)著機(jī)械運(yùn)行的品質(zhì)，如車輛、航空航天設(shè)備等運(yùn)載工具的安全性與舒適性；也反映出諸如橋梁、水壩以及其它大型構(gòu)造的承載情況、壽命等。同時，振動信號的發(fā)生和提取也相對容易因此，振動測試與分析已成為最常用、最基本的試驗(yàn)手段之一。模態(tài)分析及參數(shù)識別是研究復(fù)雜機(jī)械和工程構(gòu)造振動的重要方法，通常需要通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得構(gòu)造的模態(tài)參數(shù)即固有頻率、阻尼比和振型。模態(tài)實(shí)驗(yàn)的方法可以分為兩大類：一類是經(jīng)典的純模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，該方法是通過多個激振器對構(gòu)造進(jìn)展鼓勵，當(dāng)激振頻率等于構(gòu)造的某階固有頻率，激振力抵消機(jī)構(gòu)內(nèi)部阻尼力時，構(gòu)造處于共振狀態(tài)，這是一種物理別離模態(tài)的方法。這種技術(shù)要求配備復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備，測試周期也比較長；另一類是數(shù)學(xué)上別離模態(tài)的方法，最常見的方法是對構(gòu)造施加鼓勵，測量系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣，然后再進(jìn)展模態(tài)參數(shù)的識別。為獲得系統(tǒng)動態(tài)特性，常需要測量系統(tǒng)頻響函數(shù)。目前頻響函數(shù)測試技術(shù)可以分為單點(diǎn)鼓勵單點(diǎn)測量(SISO)、單點(diǎn)鼓勵多點(diǎn)測量(SIMO)、多點(diǎn)鼓勵多點(diǎn)測量(MIMO)等。單點(diǎn)鼓勵一般適用于較小構(gòu)造的頻響函數(shù)測量，多點(diǎn)鼓勵適用于大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)，如機(jī)體、船體或大型車輛機(jī)構(gòu)等。按鼓勵力性質(zhì)的不同，頻響函數(shù)測試分為穩(wěn)態(tài)正弦鼓勵、隨機(jī)鼓勵及瞬態(tài)鼓勵三類，其中隨機(jī)鼓勵又有純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)之分。瞬態(tài)鼓勵那么有快速正弦掃描鼓勵、脈沖鼓勵和階躍鼓勵等幾種方式。按鼓勵力性質(zhì)的不同，頻響函數(shù)測試分為穩(wěn)態(tài)正弦鼓勵、隨機(jī)鼓勵及瞬態(tài)鼓勵三類，其中隨機(jī)鼓勵又有純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)之分，瞬態(tài)鼓勵那么有快速正弦掃描鼓勵、脈沖鼓勵和階躍鼓勵等幾種方式。振動信號的分析和處理技術(shù)一般可分為時域分析、頻域分析、時頻域分析和時間序列建模分析等。這些分析處理技術(shù)從不同的角度對信號進(jìn)展觀察和分析，為提取與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的特征信息提供了不同的手段。信號的時域分析包括時域統(tǒng)計(jì)分析、時域波形分析和時域相關(guān)分析。對評價設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷而言，時域分析往往是初步的。頻域分析是機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測中信號處理的最重要、最常用的分析方法。工程上所測得的信號一般為時域信號，然而由于故障的發(fā)生、開展往往引起信號頻率構(gòu)造的變化，為了通過所測信號了解、觀測對象的動態(tài)行為，往往需要頻域信息。它能通過了解測試對象的動態(tài)特性，對機(jī)械的狀態(tài)做出評價并準(zhǔn)確而有效的診斷機(jī)械故障和對故障進(jìn)展定位，進(jìn)而為防止故障的發(fā)生提供分析依據(jù)。通過頻域分析把復(fù)雜的時間歷程經(jīng)傅里葉變換分解為假設(shè)干單一的諧波分量，可以獲得信號的頻率構(gòu)造以及各諧波幅值和相位信息。根據(jù)信號的性質(zhì)及變換方法的不同，常用的頻域分析方法有：頻譜、自功率譜、互功率譜、倒頻譜、細(xì)化譜、相干函數(shù)、頻響函數(shù)分析等，這些頻域分析的核心算法是快速傅里葉變換〔FFT〕。對非平穩(wěn)或時變信號的分析方法統(tǒng)稱為時頻分析，它將時域和頻域組合成一體，兼顧到非平穩(wěn)信號的要求。時頻分析方法應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，可以很好的為確定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供判斷依據(jù)。時頻分析中最重要的是短時傅里葉變(STFT)、小波變換(WT)、Wigner-Ville時頻分析和Hilbert-Huang變換。與經(jīng)典的基于FFT的分析方法不同，時間序列分析方法是對采集到的振動信號建設(shè)時間序列模型，通過對模型參數(shù)的分析識別系統(tǒng)的特性和狀態(tài)。時間序列模型有自回歸滑動平均模型(ARMA)，自回歸模型(AR)和滑動平均模型(MA)三種。目前振動信號測量與分析在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，測試和分析也開展到了較高的水平。但仍然存在很多需要解決的問題。展望未來，有如下幾方面需要突破和開展：無線智能型傳感器、傳感器的微型化及納米級構(gòu)造的動力學(xué)測試問題、更高速度的數(shù)字信號處理技術(shù)和更快的數(shù)據(jù)輸出速度、激振力無法測量情況下構(gòu)造模態(tài)參數(shù)識別、非穩(wěn)態(tài)信號的分析、非線性信號分析問題、微弱信號檢測問題、激光測振技術(shù)的進(jìn)一步開展。1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解模態(tài)測試技術(shù)的原理和實(shí)施方法。2.學(xué)會用“鼓勵法〞測量振動系統(tǒng)的模態(tài)與振型，通過軟件求得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。3.初步掌握MESCOPE軟件的使用方法以及對模態(tài)測試結(jié)果的分析方法。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備上海北智14206加速度傳感器2個〔9g，0.5~8000Hz〕，圖1〔A〕所示。PCB模態(tài)力錘086C03一個〔0.1kg，8kHz，500lb〕，圖1〔B〕所示。IOTECHZonicBook618E動態(tài)信號分析儀一臺，圖1〔C〕所示。鑄鐵薄板一個，圖1〔D〕所示?！睞〕(B)(C)(D)圖1實(shí)驗(yàn)器材3實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)測試對象是一塊300mm×300mm，中央開圓孔〔直徑為100mm〕，厚度為8mm的鐵板，采用多點(diǎn)鼓勵多點(diǎn)測量(SIMO)測試方式。實(shí)驗(yàn)的原理是：用力錘對被測物體進(jìn)展激振，錘頭內(nèi)的力傳感器和被測物體上的加速度傳感器同時記錄下脈沖鼓勵和被測物體的響應(yīng)，經(jīng)IOTECH采集處理，傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)展進(jìn)一步計(jì)算分析。數(shù)據(jù)采集完畢后，采用Mescope模態(tài)分析軟件，首先對被測對象進(jìn)展建模，導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)入模態(tài)分析，根據(jù)振動理論，分析系統(tǒng)在各階的模態(tài)，自動生成分析結(jié)果并可以生成振動的仿真動畫、各階頻率、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等參數(shù)。3.1實(shí)驗(yàn)平臺的搭建將力錘連接入IOTECH的1號通道，2個加速度傳感器分別接入2、3號通道。在被測物外表選取測點(diǎn)并編號〔如圖2〕，將加速度傳感器置于物體的24、16點(diǎn)，用數(shù)據(jù)線將IOTECH與計(jì)算機(jī)連接，連接框圖如圖3所示。開啟計(jì)算機(jī)上的Z-Analyst軟件，調(diào)整軟件即時顯示窗口為FRF窗口，沖擊脈沖Time窗口，傳感器響應(yīng)time窗口以及Coherence窗口。圖2薄板測點(diǎn)編號被測平臺加速度傳感器被測平臺加速度傳感器IOTECH計(jì)算機(jī)PCB力錘3.2IOTECH參數(shù)設(shè)置著先需要設(shè)置分析頻率。由于所分析的構(gòu)造簡單，其固有頻率比較小，因面分析頻率范圍設(shè)在0~2000Hz，奈奎斯特因子可以選取2.56。選取輸入信號作為觸發(fā)信號，由于力錘的力和操作人員有很大關(guān)系，因而可以選取10次平均以消除或降低誤差，其相應(yīng)設(shè)置見圖4〔A〕。力錘連接的1號通道設(shè)為Reference，加速度傳感器連接的2、3號通道設(shè)為Respond，并去掉其它通道前面的勾號，同時選取適宜的量程并輸入靈敏度參數(shù)，其具體設(shè)置見圖4〔B〕。FFTSetup設(shè)置中，ReferenceChannel加指數(shù)窗，ResponseChannel加矩形窗，具體設(shè)置見圖4〔C〕。(A)(B)〔C〕圖4ez-analysis數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置3.3信號采集用力捶依次敲擊被測對象的每一個測點(diǎn)，設(shè)定為連續(xù)敲擊，從每個點(diǎn)敲擊10次。在圖中顯示力的時域信，以及各輸出通道的時域信號。同時顯示相干和RFR窗口。實(shí)驗(yàn)中前3個點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)如圖5所示。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展保存，每個點(diǎn)保存一個數(shù)據(jù)文件，然后用ezAnalys將文件轉(zhuǎn)化為可用于MEScope處理的格式〔unv〕，主要保存數(shù)據(jù)的FRF信息。〔A〕(B)〔C〕圖5實(shí)驗(yàn)的采集數(shù)據(jù)〔第1-3個點(diǎn)〕3.4MEscope模態(tài)分析翻開MEscope模態(tài)分析軟件，將每個點(diǎn)的FRF導(dǎo)入軟件中進(jìn)展模態(tài)分析，算出固有頻率，阻尼系數(shù)，以及留數(shù)。在導(dǎo)入時根據(jù)點(diǎn)的不同修改DOF’s。圖6MEScope數(shù)據(jù)點(diǎn)的導(dǎo)入為了能更清晰的觀察結(jié)果，可以畫出板材的構(gòu)造圖，進(jìn)展動畫仿真。其具體步驟為：在MEscope中新建一個Structure，利用繪圖工具，根據(jù)被測物體的尺寸大致地畫出被測對象的幾何圖形，并在圖形上布置8×4的點(diǎn)陣。如圖7所示。而后導(dǎo)入三個點(diǎn)的數(shù)據(jù)，DOFs設(shè)置分別為：1Z:24Z,2Z:24Z,3Z:24Z，其中1,2,3分別表示三個敲擊點(diǎn)，4表示加速度傳感器所在的點(diǎn)，如圖8所示。然后為8×4的點(diǎn)陣標(biāo)上節(jié)點(diǎn)號，每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)敲擊點(diǎn)號及加速度傳感器所在的點(diǎn)。將采集到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入到模型中，導(dǎo)入成功后，動畫效果會自動顯示。圖7繪制被測件的構(gòu)造圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照上述的方法對實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果導(dǎo)入到MEScope軟件中進(jìn)展分析，各點(diǎn)測量的結(jié)果經(jīng)分析得到固頻，阻尼系數(shù)，以及留數(shù)。圖8〔A〕為頻率響應(yīng)函數(shù)〔RFR〕重疊后的總體曲線，由此圖可以看出被測物體固有頻率的大致分布。圖8〔B、C〕為經(jīng)MEScope計(jì)算得到的固有頻率。從圖中可知，當(dāng)分析頻率范圍設(shè)在了0至2000Hz，軟件在該頻段中識別出了7個模態(tài)。〔A〕〔B〕〔C〕圖8MEScope分析結(jié)果為了能更好的觀察系統(tǒng)的振型，在導(dǎo)入測量數(shù)據(jù)后，可以繼續(xù)畫出系統(tǒng)的構(gòu)造圖，通過生成各階固有頻率的動畫，可以直觀的看到振動情況，其各振型如圖9所示?！睞〕一階振型〔B〕二階振型〔C〕三階振型〔D〕四階振型〔E〕五階振型〔F〕六階振型〔G〕七階振型圖9模型各階振型動畫5實(shí)驗(yàn)總結(jié)1．力錘擊振法屬于瞬態(tài)測試技術(shù)的一種方法，該方法雖然簡單，但也有其固有的缺陷，比方敲擊的方向和波形不易控制，重復(fù)性較差。反映在本次試驗(yàn)上，由于敲擊力度和時間間隔把握不是很好，每個點(diǎn)的10次敲擊相干性并不是太好，造成了其相干系數(shù)值并不在1附近波動。2．為了能夠獲得比較準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)，試驗(yàn)的各個環(huán)節(jié)