各种激励信号的设置及瞬态分析 2

瞬态信号分析与处理在旋转机械状态监测与故障诊断过程中，通常将启、停机过程的信号称为“瞬态信号”。

相对于此，将机器正常运行时的信号称为“稳态信号”，这是一种特定场合下的习惯叫法。

在启、停机过程中，转子经历了各种转速，其振动信号是转子系统对转速变化的响应，是转子动态特性和故障症兆的反映，包含了平时难以获得的丰富信息。

特别是通过临界转速时振动、相位的变化信息。

因此，启、停机过程分析是转子检测的一项重要工作。

需要说明的是，为实现对机器启、停机信号的采集并为瞬态信号的分析提供条件，要求对信号进行同步整周期采集，这就需要引入键相位信号，以实现转速的测量和采集的触发。

如果不能引入键相位信号，那么对瞬态信号的采集就不完整，分析的结果也就不完整，特别是相位谱，就没有明确的物理慨念。

用于启、停机过程瞬态信号的分析方法很多，除轴心轨迹、轴心位置和相位分析以外，主要通过奈奎斯持图、波德图和瀑布图来了解启、停机过程的特性。

一、跟踪轴心轨迹轴心轨迹是轴心相对于轴承座的运动轨迹，它反映了转子瞬时的涡动状况。

对轴心轨迹的观察有利于了解和掌握转子的运动状况。

跟踪轴心轨迹是在一组瞬态信号中，相隔一定的时间间隔(实际上是相隔—定的转速)对转子的轴心轨迹进行观察的一种方法。

这种方法是近年来随着在线监测技术的普及而逐步被认可的，它具有简单、直观．判断故障简便等优点。

图4—20是某压缩机高压缸轴承处轴心轨迹随转速升高的变化情况，在通过临界转速及升速结束之后，轨迹在轮廓上接近椭圆，说明这时基频为主要振动成分，如果振幅值不高，应该说机组是稳定的、如果达到正常运行工况时机组振幅值仍比较高，应重点怀疑不平衡，转子弯曲—类的故障。

二、波德(Bode)图波德图是描述某—频带下振幅和相位随过程的变化而变化的两组曲线。

频带可以是1x、2x 或其他谐波；这些谐波的幅值、相位既可以用FFT法计算，也可以用滤波法得到。

当过程的变化参数为转速时，例如启、停机期间，波德图实际上又是机组随激振频率(转速)不同而幅值和相位变化的幅频响应和相频响应曲线。

【教程】PSpice的4种基本仿真分析详解PSpice A/D将直流工作点分析、直流扫描分析、交流扫描分析和瞬态TRAN分析作为4种基本分析类型，每一种电路的模拟分析只能包括上述4种基本分析类型中的一种，但可以同时包括参数分析、蒙特卡罗分析、及温度特性分析等其他类型的分析，现对4种基本分析类型简介如下。

1. 直流扫描分析（DC Sweep）直流扫描分析的适用范围：当电路中某一参数（可定义为自变量）在一定范围内变化时，对应自变量的每一个取值，计算出电路中的各直流偏压值（可定义为输出变量），并可以应用Probe功能观察输出变量的特性曲线。

例对图1所示电路作直流扫描分析图1（1）绘图应用OrCAD/Capture软件绘制好的电路图如图2所示。

图2（2）确定分析类型及设置分析参数a) Simulation Setting（分析类型及参数设置对话框）的进入•执行菜单命令PSpice/New Simulation Profile，或点击工具按钮，屏幕上弹出New Simulation （新的仿真项目设置对话框）。

如图3所示。

图3•在Name文本框中键入该仿真项目的名字，点击Create按钮，即可进入Simulation Settings（分析类型及参数设置对话框），如图4所示。

图4b）仿真分析类型分析参数的设置图2所示直流分压电路的仿真类型及参数设置如下（见图4）：•Analysis type下拉菜单选中“DC Sweep”；•Options下拉菜单选中“Primary Sweep”；•Sweep varia ble项选中“V oltage source”，并在Name栏键入“V1”；•Sweep type项选中“Linear”，并在Start栏键入“0”、End栏键入“10”及Increment栏键入“1”。

以上各项填完之后，按确定按钮，即可完成仿真分析类型及分析参数的设置。

另外，如果要修改电路的分析类型或分析参数，可执行菜单命令PSpice/Edit Simulation Profile，或点击工具按钮，在弹出的对话框中作相应修改。

第七章瞬态响应分析7.1 概述(1) 计算时变激励的响应(2) 激励在时间域中显式定义，所有作用的力在每时间点给定(3) 计算的响应通常包括节点位移、速度、加速度、单元力和应力(4) 计算瞬态响应有直接法(Direct)和模态法(modal)7.2 直接瞬态响应分析(1)过程动力学方程[Ml {ii(tn + [B]侦切 +[K] {□(!)} = (P(t»对固定时间段-t求出离散点的响应，用中心差分法{<J n} = 2Af{Un+1 -咕补Wnl _ 2u n + Un-l}使用Newmark-Beta 方法转化为(可以选择Willson-Theta 法、Hughes-Alpha . Bathe )r-'K ’H ]----------------At>Time Average ^Filters'1整理得到內％"} = [A 2]HA 3l{U n } + LA <]l u n _1}其中，气]=M + B/ 2At + K/3|Dynamic MatrixApplied ForceA 3| = |2M/At 2-K/3| IA 4I = [ M/At 2 + B/2At-K/3|（2）瞬态响应分析中的阻尼B = B 1 + B 2 + G WgK 1 + 1/W 4yG E K E其中，B 1 =阻尼单元（VISCQAMP ） + B2GGB 2 = B2PP 直接输入矩阵+传递函数 G =整体结构阻尼系数（PARAM,G ）W 3 =感兴趣的整体结构阻尼转化为频率-弧度/秒（PARAM,W3） K 1 =整体刚度矩阵G E =单元结构阻尼系数（GE 在MATi 卡中定义）W 4 =感兴趣的单元结构阻尼转化为频率-弧度/秒 （PARAM,W4） K E =单元刚度矩阵瞬态响应分析中的不允许复系数，因此 结构阻尼转化为等效粘性阻尼进行计算W3,W4的缺省为0,这时不计阻尼7.3 模态瞬态响应分析（1）过程物理坐标与模态坐标变化无阻尼的动力学方程A2' =Initial Conditions, a from Previous Time Step[M]{U} + [K|{u} = {P(t})变换得到[0T|[M]|(|>||^+|Q T|[IK||Q H5}■ [<h T]{P(t)}其中，= modal mass matrix (diagonal)0T K. J= modal stiffness matrix (diagonal) 『P = modal force vector解耦得到单自由度系统方程m占* 昭=Pj(t)其中，m| = i-th modal mass k； = i-th modal stiffness当存在阻尼时申T R即工diagonal宀1心屮} = lA2l*|A3lU n HlA4l{^n_p其中,^2 二割"+ 1 * ^*n +-1 ' Applied ForceInitial Conditions, >from Previous Time S怕p(2)模态瞬态响应分析中的阻尼使用模态阻尼，每阶模态都存在阻尼，方程变为解耦的方程m占 * bj£ * = Pjd)勺+ 2勺勺+以勺=i/mjpdi 卜th modal forceDynamic Matrix I® -〔"段帥Cj =严j = modal damping ratio= k|/ nij = modal frequency (eigenvalue)利用Duhamel积分得到(3) Nastran 中模态瞬态响应分析阻尼的输入・ TABDMP1 (Bulk Data entry defines the modal damping ratios.© = b/b cr = G/2 Q ==1/GExample: for 10% critical clampingCRIT = 0.10Q = 5.0 G-0.2a) TABDMP1卡用SDAMPING=ID 情况控制卡选择 b) f i (Hz)和g i 为频率和阻尼值，用线性内插值给定点间的频率，用线性外插值给定端点外的频率；如其中,TAHDMP1 ID TYPEMBC tAHC<191 f2 H92*3 r 93+ DLF+ DLF9s—■EN J IO, No Initial Condition^ Are Allowed in MSC/M ASTRA IM forModal Transient Response• Type = G (default), CRIT, or QC)定义非模态阻尼(PARAM, G; VISC; DAMP; GE on MAT!(4) 模态瞬态响应分析数据的提取a) 物理响应为模态响应的叠加u =冷Hg｝b) 计算量一般不如直接法大c) 不必输出每个时间步的值(5) 模态截断原因：a) 不需要所有模态，仅须很少的低阶模态就可以得到满意的响应b) 用PARAM,LFREQ 给出保留模态的频率下界c) PARAM,HFREQ 给出保留模态的频率上界d) PARAM,LMODES 给出保留模态的最小数目e) 截断高频模态即截断了高频响应7.4 瞬态激励力定义为时间的函数Nastran中定义方法・ TLOAOI"Brut目force TB; ordorod time, force pairs tzblm input* TLOAD2Efficient definition for analytical'type loadlings-LSEQ Generates dynamic loads from Static loads1) 时变载荷a) TLOAD1定义的载荷其中,DAREA (or LSEQ) entry DELAY entry =TABLEDi entryb) TLOAD2定义的载荷,t< 0 or t> T 2-T 1At B e Ct cos (2rcFt+<2) TLOAD 卡片P(t) ■ AF(t - i)F{t-T )= TABLEDi entrya) DELAY 定义自由度及时间延迟量 b) TABLEDi 定义时间和力对 C)由DLOAD 情况控制卡选择 d)TYPE 定义为3) TLOAD 2 卡片A= spatial load distribution and scale factor(DAREA or LSEQ) T= DELAY entry其中，0 t < 0 ar t > T2 —1 23^)56789 10TLOAD2 SID A TYPE Fl T2 F p ~C~A Defined as a spatial load distribution and scale factor (DAREAor LSEQ)T Defined on a DELAY entry (can only ba used with a DAREA entry)TYPE Defined as TLOAD1T1,T2FPTime constants (T2>T1)Frequency (Hz)Phase angle (degrees)C Exponential coefficientB Growth coefficient该卡片由情况控制卡DLOAD选取4）载荷的组合其中,S c = overall scale factorS K = scale factor for k-th load setP K諱SID of TLOAD12 3456789 10DLOAD I—SID I~~S]~~~~~注：a）TLOAD1 和TLOAD2 标号唯一b）用DLOAD 组合TLOADsc）由情况控制卡DLOAD选取5)DAREA卡At^e^t cos(2irFt ■+ P)定义动态载荷作用的自由度，与其他卡片关系DAREA 例子□LOAD = 35fl 7 3910TLOAD1SID DAWEATYPETlDTLOAD1 35 2931340DAREA SIDPOINT DDUP'ONCMTSCALE□AREA"SO -~1~5.2DELAYSID POINT CCM^UNENTLAGDELAY3130~T~0.2TABLED1ID XAXIS YAXISXIY1X2Y2X3Y3¥4TABLED140-3.0 4.0 2.0 5.6 60 5.6ENDT• Result is the load specified by the TLOAD1, scaled by 5,2, delayed by 0.2 seconds, and applied to grid point 30 component T1.6) SLEQ 卡片将静态载荷用为动态载荷 由情况控制卡LOADSET 选取 包括含一个DAREA 卡片，与其他卡片关系DLOADCase Control Bulk DataScale Factor DOF I Spatial DistributionTime Lag DOFTemporal DistributionLSEQ例子LOADSET = 27 □ LOAD = 25LSEQ SID□AREA LIDLSEQ2728V26TLOAD1SID DAREA\TLOAD12528\STATIC LOAD SID\\、DAREAPLOAD126ReferenceFORCE26Link7）初始条件a）瞬态响应分析中，初始位移与初始速度由TIC数据卡定义，在模态响应分析中无效b）由IC情况控制卡片选择c）未被约束的自由度为0d）由一个A-set DOFs.给定e）初始条件仅须在直接瞬态响应中给定，模态瞬态响应中为0f）初始条件用于计算{u 1 }时需要的{U 0 }, {u -1 },{P 0 }, {P -1 }，所有点的初始加速度设置为0 （t<0）= |K]{u0} + |BHu0J建议对任何类型的动态激励至少取一个时间步为0□LOAD LOADSET Ca關CgntrpIBulk DataDynamicLoadStaticLoadEntriesTemporalDistributionReferenceLinkSpatialDistribution□AREAForceTimeg）TIC卡定义初始条件其中，Field ContentsSlD ki&nlificabon number. (Irteg&r 0)G Grid, scalar, w atra point iderMificatiod number. > □)C Conpon^nl nimbars. fliM 旳er zero or blank tot scalar or &t\r& poirilg r any nn© al the inl^g^rA1 tnraogh 6 (or a grid p<^nl.)U0 Initial displaoefinenL {Real}VO Initial velocity. (Real)8)TSTEP卡a）定义直接瞬态响应和模态瞬态响应分析中的积分时间步长b）积分误差随频率的增加而增加c）建议在响应的一个周期内至少取8个时间步d）T STEP控制求解和输出，由情况控制卡TSTEP选取e）积分的代价与步长成正比f）对低频（长周期）响应用自适应方法更有效g）计算中可以改变积分步长，这时h) TSTEP 卡片Format:12345678910TfiTEPSIDN1 DTi NOiH?DT2NOS心一-_________________________ ________________________Example:TSTEP2 10 .001 590.011Field Contents£)□ idefllihcaboc number (Integer > 0) Ni Numt>ef of tirne steps d Q* DTi. (integ&f > 1》 DTiTim^ rKrameni. (R^ol > Q.O)NOi Skip factor kx output. E^y NOHh step wM be s&rtd tor oulpul. (Inteaar > 0; Default = 1)7. 5直接瞬态响应与模态瞬态响应比较ModalDirect* Small ModelXLarge ModelXFew Time StepsXMany Time StepsXHigh Frequency ExcitationXNonlinearitiesXUniform Acceleration AssumedInitial Conditions X7. 6瞬态响应求解控制emotive Cor~htrolSOIL(for reciuir^edl input s■日e b日law.* C^nitrol 吕QUtiQnDLOAO LOADSET METHODS DAMPING VC TSTEP (ft^otlh e require eft)■ opfionfiN j (moclaV - r<FCfwiir«ici> (modal ■ optiori-all> (diireiict ■ ot^ t ionuaiil> (botlh 二re c| ui rod)-Bulk Data SectionASET T OMIT EIGRL or EIGR TSTEPTICTLOADi LSEQ TABLED! □AREA DELAY □LOAD TABDMP1(both - optional) (modal - required} (both - required) (direct - optional) (both • required} (both - optional} (both - optional) (both - required*) (both - optional) (both - optional} (modal - optional)CASE CONTROL OUTPUT * Grid outputACCELERATIONDISPLACEMENT (or VECTOR)GPSTRESSNLLOAD (nonlinear load output)QLOAD (output appllied load)SACCELERATION [ (solution set output - A-set in direct SDISPLACEMENT } solutions, modal variables inSVELOCITY J modal solutions)SVECTOR (A-set eigenvector)SPCFORCESVELOCITYMPCFORCE・ Element outputEL STRESS (or STRESSJELFORCE {or FORCE) STRAIN・ SpecialOTIME (controls solution output times}例子1) DIRECT TRANSIENT RESPONSE1 psi over the total surfaceINPUT FILEID SEMINAR, PROB4SOL 109TIME 30CENDTITLE= TRANSIENT RESOPONSE WITH TIME DEPENDENT PRESSURE AND POINT LOADSSUBTITLE= USE THE DIRECT METHODECHO= PUNCHSPC= 1SET 仁11, 33, 55DISPLACEMENT= 1SUBCASE 1DLOAD= 70® SELECT TEMPORAL COMPONENT OF TRANSIENT LOADING LOADSET= 100SELECT SPACIAL DISTRIBUTION OF TRANSIENT LOADING TSTEP= 10PSELECT INTERGRATION TIME STEPS$OUTPUT (XYPLOT)XGRID=YESYGRID=YESXTITLE = TIME (SEC)YTITLE- DISPLACEMENT RESPONSE AT CENTER TIPXYPLOT DISP RESONSE / 11(T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT CENTER TIPXYPLOT DISP RESPONSE / 33 (T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT OPPSITE CORNERXYPLOT DISP RESPONSE . 55 (T3)$BEGIN BULKPARAM, COUPMASS, 1PARAM, WTMASS, 0.0025$INCLUED' plate.bdf '$$ SPECIFY STRUCTURAL DIAMPING$ 3 PERCENT AT 250 HZ. = 1571 RAD/SEC$PARAM, G, 0.06PARAM, W3, 1571$$ APPLY UNTI PRESSURE LOAD TO PLATE$LSEQ, 100, 300, 400$PLOAD2, 400, 4., 4, THRU, 40$$ VARY PRESSURE LOAD (250HZ)$TLOAD2, 200, 300, , 0, 0., 8.E-3, 250., -90.$$ APPLY POINT LOAD OUT OF PAHSE WITH PRESSURE LOAD $TLOAD2, 500, 600, , 0, 0., 8.E-3, 250., -90.$DAREA, 600, 11, 3, 1.$$ COMBINE LOADS$DLOAD, 700, 1., 1., 200, 50., 500$$ SPECIFY INTERGRATION TIME STEPS$TSTEP, 100, 100, 4.0E-4, 1$ENDDATA2)) MODAL TRANSIENT RESPONSEINPUT FILEID SEMINAR, PROB4SOL 112TIME 30CENDTITLE = TRANSIENT RESPONSE WITH TIME DEPENDENT PRESSURE AND POINT LOADS SUBTITLE = USE THE MODAL METHODECHO = UNSORTEDSPC = 1SET 111 = 11, 33, 55DISPLACEMENT(SORT2) = 111SDAMPING = 100SUBCASE 1METHOD = 100DLOAD = 700LOADSET = 100TSTEP = 100$OUTPUT (XYPLOT)XGRID=YESYGRID=YESXTITLE= TIME (SEC)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT LOADED CORNERXYPLOT DISP RESPONSE / 11 (T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT TIP CENTERXYPLOT DISP RESPONSE / 33 (T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT OPPOSITE CORNERXYPLOT DISP RESPONSE / 55 (T3)$BEGIN BULKPARAM, COUPMASS, 1PARAM, WTMASS, 0.00259$$ PLATE MODEL DESCRIBED IN NORMAL MODES EXAMPLE PROBLEM$INCLUDE 'plate.bdf '$$ EIGENVALUE EXTRACTION PARAMETERS $EIGRL, 100, , ,5$$ SPECIFY MODAL DAMPING$TABDMP1, 100, CRIT,+, 0., .03, 10., .03, ENDT$$ APPLY UNIT PRESSURE LOAD TO PLATE $LSEQ, 100, 300, 400$PLOAD2, 400, 1., 1, THRU, 40$$ VARY PRESSURE LOAD (250 HZ)$TLOAD2, 200, 300, , 0, 0., 8.E-3, 250., -90 $$ APPLY POINT LOAD (250 HZ)$TLOAD2, 500, 600,610, 0, 0.0, 8.E-3, 250., -90. $DAREA, 600, 11, 3, 1.DELAY, 610, 11, 3, 0.004$$ COMBINE LOADS$DLOAD, 700, 1., 1., 200, 25., 500$$ SPECIFY INTERGRATION TIME STEPS $TSTEP, 100, 100, 4.0E-4, 1$ENDDATA<<z。