模态分析实验指导书 实验名称振动结构的实验模态分析 附录1 QL-108数据采集箱使用说明书 附录2 QL-021二通道电荷电压放大及十六通道接口使用说明书附录3 随机信号与振动分析系统CRAS V5.1
实验名称振动结构的实验模态分析 一、实验内容 用锤击激振法测量振动结构的模态参数。 二、实验目的 1、通过实验模态分析实验的全过程，了解实验模态分析的基本方法。 2、了解模态分析软件的使用方法。 三、实验原理 3.1模态试验基本过程 二十年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程： 1．动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析。 (1) 激励方法：试验模态分析是在试验室内人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）、多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。 (2) 数据采集：SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。 (3) 时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。 2．建立结构数学模型。根据已知条件，建立一种描述结构状态及
模态分析理论 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT
模态分析指的是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。首先建立结构的物理参数模型，即以质量、阻尼、刚度为参数的关于位移的振动微分方程；其次是研究其特征值问题，求得特征对（特征值和特征矢量），进而得到模态参数模型，即系统的模态频率、模态矢量、模态阻尼比、模态质量、模态刚度等参数。 特征根问题 以图3所示的三自由度无阻尼系统为例，设123m =m =m =m ，123k =k =k =k ， 图三自由度系统 其齐次运动方程为： mz?+kz =0（8） 其中m ，k 分别为系统的质量矩阵和刚度矩阵， 12 3m 00m 00m=0m 0=0m 000m 00m ????????????????????，1 12 1222 1k -k 0k -k 0k=-k k +k -k =-k 2k -k 0 -k k 0-k k ???? ???????????????? ，则运动方程展开式为： ¨1 1¨22¨33z m 00k k 0z 00m 0z k 2k k z 000m 0k k z 0z ?? ??-???????? ??????????+--=????????????????????-???????????? （9） 定义主振型 由于是无阻尼系统，因此系统守恒，系统存在振动主振型。主振型意味着各物理坐标振动的相位角不是同相（相差0o ）就是反相位（相差180o ），即同时达到平衡位置和最大位置。主振型定义如下： ()i i j ωt+i i sin ωt+=Im(e )φφi mi mi z =z z （10）
EDM-Modal 模态分析软件的标准模态分析是一套完整的分析流程，包括从FRF数据选择到模态参数识别，再到结果验证和振型动画。 模态实验完成后，所有的FRF数据可用来进行下一步的模态分析。用户也可以从外部导入需要的FRF数据，增加或替换某些FRF信号。编辑完成的FRF 数据列表可导出到本地成为一个已选择集合，也可以导入已选择的集合直接用于分析。这些操作集中在“模态数据选择”模块。所有的FRF数据都能在模块浏览，同时几何模型显示已选择信号的测点，信号窗口分单独显示和集中显示两种方式浏览信号。 单击“模态参数”健，模态辨识过程将被启动。模态指示函数（MIF），包括MMIF，CMIF, RMIF，虚部集总，以及Mag集总，有助于指示重根和高度偶合的根（模态）。 稳态图（Stability Diagram）是模态参数识别的一种迭代方法。在标准模态分析中，我们使用最小二乘复指数法（LSCE）识别出所有极点。在稳态图中可以选择稳定的物理极点（而不是计算极点），使用最小二乘频域法进行用于下一步的振型计算。 计算出的振型结果将被保存并用以进行振型的动画显示。模态置信准则
（MAC）和FRF综合都可用来验证模态参数的正确性。 ★EDM Modal 标准模态分析主要特征如下： ①易用的模态数据选择 ②采用反卷积使信号平滑（仅限OMA模态测试） ③模态指示函数：Multivariate MIF, Complex MIF, Real MIF, Image Sum 自定义需要进行参数辨识的频段 ④稳态图 ⑤提供曲线拟合算法LSCE ⑥模态形状计算的最小二乘频域(LSFD)算法 ⑦可编辑的模态振型表 ⑧模态振型动画自/互MAC计算和显示 ⑨拟合FRF与测量FRF对比输入/输出振型：UFF格式 ★EDM Modal模态支持的功能如下： ①几何模型的创建/编辑/导入/导出/动画。 ②工作变形分析(ODS) ③锤击法模态实验
“蓝·创未来”广告是2010年北京国际车展上大众汽车倾力打造的一幅环保广告，当时从车展现场到北京大街小巷的候车亭里都贴满了这幅广告。选择该广告作为个案研究对象的原因有三：第一，这则广告尽管构图非常简单，却具备了语言、图形和颜色三个模态；第二，这幅广告的独特之处在于，颜色模态居于主导地位，而非语言或图像模态；第三，这幅广告具有鲜明的时代意义。从2009年底的哥本哈根世界气候峰会到国家战略性新兴产业规划①的出台，从“十二·五”规划到2011年9月6日胡锦涛主席在首届亚太经合组织林业部长级会议上发表的题为《加强区域合作实现绿色增长》的致辞，都反映了我国政府实现节能减排、低碳环保、绿色经济的强大决心和战略部署。而我国汽车业也进入了开发新能源、打造新能源汽车的历史阶段。所以这则广告非常契合目前中国大力倡导绿色经济的国家战略，是很有代表性的现代环保广告，内容洗练，留给人们很大的想象和思考空间。 大众汽车集团（中国）总裁兼CEO范安德博士向记者介绍大众汽车品牌“Think Blue （蓝·创未来）”的理念 一、多模态和多元识读概念的产生以及目前大学生多元识读能力现状的调查 随着科学技术的进步和社会生活的日益丰富多彩，人与人之间的交流方式正在发生着巨大变化。在公共交流的很多方面，我们可以深深感受到语言符号以及其他传统习惯中被人们认为是副语言的图像、音乐、颜色等，越来越多地处于突出、甚至是一种优势和中心的地位（韦琴红，2009）。作为单一模态的语言为主导的交流时代已经发展到了多模态交流的时代。然而，丰富多彩的符号资源是如何参与意义构建（meaning making）的、符号系统之间存在何种关系、人们如何解读充满多元符号系统的文本或其他载体，这些亟待解决的问题于20世纪90年代催生了一个新的研究领域——多模态话语分析（multimodal discourse analysis）。基于此，多元识读能力的概念也就应运而生。多元识读能力（multiliteracy），也称多模态识读能力，是新伦敦小组（New London Group）于2000年提出的概念，指具有能阅读所能接触到的各种媒体和模态的信息，并能循此产生相应的材料，如阅读互联网或互动的多媒体。Spiliotopoulos对多元识读有更宽广的视野，认为它指人们能从多种信息传递和信息网络理解各种模态的语篇，能发展批评性思维的技能，能与他人合作并帮助他们发展跨文化意识。根据现有材料，多元识读能力是多层次的，其中最高层次的能力要求参与者不仅能识读语篇信息，能解释符号和图像，利用多媒体和其他技术工具，如互联网，实现意义构建、学习和与他人互动（胡壮麟，2007；韦琴红，2009）。 多模态话语分析的概念和理论研究还处于初始阶段，国内外只有少数专家、学者从事该领域的研究。目前，人们多元识读的意识还几乎没有建立起来。然而，对于担当未来社会文化传播主力军的大学生而言，进行多元识读能力的培养有着非常重要的现实意义和时代意义。 为此，笔者选取了“2010北京国际车展”的大众汽车“蓝·创未来”环保广告为研究个案，以问卷调查和访谈的形式调查了北京部分高校不同年级的近200名本科生，尤其是英语专业本科生，了解其多元识读意识和能力。根据调查和访谈结果，笔者对大学生对该则广告解读的情况进行了总结： 1.大约92%的学生都能解读出蓝色代表海洋、天空，象征着清洁、环保的未来。这也说明颜色在这则广告中发挥的重要作用。 2.只有大约2%的学生，提及了广告把文字和颜色结合了起来，能够想到“Think”表示行动，广告要求大家用环保的思维方式去思考，然后行动，还世界一片蓝天。 3.大约3%的学生认为这则广告中的蓝色代表自由，目的是激起人们自由弛骋的想象，这是对广告的错误解读。 4.还有大约3%的学生提出，这则广告信息量太少，如果教师不提示是大众汽车的广告，
模态分析中的几个基本概念 物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定的比例关系的，可以用一个向量表示，这个就称之为模态。模态这个概念一般是在振动领域所用，你可以初步的理解为振动状态，我们都知道每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。有限元中模态分析的本质是求矩阵的特征值问题，所以“阶数”就是指特征值的个数。将特征值从小到大排列就是阶次。实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶。但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态，所以计算时根据需要计算前几阶的。一个物体有很多个固有振动频率（理论上无穷多个），按照从小到大顺序，第一个就叫第一阶固有频率，依次类推。所以模态的阶数就是对应的固有频率的阶数。振型是指体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。每一阶固有频率都对应一种振型。振型与体系实际的振动形态不一定相同。振型对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列，来说第一振型，第二振型等等。此处的振型就是指在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则振动周期越小。在实验中，我们就是通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时频率即为固有频率。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。 固有频率也称为自然频率( natural frequency)。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关（如质量、形状、材质等），称为固有频率，其对应周期称为固有周期。 物体做自由振动时，其位移随时间按正弦规律变化，又称为简谐振动。简谐振动的振幅及初相位与振动的初始条件有关，振动的周期或频率与初始条件无关，而与系统的固有特性有关，称为固有频率或者固有周期。 物体的频率与它的硬度、质量、外形尺寸有关，当其发生形变时，弹力使其恢复。弹力主要与尺寸和硬度有关，质量影响其加速度。同样外形时，硬度高的频率高，质量大的频率低。一个系统的质量分布，内部的弹性以及其他的力学性质决定 模态扩展是为了是结果在后处理器中观察而设置的，原因如下： 求解器的输出内容主要是固有频率，固有频率被写到输出文件Jobname.OUT 及振型文件Jobnmae.MODE 中，输出内容中也可以包含缩减的振型和参与因子表，这取决于对分析选项和输出控制的设置，由于振型现在还没有被写到数据库或结果文件中，因此不能对结果进行后处理，要进行后处理，必须对模态进行扩展。在模态分析中，我们用“扩展”这个词指将振型写入结果文件。也就是说，扩展模态不仅适用于Reduced 模态提取方法得到的缩减振型，而且也适用与其他模态提取方法得到的完整振型。因此，如果想在后处理器中观察振型，必须先扩展模态。谱分析中的模态合并是因为激励谱是其实是由一系列的激励组合成的一个谱，里面的频率不会是只有一个，而不同的激励频率对于结构产生的结果是不一样的，对于结果的贡献也是不一样的，所以要选择模态组合法对模态进行组合，得到最终的响应结果。
模态分析实验报告 姓名： 学号： 任课教师： 实验时间： 指导老师： 实验地点：
实验1 传递函数的测量 一、实验内容 用锤击激振法测量传递函数。 二、实验目的 1)掌握锤击激振法测量传递函数的方法； 2)测量激励力和加速度响应的时间记录曲线、力的自功率谱和传递函数； 3)分析传递函数的各种显示形式（实部、虚部、幅值、对数、相位）及相干函 数； 4)比较原点传递函数和跨点传递函数的特征； 5)考察激励点和响应点互换对传递函数的影响； 6)比较不同材料的力锤锤帽对激励信号的影响； 三、实验仪器和测试系统 1、实验仪器 主要用到的实验仪器有：冲击力锤、加速度传感器，LMS LMS-SCADAS Ⅲ测试系统，具体型号和参数见表1-1。 仪器名称型号序列号灵敏度备注 数据采集和分析系统LMS-SCADAS Ⅲ比利时力锤2302-10 3164 2.25 mV/N 加速度传感器100 mV/g 丹麦B&K 表1-1 实验仪器 2 、测试系统 利用试验测量的激励信号(力锤激励信号)和响应的时间历程信号，运用数字信号处理技术获得频率响应函数(Frequency Response Function, FRF)，得到系统的非参数模型。然后利用参数识别方法得到系统的模态参数。测试系统主要完成力锤激励信号及各点响应信号时间历程的同步采集，完成数字信号的处理和参数的识别。 测量分析系统的框图如图1-1所示。测量系统由振动加速度传感器、力锤和比利时LMS公司SCADAS采集前端及Modal Impact测量分析软件组成。力锤及加速度传感器通过信号线与SCADAS采集前端相连，振动传感器及力锤为ICP
多模态批评话语分析 随着互联网和多媒体的迅速发展和广泛应用,语言文本不再是交际的唯一手段,图像、手势、动作、颜色、声音等其他非语言符号也成为信息传递的重要方式。我们生活在一个由多种符号资源构成的社会中,意义的构建不再单纯依靠语言文本,而是越来越依赖各种符号资源的整合。人类交流所依赖的媒介和渠道被称之为“模态”(modality),例如:语言、声音、颜色、图像、手势等符号系统。作为人类的一种重要交际行为,话语自然具有多模态性。传统的话语分析以大于句子的语言单位作为研究对象,对实际使用中的语言进行观察和分析,研究语言的组织结构、使用特点、语法规律、语言中的制约因素等内容,忽略了能够传递大量重要信息的其他非语言符号。可见,传统的话语分析已经不能满足人们的实际交际需要,多模态话语分析符合当下信息时代发展的要求和趋势。多模态话语分析为人类理解丰富多彩的符号系统提供了新视角,目前已发展成为一种重要的话语分析方式。像语言一样,视觉符号和声音符号貌似正常或中立(平淡无奇),实则隐含着个人或社会团体的不公正、偏见和歧视。因此,在多模态话语分析中,我们应坚持批评的立场,给予非语言模态符号足够的重视,关注其中含而不露的意识形态意义,尤其是那些被人们习以为常的思想和观点。在多模态话语和批评话语分析互相影响
和借鉴的基础上,多模态批评话语分析应运而生。 20世纪90年代,多模态话语分析在西方开始兴起,引起越来越多语言学家的关注。传统意义上的话语分析注重分析语言符号系统和语义结构本身,忽略了对其他符号系统(例如:图像、声音、颜色、手势等)的研究。随着现代科学技术的发展,人类交际开始依靠多种模态共同完成,包括图像、音乐、声音、颜色等。而这种运用语言、图像、声音、动作等多种符号资源进行交际的现象就是“多模态话语”(multimod aldis-course)。学界对交际中出现的图像、手势、姿态以及空间的运用也产生了浓厚兴趣。学者们认识到,对于意义理解不仅需要对话语语言的分析,更要对独立或相互依赖的其他符号资源进行研究。法国语言学家BarthesRlando是最早从事多模态话语分析研究的学者之一。他在1977年发表的论文《形象的修辞》中探讨了图像在表达意义上与语言的相互作用[1]。Kress和VanLeuwene[2][3][4](P343-368)[5](P35-50)作为社会符号学的代表研究了模态与媒体的关系,在系统功能语言学的基础上,构建了视频话语的分析模式和多模态话语分析框架,探讨了多模态符号表达意义的现象,包括视觉图像、颜色语法以及报纸的版面设计和不同媒介的作用等方面。2007年,朱永生[6](P82-86)提出了两种多模态话语的识别标准:(1)同时使用两种模态的话语叫做“多模态话语”;(2)只涉及一种模态,但包含两个或更多符号系统的话语也是“多模态话语”,比如:视觉
研究生学院 机械工程专业硕士结课作业 课程题目：机械结构模态分析实验 指导老师： 姓名： 学号： 2015年08月23日
一、概述 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果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，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。 振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。 机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动模态各不相同。模态分析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。 模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 模态分析技术的应用可归结为以下几个方面： 1) 评价现有结构系统的动态特性； 2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计； 3) 诊断及预报结构系统的故障； 4) 控制结构的辐射噪声； 5) 识别结构系统的载荷 二、实验的基本过程 1、动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析 （1）激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。 （2）数据采集。SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。 （3）时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。
20世纪90年代西方兴起了多模态话语分析，为 由多种符号组成的语篇分析提供了途径。此种分析方法能帮助读者了解不同模态作为社会符号如何共同作用构成意义，达到意义潜势，对提高人们多模式话语识读具有积极的意义。随着科技的不断进步，人们的生活越来越丰富多彩，各种多媒体充斥着人们的生活，多模态话语分析也越来越多地被应用于影视戏剧、电视广告、FLASH 、大型演出及舞台表演等等。本文拟以功能语言学理论和视觉语法为基础，结合声音系统，以电影语篇目前最为流行的《喜羊羊与灰太狼之虎虎生威》（下简称《虎虎生威》）为例进行多模态话语分析，旨在提高人们多模态话语识读能力及为观众赏析此电影提供一个新的视角。 一、理论背景 1.多模态语篇 朱永生提到了识别多模态语篇的两个判断标准。首先是看涉及的模态种类的多少。[1]模态指交流的渠道和媒介，包括语言、技术、图象、颜色、音乐等符号系统。准确地说，有视、听、嗅、触、味五个感官，五种交际渠道，即“五个模态”。例如看电视时，我们通过视觉模态观看电视画面，通过听觉模态收听声 音。其次，判断多模态语篇还可以看涉及符号系统的多少。例如小说中的插图，通常情况下只涉及一种视觉模态，但它还包含文字、图画、色彩的变化以及印刷体式的调整等。再如，电视广告，不仅包含视觉模态，还有听觉模态。简而言之，多模态语篇就是指涉及多种感知模态或由一种以上符号系统共同编码构建整体意义、传递信息的文本。 2.多模态话语分析 多模态话语分析的主要理论基础是Halliday 创立的系统功能语言学理论，其出发点是语言是社会符号。Halliday 认为语言系统中有三个用来表示功能意义的元功能，或称纯理功能：概念功能、人际功能和语篇功能。其中概念功能指语言对人们在现实世界(包括内心世界)中各种经历加以表达的功能，人际功能指讲话者运用语言参加社会活动的功能，语篇功能指语言用于组织信息的功能。Halliday 建构功能语法的目的是为语篇分析提供一个理论框架，这个框架可以用来分析英语中任何口头或书面语篇。 [2]32 Kress 和van Leeuwen 以halliday 的系统功能 语言学理论为基础，在将图像也看作社会符号的前提下，将Halliday 功能语言学中的纯理功能思想延 收稿日期：2010-12-17 作者简介：郭思斯（1986-），女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事英语语言学研究。 《喜羊羊与灰太狼之虎虎生威》的多模态话语分析 郭思斯 （南京师范大学外国语学院，江苏南京 210097） 摘 要：由于电影话语分析涉及到图像、音乐、语言、声音、文本等多种符号模态，以往人们常从 文学评论、电影评论、心理学、美学等宏观角度出发对其进行探讨，而较少使用以语言学为切入点的语篇分析方法。通过从再现意义、互动意义和构图意义上讨论电影《喜洋洋与灰太狼之虎虎生威》中虎威太岁拜年的图像意义表达方式，从电影的角度分析虎威太岁出场的场景、场面调度、画格，从动 画的独特特点分析该电影中各个动画人物色彩等各级阶符号，以及从图像、文字如何与听觉模态音乐等互动方面分析其背景音乐及片尾插曲，可以发现多模态话语分析理论在动画电影分析中具有可行性。 关键词：多模态话语分析；动画电影；图像符号系统；声音符号系统中图分类号：H0-06 文献标识码：A 文章编号：1673-1972（2011）02-0098-04 第13卷第2期石家庄学院学报 Vol.13，No.22011年3月 Journal of Shijiazhuang University Mar.2011
结构动态测量（模态分析） 实验讲义
模态实验 实验目的 利用动态信号测量采集分析系统对铝板进行模态分析实验，获取试件的前三阶振型与对应的固有频率，并利用有限元方法进行验算，对比分析得到结果。 使用仪器器材 （1）基本仪器：力锤（电压型）、动态信号测试分析仪(东华DH5927N)、加速度传感器（电压型）、便携式计算机 （2）软件：动态测试采集软件（DHDAS5927N动态信号采集分析系统）与模态分析软件（DHMA模态分析软件演示版） （3）其他仪器：数据连接线、数据线转接头、仪器电源线、传感器固定螺杆、水晶头、力锤数据线、水晶头网线、接地线、扳手、老虎钳、计算器、直尺、游标卡尺、502胶、砂纸、记号笔、酒精、抹布、胶布 （4）实验试件：铝板（588mmX372mmX8mm）、固定螺母、多功能实验台 1.1 重要仪器介绍 力锤： 本实验用的力锤中的传感器属于是电压型传感器，见附件图1.1，线一端接在力锤上，另外一端直接连在信号采集仪。力锤头可以由多种材料制成，常见的有钢质、铝制、树脂制、橡胶制，还有不同的大小规格。在实际使用时应该根据结构的材质、尺寸、分析频率范围来进行选取。本实验得试件为铝板，前三阶固有振动频率较低（<500Hz），可使用质地较软的树脂头力锤进行实验。 动态信号测试分析仪： 见附件图1.3(a)，一共有若干个输入通道，其中一个接力锤，其他接加速度传感器。见附件图1.3(b)，背部有一端口，通过网线与电脑相连，传输数据，并由电脑软件端控制测量采集的主要参数。 1.2 实验基本步骤 （1）试件划线、粘贴水晶头 （2）安防仪器，连接线路 （3）调试软件，测试测量
点，有图可知节点并不唯一，而且修改前后节点的位置未变。对应尽可能避开结构振动的节点，以免给测量带来误差。４．４试验模态分析 试验模态分析的目的是为了验证理论模态分析的正确性的基础上进行深入研究奠定基础。 ４．４．１试验模态分析的理论基础阻１所以在进行模态实验为在理论模态分析 在物理坐标下，描述Ｎ自由度离散振动系统的运动微分方程为 阻】耕＋【ｃ】扛｝＋医】Ｍ＝沙｝（４．２）式中：【Ｍ］——质量矩阵（对称且正定），Ｍ∈Ｒ～， 【Ｃ】——阻尼矩阵，Ｃ∈Ｒ“”， 晖】——刚度矩阵（对称且正定或半正定），Ｋ∈Ｒ“”， ｛ｘ），｛卦，｛封——Ｎ维位移、速度和加速度响应向量， ｛厂（ｒ））——＿Ｎ维激振力向量。 设系统的初始状态为零，对式（４．２）两边进行拉普拉斯变换可得 （［Ｍｌｓ２“Ｃ］ｓ＋【Ｋ］）｛Ｘ０））＝【Ｚ（ｓ）］｛工０））＝｛Ｆ０））式中的矩阵 【Ｚ（ｓ）］－（［Ｍ］ｓ２＋［ｃ］ｓ＋［Ｋ】） 反映了系统的动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵，其逆阵 ［日（５）】＝［Ｚ（ｓ）】～＝（【Ｍ］ｓ２＋【Ｃ］ｓ＋［Ｋ］）。１称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。由式（２．２）可知 ｛ｘ（Ｊ））＿【日０）】（Ｆ（Ｊ）｝ 在上式中．令Ｓ＝ｊｏＪ，即可得到系统在频域内输出和输入的关系式 ｛并（国）｝＝【日（脚）】（Ｆ（国））（４．３）（４．４）（４．５）（４．６）（４．７） 式中［Ｈ（ｃｏ）】为频率响应函数矩阵。［Ｈ（∞）】矩阵中第ｆ行＿，列的元素 ％（叻２篇（４８）表示仅在』坐标激振（其余坐标激振力为零）时，ｉ坐标的响应与激振力之比。 在式（４．４）中令Ｓ＝＿，∞，可得阻抗矩阵
注：3月20号，周二课程内容主要是完成下面实验四 特别注意：本周六没课，本五周23号，8:00--12:00有课------------------------------------------------------------------------------------- 实验四MEMS薄膜压力传感器静力学分析 一、实验目的 1、掌握静力学分析 2、验证理论分析结果 3、对不同形状膜的分析结果进行对比 二、实验器材 能够安装ANSYS软件，内存在512MHz以上，硬盘有5G空间的计算机 三、实验说明 （一）基本思路 1、建模与网格化 2、静力学分析 3、对结果进行分析和比较 （二）问题描述： 由于许多压力传感器的工作原理是将受压力作用而变形的薄膜硅片中的应变转换成所需形式的电输出信号，所以我们要研究比较一下用什么样形状的膜来作为压力传感器的受力面比较好。我们比较的膜形状有三种，分别是圆形. 正方形. 长方形。在比较的过程中，三种形状膜的面积.，厚度和承受的压力是都是相等的。设置参数具体为：F=0.1MPa, EX=1.9e11,PRXY=0.3,DENS=2.33e3.单元尺寸为5e-006。为了选
择合适的网格化类型，首先我们拿圆的结构进行一下比较，最后选择比较接近理论计算的网格化类型，通过比较，我们知道映射网格化类型比较优越，所以后面的两种类型膜结构选择了映射网格化。 四、实验内容和步骤 圆形薄膜1 1.先建立一个圆形薄膜：Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>volumes>solid cylinder.弹出以个对话 框如图，输入数据如图4-1，单击OK. 图4-1 2.设置单元类型：Main Menu>Preprocessor>element type>add/edit/delete,弹出一个对话框，点击add,显示library of element type对话框如图：在library of element type下拉列表框中选择structural solide 项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK. 在点击close.如图4-2.
机床的模态分析方法综述 甄真 (北京信息科技大学机电工程学院，北京100192) 摘要：模态分析是研究机械结构动力特性的一种近代方法，是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。机床在工作时,由于要承受各种变载荷而产生振动,其精度和寿命会受到影响。因此有必要对机床进行模态分析,了解其动态特性,以便进一步分析和改进。本文概述了模态分析的概念、研究意义及发展历史，介绍了机床模态分析的研究现状, 从理论方法与试验方法两方面指出了其关键技术以及研究发展方向。 关键词：模态分析；动态特性；机床；理论方法；实验方法 Summary of the model analysis method of machine tool ZHEN Zhen (Beijing Information Science & Technology University, Mechanical and Electrical Engineering College, Beijing, 100192) Abstract：Modal analysis is a modern method to study the dynamic characteristics of mechanical structure. It’s an important method in structure dynamic design and fault diagnosis of equipment.Its accuracy and lifetime will be affected due to withstand all kinds of variable load and vibration when the machine tool works.So it is necessary to make modal analysis and to understand the dynamic characteristics for machine tool in order to further analyze and improve. This paper summarizes the concept, significance and history of modal analysis and introduces the research status of model analysis of machine tool. It also points out the key technology and research direction in this field from two aspects of theoretical method and experimental method. Key words:model analysis; dynamic characteristics; machine tool; theoretical method; experimental method 0 引言 模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析是一种研究机械结构动力的方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析法搞清楚了结构物在某一个易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法[1]。 模态分析将构件的复杂振动分解为许多简单而独立的振动，并用一系列模态参数来表征的过程。根据线性叠加原理，一个构件的复杂振动是由无数阶模态叠加的结果。在这些模态中。模态分析最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析主要分为3类方法：一是，基于计算机仿真的有限元分析法；二是，基于输入(激励)输出(响应)模态试验的试验模态分析法；三是，基于仅有输出(响应)模态试验的运行模态分析法。有限元分析属结构动力学正问题，但受无法准确描述复杂边界条件、结构物理参数和部件连接状态等不确定性因素的限制难以达到很高的精度。第二、三类方法属结构动力学反问题，基于真实结构的模态试验。因而能得到更准确
各种模态分析方法总结与比较 一、模态分析 模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。 模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果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，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率围各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段在外部或部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 二、各模态分析方法的总结
（一）单自由度法 一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。但是如果假定在给定的频带只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法n1。在给定的频带围，结构的动态特性的时域表达表示近似为： ()[]}{}{T R R t r Q e t h r ψψλ= 2-1 而频域表示则近似为： ()[]}}{ {()[]2ωλωψψωLR UR j Q j h r t r r r -+-= 2-2 单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机存。 这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。然而实际情况通常并不是这样的，所以就需要用包含若干模态的模型对测得的数据进行近似，同时识别这些参数的模态，就是所谓的多自由度(MDOF)法。 单自由度算法运算速度很快，几乎不需要什么计算和计算机存，因此在当前小型二通道或四通道傅立叶分析仪中，都把这种方法做成置选项。然而随着计算机的发展，存不断扩大，计算速度越来越快，在大多数实际应用中，单自由度方法已经让位给更加复杂的多自由度方法。 1、峰值检测 峰值检测是一种单自由度方法，它是频域中的模态模型为根据对系统极点进行局部估计(固有频率和阻尼)。峰值检测方法基于这样的事实：在固有频率附近，频响函数通过自己的极值，此时其实部为零(同相部分最
精品资料 悬臂梁各阶固有频率及主振形的测定试验 一、实验目的 1、用共振法确定悬臂梁横向振动时的前五阶固有频率； 2、熟悉和了解悬臂梁振动的规律和特点； 3、观察和测试悬臂梁振动的各阶主振型，分析各阶固有频率及其主振型的实测值与理论计算值的误差。 二、仪器和设备 悬臂梁固定支座；脉冲锤1个；圆形截面悬臂钢梁标准件一个；加速度传感器一个；LMS振动噪声测试系统。 三、实验基本原理 瞬态信号可以用三种方式产生,分述如下： 一是快速正弦扫频法.将正弦信号发生器产生的正弦信号,在幅值保持不变的条件下,由低频很快地连续变化到高频.从频谱上看,该情况下,信号的频谱已不具备单一正弦信号的特性,而是在一定的频率范围内接近随机信号. 二是脉冲激励.用脉冲锤敲击试件,产生近似于半正弦的脉冲信号.信号的有效频率取决于脉冲持续时间τ,τ越小则频率范围越大. 三是阶跃激励.在拟定的激振点处,用一根刚度大、重量轻的弦经过力传感器对待测结构施加张力,使其产生初始变形,然后突然切断张力弦,相当于给该结构施加一个负的阶跃激振力. 用脉冲锤进行脉冲激振是一种用得较多的瞬态激振方法,它所需要的设备较
少,信号发生器、功率放大器、激振器等都可以不要,并且可以在更接近于实际工作的条件下来测定试件的机械阻抗. 四、实验结果记录 前五阶固有频率表 阶数固有频率（Hz） 1 8.491 2 54.216 3 154.607 4 304.354 5 494.691 实验测得的前五阶振型图如下： 1阶振型图
2阶振型图 3阶振型图 4阶振型图
5阶振型图 五、理论计算悬臂梁固有频率 圆截面悬臂钢梁有关参数可取：Pa E 11101.2?=,7850=ρkg/3 m 。用直尺测 量悬臂梁的梁长L=1000mm 、梁直径D=12mm 。计算简支梁一、二、三、四阶固有频率和相应的振型，并将理论计算结果填入表。 悬臂梁的振动属于连续弹性体的振动，它具有无限多自由度及其相应的固有频率和主振型，其振动可表示为无穷多个主振型的叠加。对于梁体振动时，仅考虑弯曲引起的变形，而不计剪切引起的变形及其转动惯量的影响，这种力学分析 模型称为欧拉-伯努利梁。 运用分离变量法，结合悬臂梁一端固定一端自由的边界条件，通过分析可求得均质、等截面悬臂梁的频率方程 1 L Lch cos -=ββ （5-1） 式中：L ——悬臂梁的长度。 梁各阶固有频率为 4 2 2(Al EI l f i i ρπ β）= （5-2） 悬臂梁固有圆频率及主振型函数
模态分析理论 Revised as of 23 November 2020
模态分析指的是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。首先建立结构的物理参数模型，即以质量、阻尼、刚度为参数的关于位移的振动微分方程；其次是研究其特征值问题，求得特征对（特征值和特征矢量），进而得到模态参数模型，即系统的模态频率、模态矢量、模态阻尼比、模态质量、模态刚度等参数。 特征根问题 以图3所示的三自由度无阻尼系统为例，设123m =m =m =m ，123k =k =k =k ， 图三自由度系统 其齐次运动方程为： mz?+kz =0（8） 其中m ，k 分别为系统的质量矩阵和刚度矩阵， 12 3m 00m 00m=0m 0=0m 000m 00m ????????????????????，1 12 1222 1k -k 0k -k 0k=-k k +k -k =-k 2k -k 0 -k k 0-k k ???? ???????????????? ，则运动方程展开式为： ¨1 1¨22¨33z m 00k k 0z 00m 0z k 2k k z 000m 0k k z 0z ?? ??-???????? ??????????+--=????????????????????-???????????? （9） 定义主振型 由于是无阻尼系统，因此系统守恒，系统存在振动主振型。主振型意味着各物理坐标振动的相位角不是同相（相差0o ）就是反相位（相差180o ），即同时达到平衡位置和最大位置。主振型定义如下： ()i i j ωt+i i sin ωt+=Im(e )φφi mi mi z =z z （10）
模态分析理论 1模态分析简介 1.1 模态简介 模态是结构固有的振动特性，每一个模态具有一个特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由分析软件分析取得，也可以经过试验计算获得，这样一个软件或者试验分析过程称为模态分析。这个分析结果如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果结果是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，称为试验模态分析。模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。 1.2 固有频率简介 固有频率是物体的一种物理特性，由它的结构、大小、形状等因素决定的。这种物理特征不以物体是否处于振动状态而转移。当物体在多个频率上振动时会渐渐固定在某个频率上振动，当他受到某一频率策动时，振幅会达到最大值，这个频率就是物体的固有频率。 1.3 振型简介 振型是指体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。每一个物体实际上都会有无穷多个固有频率，每一阶固有频率相对应物体相对应的形状改变我们称之为振型。理论上来说振型也有无穷多个，但是由于振型阶数越高，阻尼作用造成的衰减越快，所以高振型只有在振动初期才较明显，以后则衰减。因此一般情况下仅考虑较低的几个振型.
1.4模态分析的目的 模态分析技术从上世纪60年代开始发展至今，已趋于成熟。它和有限元分析技术一起，已成为结构动力学中的两大支柱。到目前，这一技术已经发展成为解决工程振动问题的重要手段，在机械、航空航天、土木建筑、制造化工等工程领域被广泛的应用。我国在这一方面的研究，在理论上和应用上都取得了很大的成果，处于世界前列。 模态分析的最终目标就是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性的分析、振动故障的诊断和检测以及结构的优化提供依据。模态分析技术的应用可归结为以下几个方面： 1) 评价所求结构系统的动态特性； 2) 在新产品设计中进行结构特性的预估，优化对结构的设计； 3) 诊断及预报结构系统中的故障； 4) 识别结构系统的载荷。 在本课题中，模态分析主要的目的是就是通过软件模拟来确定立柱原结构和改进过后结构的固有频率，通过模态分析方法得到的固有频率是多阶的。其中第一阶固有频率最小，能量最大，意思就是当外激频率与一阶频率相近时，极易发生共振，使得立柱振幅增大，影响磨头的加工精度和磨床的使用寿命。模态分析方法为原结构和改进结构的对比提供一个依据，帮助我们改进立柱结构以达到对立柱最优化的改进目的。 2 常用分析软件Abaqus介绍 由于计算机硬件设备和数值仿真技术的快速发展，是我们能够通