振动基础知识：实验模态分析的基本流程

Bjhq2021 2022年5月21日浏览：1246 收藏：1

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本文主要讲解实验模态分析及其基本流程。在此之前，我们首先要明确模态分析类型主要有哪些。

模态分析类型

模态分析方法主要可以分为两类，分别是实验模态分析 (ExperimentalModal Analysis,EMA) 和工作模态分析 (OperationalModal Analysis,OMA)。

实验模态分析EMA，被称之为传统模态分析，是一种主动地测量方式，主要是通过激励装置激励结构，同时测量结构响应的一种测试分析方法。激励装置主要有力锤和激振器。
工作模态分析OMA，也称为只有输出的模态分析，是一种被动地测量方式，主要应用于大型结构的模态分析，如土木桥梁行业、大型风力发电设备等。其特征是仅测量结构的输出响应，不需要输入。

实验模态分析流程

在了解模态分析种类的基础上，我们现在主要来探讨实验模态分析的基本流程。实验模态分析可以分为四步：建立测试系统、数据采集、模态参数估计和结果验证。以下，展开详细说明。

建立测试系统

所谓建立测试系统就是确定实验对象，选择激振方式，选择力传感器和响应传感器，并对整个测试系统进行校准。这一步主要分为以下几个方面：

确定边界条件：约束边界还是自由边界。两者区别是：自由边界除了弹性模态之外还存在刚体模态，而约束边界只有弹性模态。最终采取何种边界条件取决于试验目的。
确定激励方式：对于EMA而言，分锤击法（常用）和激振器法。锤击法通常适用于简单的线性结构（部件级），不适用于非线性结构。激振器测试激励能量更大，获得的数据质量更高，通常用于大型复杂结构，且是研究非线性的唯一方法。缺点是激振器难于安装，操作复杂。

力锤

激振器

选择传感器及确定其安装方式：模态测试的激励力通常不会特别大，因此，模态传感器的灵敏度通常比较高，如100mV/g。
确定测量自由度：包括确定测点数目和方向，并在结构相应测量位置作标识。测量自由度应合理分布，使得能唯一地描述所有关心的模态振型。
组建、校准测量系统：确定所使用的各个设备都能正常工作和对测量系统进行校准。

数据采集

这一步又分为采集准备和正式采集。采集准备是为了确定合理的参数，如采样频率、采集仪量程、采样时长、激励信号、参考点等。另一方面还需要对数据进行检查，包括线性检查、FRF和相干检查、互易性检查等等。

校准后开始采集，正式采集完一组数据后，应立即从时域和频域检查测量数据，以防止某些测点测量数应检查各批数据的一致性。

对于EMA而言，数据采集应至少包括所有测点的FRF和相干数据。如果是进行OMA分析，则只需要采集各个测点的时域信号即可。

模态参数估计

这一步是利用测量得到的频响函数或时间历程来估计模态参数，包括：固有频率，模态振型，模态阻尼，模态刚度和模态质量等。

模态分析的实质是曲线拟合的过程，根据测量的数据（频率响应函数，FRF），通过曲线拟合获得模态参数。获得各阶模态参数之后，又可以根据这些参数综合出各个测点的FRF。而曲线拟合又分为单自由度拟合和多自由度拟合，局部拟合和整体拟合。

结果验证

最后一步是对上一步模态参数估计所得结果的正确性进行检验，它是对模态试验成果评定以及进一步对被测系统进行动力学分析的必要过程。模态模型验证一般可以按照三种级别进行：

第一级别相当直观，不涉及任何数学工具，对模态振型进行视觉检查，或把实测到的频响函数与从模态参数识别过程中计算得到的频响函数进行比较。
第二级别的验证是利用某些数据工具检验估计出来的模型质量。如模态规定准则，模态参预、互异性、模态超复杂性，模态相位共线性，平均相位偏移，模态置信因子等这些工具。
第三级别验证时一种隐含式验证：当模型用于灵敏度分析，结构变化效果预测，有限元模型修正等进一步分析时，这些分析的成功很大程度上决定于模态模型估计的正确性。

当然，试验模态分析过程还包括其他一些方面的验证：

首先是测量设置，如试件固定，校准，传感器信号等的正确性必须验证；
其次是测量得到的频响函数必须通过相干函数加以验证。

实质上这些验证更为重要，因为这是前期测试过程中的验证，这些都正常了，才能进一步保证后期模态结果的正确性。

来源：吉兴汽车声学部件科技有限公司公众号

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