基础知识：试验模态分析简介

weixin

模态就是结构固有的动态特性，它包含了系统的固有频率、阻尼比、振型等参数。运用模态分析，可以帮助我们评价现有结构系统的动态特性，深入洞察振动发生的根本原因，进行结构优化。模态分析可分为：数值模态分析、试验模态分析、运行模态分析，在此我们主要介绍试验模态分析。

我们所研究的对象（系统）与外界的关系一般可用下图来表示：

式中，Mi 为模态质量；Ki 为模态刚度；Ci 为模态阻尼系数。

试验模态分析系统组成

试验模态测试的步骤

1、试验准备
将试验结构以适当的方式支撑起来。

自由支撑

地面支撑

2、结构激振
选择适当的方式激励试验结构。

机械式激振器
利用转动时不平衡质量惯性力作为激励力，能产生频率可变的常力。

电磁式激振器
将输入信号转换成交变磁场，在磁场中放置一个线圈，利用电磁力产生激励力。激励的频率和幅值彼此是独立控制的，具有较大的可控性。

电液式激振器
利用液压原理，功率放大可以产生很大的激振力。在加静载荷的同时又加动载荷。缺点是价格昂贵，试验费用高。

冲击锤

锤帽材质是钢，铝，塑料，橡胶。

锤击法特点：

  · 不需要信号发生器、功率放大器及激振器等精密贵重仪器。

  · 不必考虑激励设备与试验结构的连接问题及由于连接不当对试验结果的影响。

  · 试验速度快，试验周期短。

因其激励能量小、信噪比低，故测试精度不高。一般用于中小型结构的快速试验。

3、信号采集
通过测量系统测量、记录激励和响应，记录采集数据。根据换能方式，可分为：电感式、压电式、压阻式和涡流式。

4、参数识别
通过信号处理获得系统离散频响函数，估算出系统的模态参数。

频域法：

时域法：

模态测试应用实例——某型洗衣机箱体模态测试

1、洗衣机箱体的有限元模态分析
(1) 在Pro/E中建立滚筒洗衣机箱体的三维实体的简化模型。

(2) 有限元离散

将实体模型导入ANSYS中，用以四边形为主的壳单元对箱体进行有限元离散。单元数为108741个，节点数为111123个。

箱体的前四阶振型均发生在箱体的两侧，呈“鼓”状振动。前两阶振型相同，仅相位相差180°，且频率接近于洗衣机的工作频率（洗衣机按0~1600r/min计，频率在0~27Hz区间），是洗衣机整机产生振动噪音的主要源头之一。

2、洗衣机箱体的试验模态分析
(1) 试验测试系统

采用比利时LMS公司的LMS Test.lab测试系统，实现对箱体的试验模态试验和分析，测试系统主要由模态加速度传感器、冲击力锤、LMSSCADAS采集前端、LMS Test.lab分析软件组成。

(2) 试验测试方法

  · 支撑方式：自由支撑

  · 激振方式：冲击力锤（软头）

  · 测量方法：在箱体上布置127个测点，在箱体的后上部、右侧板中心这两个测点安置加速度传感器，试验过程中，移动带有力传感器的力锤，敲击其余125个测点，为了提高信噪比，每个测点敲击4次，测得的4次响应数据进行线性平均。

(3) 试验模态测试结果

用Test.lab软件对箱体各测点传递函数进行模态拟合，计算模态参数。比较两次模态分析的结果，固有振型完全相同，有限元分析结果的各阶固有频率均低于试验结果，推测为箱体在冲压成型后产生了残余应力，间接性提高了箱体刚度。

3、箱体有限元模型的修正和分析
调整箱体材料的相关参数，重新进行有限元计算修正后的有限元计算和试验结果，各阶固有频率的相对误差在4.5%以内，各阶振型仍然保持一致。

表1 试验模态与修正后的计算模态前4阶振型及参数

4、结论
通过模态分析发现，该箱体前4阶模态均发生在两侧板上，固有频率相对较低。该洗衣机整机其第1、2阶模态也发生在两侧板上，固有频率分别为21Hz和24Hz，随着当前滚筒洗衣机脱水转速的不断提升，易引起箱体的共振，使得箱体的振动幅值和整机的噪声水平超出相关标准。

来源：《试验模态分析》PPT，作者：刘晨阳  武汉理工大学。