模態測試探究性實驗設計研究

導語：模態測試探究性實驗設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：設置本探究性實驗是為讓學生在掌握機電信息檢測與處理技術課程關于力測量、振動測量和信號分析處理等基本知識基礎上，通過對實驗簡支梁模態分析的理論計算，實際操作，數據記錄與分析，實現機電信息檢測時傳感器、信號加工裝置、力及振動測量和信號分析相關內容有機結合，讓學生理解模態分析理論，掌握測試方法、儀器設備和分析軟件的使用，提高工程應用能力。

關鍵詞：振動系統；模態；探究性實驗；固有頻率機

電信息檢測與處理技術是機自專業的一門重要的專業核心課，課程內容涉及傳感器、信號調理裝置、轉換裝置及數據記錄與輸出儀器[1]，通過本探究性實驗[2]，可以掌握模態分析的原理及測試分析方法，進而將模態分析方法用來進行結構動力學分析、響應計算和載荷識別。

一、實驗設計原理

實驗原理是將結構物在靜止狀態下進行人為激振，通過測量激振力與響應并進行頻譜分析，識別出結構物的模態參數，從而建立起結構物的模態模型。模態分析是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。通過本探究性實驗，可以掌握模態分析的原理及測試分析方法，進而將模態分析方法用來進行結構動力學分析、響應計算和載荷識別。實驗設計內容[3]主要有：1.增加實驗結構物利用有限元分析模型來確定模態試驗的測量點和激勵點，參照計算振型對測試模態參數進行辯識命名的實驗內容。2.要求學生掌握人為對結構物施加一定動態激勵，采集各點的振動響應信號及激振力信號，根據力及響應信號，用各種參數識別方法獲取模態參數的技術。3.增加了激振拾振裝置、雙通道FFT分析儀、和模態分析軟件包的正確使用。并能將結構的模態振動進行三維實時動畫顯示。4.可讓學生加深對不測力法利用系統的響應數據進行固有頻率、模態振型、模態阻尼或阻尼比等模態參數計算方法的理解。

二、實驗設計內容

（一）實驗方案設計。本實驗方案設計為通過可由力傳感器檢測作用力的力錘擊打簡支梁，使簡支梁產生振動，由振動傳感器測取簡支梁的振動情況，將力和振動信號輸入動態分析儀進行分析，利用計算機內的模態分析軟件包分析獲得簡支梁的固有頻率、模態振型等。（二）實驗內容。1.對簡支梁進行有限元分析。建立簡支梁有限元分析模型，通過專用軟件理論分析簡支梁的固有頻率和模態振型，同時確定測力法實驗時簡支梁的激勵點和測量點。2.傳感器的安裝調試。正確掌握力和加速度傳感器的使用，在錘子端部安裝壓力傳感器，在簡支梁上安裝加速度傳感器，進行接線，利用力錘擊打由有限元分析得出的簡支梁激勵點位置進行測試。3.動態數據采集。錘子端部的壓力傳感器和部署梁上的加速度傳感器分別測試錘擊力和振動加速度，由電荷放大再接入采集系統，經過調理的信號輸入計算機由軟件進行分析處理。4.信號處理與振型動畫。進行信號時域或頻域信號處理。如譜分析、傳遞函數估計、脈沖響應測量以及濾波、相關分析等獲得參數識別的結果，同時將得到結構的模態參數模型采用動畫的方法顯示。（三）改進之處。1.模態分析通過給結構施加一個激振力，激起結構振動，測量結構響應及激振力之間的頻率響應函數，來尋求結構的模態參數。學生通過選擇力錘和激振器兩種激勵方式，多點激勵單點響應以及單點激勵多點響應的測試方法，可以更加深入地了解實驗模態分析的全過程，增強學生理解力，提高學生的興趣，引導學生自行探索實驗室實驗和現場工程測試的區別。2.增加有限元計算環節，由原來教師確定激勵點和測量點改為學生通過模態參數估計，來確定激勵點和測量點。理論結果與實驗結果對比分析，能夠更加準確清晰地進行驗證，確保模態結果的可信度。3.增加結果的分析動畫演示，各階模態參數分別顯示或同時顯示一個或多個模型上，動畫的幅度和速度可以隨時暫停隨時調整。實測數據同步動畫顯示在模型上，形象地顯示試件的真實變形過程；響應頻譜或傳遞率同步顯示在模型上，形象地顯示試件在某個頻率激振下的變形情況，從而在峰值附近估計模態參數。

三、結束語

經過本探究性實驗的學習，可以熟練使用有限元分析方法進行結構的固有頻率計算和模態分析，進行結構的參數識別；掌握實驗室利用測力法分析結構物的固有頻率、模態振型、模態阻尼、模態質量和模態剛度；熟練使用相關振動測試傳感器（位移、速度和加速度），掌握機械裝置利用加速度傳感器測試振動的測試方法；掌握利用軟件將測量得到的響應進行自功率譜、互功率譜、傳遞率、相干函數分析和對固有頻率、模態振型等進行測試的方法，為從事機電信息檢測科研或開發崗位打下基礎，培養技能。

參考文獻：

[1]王瑜,左敏,胡洋,等.淺談學習動機與獎勵機制在偏理論型專業課程中的重要作用[J].教育教學論壇,2018,(25):173-174.

[2]高博.微帶貼片天線的仿真與測量實驗設計[J].教育教學論壇,2018,(25):274-275.

[3]陳少華,相文峰,冷文秀,等.探究式教學法在《高等激光物理》課程中的探索與嘗試[J].教育教學論壇,2018,(25):163-164.-270-

作者:張 辛 王旱祥 董祥偉 劉延鑫 單位:中國石油大學（華東）機電工程學院