DS_第五章_模态分析

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)。

1、ANSYS Workbench基本分析过程1）几何建模技术2）网格划分与有限元建模技术3）施加载荷与求解过程4）结果后处理技术2、PRO/E导入DS的两种方法1）从ANSYS Workbench中进入打开Workbench→simulation→在geometry的下拉菜单下找到文件→ok2）从PRO/E中系统中直接进入在PRO/E中打开要分析的模型→点击ANSYS按钮→下拉菜单中找到Workbench进入→new simulation→ok3、鼠标的控制方法左键用来选中实体，或对实体进行显示操作左键的功能由 Graphics工具条进行控制，用户可以选一项 (点、线、面、体) 或对视角进行控制 (转动、平动、放大或缩小)选取模式可以为框选或点选在单选模式下，点中拖拉左键可以多选用ctrl 键加左键可以在单选模式下多选或反选在框选模式下，从左到右拖拉，可选中框内实体在框选模式下，从右到左拖拉，可选中框内实体，并同时选中与框搭接的实体在选取模式下，中键转换视角点击中键拖拉鼠标，可以转动模型Shift加中键可以平移模型中键滚轮可以对模型进行缩放(这种情况下，用户不用总在图形窗口和模式转换工具条之间进行切换)在图形窗口中点击右键一下，会出现常用菜单点右键，同时拖动可以对关注的区域进行放大点击右键一次，选择“ fit”可以使图形大小适合窗口显示4、结构树为模型、材料、载荷和分析结果提供了一种很好的组织方式5、结构树中每一个分支都有一个按钮和图标，下面是对一些图标的解释:▪说明分支全部被定义▪说明还有没有输入的数据▪说明需要求解▪说明还存在问题▪“X”说明被抑制（不能被求解）▪说明体或零件被隐藏▪说明当前项待求解▪说明映射网格划分失败以上前三项是重点6、各个区域颜色表示的意思白色区域: 显示当前输入的数据在白色文本区域内的数据可以通过点击改变，有些数据的输入要求用户在屏幕上选取实体模型，然后点击“Apply”,还有的数据需要通过键盘或从下拉菜单中选取。

一、模态测试概述结构在动力载荷作用下，总要产生一定的振动响应。

而结构的振动，常常是结构损坏、环境恶化，设备的精度或可靠性降低等工程事故的主要原因。

因此，研究结构的动力特性和动力强度，已日益成为结构设计的重要课题。

结构的动力特性主要取决于它的各阶固有频率、主振型和阻尼比等。

这些参数也就是所谓的模态参数。

如果已经有了结构的实物图或设计图纸，并掌握所有材料的力学性能数据，那么原则上可以用有限元分析等数值计算方法求出结构的模态参数。

然而，由于诸方面的原因，例如：非线性因素，材料的不均匀性，阻尼机理的复杂性，在加上构件与构件、整机与基础的连接刚度难以确定等，使有限元计算的准确性（甚至于可能性）受到限制。

在本世纪六、七十年代发展起来的现代模态试验分析技术弥补了有限元分析技术的某些不足。

模态试验分析与有限元分析的相互结合及相互补充，在结构优化设计和设备诊断等许多方面，都取得良好的成效。

它们已经在航天、航空、车辆、船舶、机床、建筑机械、电器设备等工业部门得到极为广泛的应用。

若干年来，众多学者提出的各种模态参数识别方法，大体上可分为时域法和频域法两类。

时域法是一种从时域响应数据中直接识别模态参数的方法，频域法则是在测量频响函数基础上，利用最小二乘估计萃取模态参数的方法，也有人称之为机械导纳法或传递函数法。

本节将着重讨论频域法，它是目前公认的比较成熟和有效的方法。

二、传递函数和频响函数1.传递函数和频响函数在电路或控制系统理论中，将输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比定义为传递函数。

如果把机械系统的激振力看作输入量，把振动的位移响应看作输出量，则机械系统的传递函数定义为（4-54）其中，为复变量，称为复频率，其实部和虚部常用符号和表示，即。

拉普拉斯变换的定义为（4-55）拉普拉斯变换的主要性质有（4-56）根据以上性质，对单自由度振动系统的运动微分方程进行拉普拉斯变换，可得（4-57）设初始位移和初始速度均为零，则有（4-58）由此可以得出单自由度系统的传递函数为（4-59）令方程（4-58）的特征多项式等于零，即（4-60）在小阻尼情况下，由式（4-60）求得的一对共轭复根为（4-61）和称为该系统的复频率，其实部既是系统的衰减指数，虚部为系统的阻尼固有频率。

模态分析（modal）1.概述（Modal and Modal (SAMCEF)）模态分析可以得到结构或者是机器组件的振动特性，包括固有频率和相应的振型。

模态分析定义.doc模态分析可以为其他的分析类型的服务，比如对于一个接触分析，它可以检测结构在无约束的情况下的振动特性（自由模态分析），从而作为接触分析的参照。

除此之外，模态分析作为后续动力学分析的基础，比如谐响应分析，谱分析，随机振动分析。

模态分析得到的结果（固有频率和振型）是在动载荷的作用下，结构设计的重要参数。

You will configure your modal analysis in the Mechanical application, which useseither the ANSYS or the SAMCEF solver, depending on which system you selected,to compute the solution.你将在Mechanical application中完成模态分析过程，你可以选择ANSYS 或者SAMCEF的求解器计算你的分析结果，取决于你所选择的系统。

You can also perform a modal analysis on a prestressed structure, such as aspinning turbine blade.Prestressed modal analysis requires performing a staticstructural analysis first.你也可以在存在预应力的情况下进行模态分析，比如说旋转的涡轮叶片。

但是，在这之前，需要对结构进行静力学分析。

If there is damping in the structure or machine component, the system becomes adamped modal analysis. For a damped modal system, the natural frequencies andmode shapes become complex.如果结构或者机器组件中存在阻尼，系统就变成阻尼模态分析，对于阻尼模态分析，固有频率和振型变得更加复杂。

模态分析实验报告一 实验原理模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别（系统识别），从而大大地简化了系统地数学运算。

通过实验测得实际响应来寻示相应的模型或调整预想的模型参数，使其成实际结构的最佳描述。

工程实际中的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分布的性质，只有掌握无限多个点在每瞬间时的运动情况，才能全面描述系统的振动。

因此，理论上它们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。

但实际上不可能这样做，通常采用简化的方法，归结为有限个自由度的模型来进行分析，即将系统抽象为由一些集中质量块和弹性元件组成的模型。

如果简化的系统模型中有n 个集中质量，一般它便是一个n 自由度的系统，需要n 个独立坐标来描述它们的运动，系统的运动方程是n 个二阶互相耦合（联立）的常微分方程。

经离散化处理后，一个结构的动态特性可由N 阶矩阵微分方程描述：()...M x C x Kx f t ++= (1)式中()f t 为N 维激振向量；x ，.x ，..x 分别为N 维位移、速度和加速度响应向量；M 、K 、C 分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称N 阶矩阵。

设系统的初始状态为零，对方程式（1）两边进行傅里叶变换可得：()()()2K M j C X F ωωωω-+= (2)式中的矩阵()()2Z K M j C ωωω=-+ (3)反映了系统动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。

其逆矩阵()()()112H Z K M j C ωωωω--==-+⎡⎤⎣⎦(4)称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。

因此式(2)可以转化为()()()X H F ωωω= (5)()H ω矩阵中第i 行第j 列的元素为()()()i ij j X H F ωωω=(6) 利用实际对称矩阵的加权正交性，有T rM m ⎡⎤⎢⎥ΦΦ=⎢⎥⎢⎥⎣⎦OO T rK k ⎡⎤⎢⎥ΦΦ=⎢⎥⎢⎥⎣⎦OO 其中矩阵 []12n Φ=ΦΦΦK 称为振型矩阵，假设阻尼矩阵C 也满足振型正交性关系T rC c ⎡⎤⎢⎥ΦΦ=⎢⎥⎢⎥⎣⎦OO 代入式(3)得()1TrZ z ω--⎡⎤⎢⎥=ΦΦ⎢⎥⎢⎥⎣⎦OO (7) 式中()2r r r r z k m j c ωω=-+因此()()1T rH Z z ωω-⎡⎤⎢⎥==ΦΦ⎡⎤⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦OO ()()2212Nri rjij r r r r r H m j ωωωξωω=ΦΦ=⎡⎤-+⎣⎦∑(8)上式中，rr rk m ω=，2r rr rc m ξω=。

5。

,模态分析方法模态分析作为动态分析的基础,是动态分析的重要内容。

模态分析是解决复杂结构振动问题的主要工具,它所寻求的最终目标在于改变机械结构系统。

由经验、类比和静态设计方法为动态、优化设计方法，它与有限元分析技术一起成为结构动力学的两大支柱。

通常把一个系统(振动结构）模型分成三种：（l)物理参数模型，即以质量、刚度、阻尼为特征参数的数学模型，这三种参数可完全确定一个振动系统。

(2)模态参数模型，以模态频率、模态矢量（振型)和衰减系数为特征参数的数学模型和以模态质量、模态刚度、模态阻尼、模态矢量（留数)组成的另一类模态参数模型，这两类模态参数都可以完整描述一个振动系统。

（3)非参数模型，频响函数或传递函数、脉冲响应函数是两种反映振动系统特性的非参数模型。

本文研究的模态分析是指以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。

更确切地说,模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。

根据研究模态分析的手段和方法不同，模态分析分为理论模态分析和实验模态分析，理论模态分析或称模态分析的理论过程,是指以线性振动理论为基础，研究激励、系统、响应三者的关系。

实验模态分析又称模态分析的实验过程，是理论模态分析的逆过程。

首先，实验测得激励和响应的时间历程,运用数字信号处理技术求得频响函数（传递函数)或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型;其次,运用参数识别方法，求得系统模态参数;最后，如果有必要，进一步确定系统的物理参数。

因此，实验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理技术和参数识别等手段,进行系统识别的过程。

计算模态分析实际上是一种理论建模过程，主要是运用有限元法对振动结构进行离散,建立系统特征值问题的数学模型,用各种近似方法求解系统特征值和特征矢量。

由于阻尼难以准确处理，因此通常均不考虑小阻尼系统的阻尼，解得的特征值和特征矢量即系统的固有频率和固有振型矢量(引用）。

模态分析软件操作说明及实例东方振动和噪声技术研究所1999.3.16目录一模态分析的步骤 (2)1.确定分析的方法 (2)2.测点的选取、传感器的布置 (2)3.仪器连接 (3)4.示波 (3)5.输入标定值 (3)6.采样 (4)7.传递函数分析 (4)8.进行模态分析 (4)二模态分析实例 (5)例一自由梁的模态分析实例 (5)例二楼房的模态分析实例 (15)模态分析是一种参数识别的方法，因为模态分析法是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。

模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量（或称特征振型、模态振型）。

试验模态分析便是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。

具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。

东方所研制的模态分析系统，自推出以来参与了许多重大的科研项目如大型航空航天设备（长征火箭、通信卫星、大型雷达、火箭发射平台等）、大桥（火箭激振钱塘江大桥、锤击法激振乌海黄河铁路大桥属国内首次）、大楼、大坝、、机车（汽车）车辆和大型港口机械等，分析精度高、操作简便，尤其是变时基模态分析及高速模态三视图动画技术更是在国内外处于领先地步。

一、模态分析的步骤1. 确定分析的方法DASP中提供的模态分析方法有多输入单输出法、单输入多输出法和多输入多输出方法。

一般采用较多的是多输入单输出或单输入多输出方法，在这两种方法中选取时，视哪一种方法简便而定，如激励装置大、不好移动但传感器移动方便就选取单输入多输出方法（即单点激励、多点移步拾振）；如传感器移动不方便但激励装置小、容易移动就选取多输入单输出方法（即单点拾振、多点移步激励）。

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范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内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内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。

在给定的频带范围内，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 rψψλ= 2-1而频域表示则近似为：()[]}}{{()[]2ωλωψψωLR UR j Q j h r tr 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内存。