工作模态分析理论研究现状与发展
2006年第22卷第6期2006. Vol . 22No . 6
电子机械工程
Electro -M echan i ca l Eng i n eer i n g
7
工作模态分析理论研究现状与发展
梁 君, 赵登峰
1
2
3
(1. 四川绵阳西南科技大学东苑8A326, 四川621002; 2. 西南科技大学制造学院, 四川621002)
摘 要:综述了工作模态分析理论的研究现状, 以及在该方面取得的一些具有代表性的研究成果, 并对
其今后的发展趋势作一叙述。
关键词:工作模态分析; 研究现状; 展望中图分类号:TH113; O19 文献标识码:A 文章编号:1008-5300(2006) 06-0007-02
The Status and Pr os pect ofModal Analysis Theory
L I A N G J un , ZHAO D eng 2feng
1
2
(1. Sou thw est U niversity of Science and Technology 8A 326, S ichuan 621002, China ) (2. The M anufactur e College, South west Univer sity of Science and Technology, 621002, China )
Abstract:This paper summarizes research status of modal s research results of it are revie wed, s ome vie wpoints about the p r os oduced . Key words:operating modal 0 引 言
, 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。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, 就可预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下的实际振动响应, 而且一旦通过模态分析知道了模态参数并给予了验证, 我们就可以把这些参数用于(重) 设计过程, 优化系统动态特性, 或者研究把该结构连接到其他结构上时所产生的影响。因此, 模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。
传统的试验模态分析方法是建立在系统输入输出数据均已知的基础上, 利用激励和响应的完整信息进行参数识别, 然而这些方法在具体应用时还是存在局限性, 因为对于某些实际工程结构, 要获得输入激励的完整信息是难以实现的, 或者根本就没有获得任何输入信息。针对传统的试验模态分析方法的局限性, 发
3
展仅基于响应数据的工作模态分析技术就显得尤其重
要。采用工作模态分析技术可以避免对输入信息的采集, 这样也就解决了传统分析方法中很多状况下输入不可测的问题。
本文主要围绕工作模态分析理论, 综述了国内外在该方面的研究现状及取得的一些具有代表性的相关成果, 并对今后发展趋势作一叙述。
1 工作模态分析研究现状
工作模态分析亦常称为环境激励下的模态分析, 只有输出或激励未知条件下的模态分析, 才是近年来模态分析领域发展活跃、新理论新技术的应用层出不穷的一个研究方向, 被视为对传统试验模态分析方法的创新和扩展。工作模态分析的优点是:仅需测试振动响应数据, 由于这些数据直接来源于结构实际所经受的振动工作环境, 因而识别结果更符合实际情况和边界条件; 无需对输入激励进行测试, 节省了测试费用; 利用实时响应数据进行模态参数识别, 其结果能够直接应用于结构的在线健康监测和损伤诊断。因此工作模态试验技术使试验模态分析由传统的主要针对静
收稿日期:2006-05-21
8电子机械工程第22卷
止的结构被扩展到处于现场运行状态的结构, 不仅可以实现对那些无法测得载荷的工程结构进行所谓在线模态分析, 而且利用实际工作状态下的响应数据识别的模态参数能更加准确地反映结构的实际动态特性, 并已经在桥梁、建筑、机械领域取得了实质性的进展。
工作模态分析的理论和思想的提出早在20世纪70年代初期就开始了。工作模态的主要手段都是基于响应信号的时域参数辨识技术。随机减量技术最早被用来处理环境激励下的结构响应数据, 这一技术主要是将结构的随机响应转化为结构的自由响应。以此为基础, 基于时域的辨识方法I brahi m 时域法被提出, 极大推动了工作模态分析技术的发展。随后随着控制理论和计算机技术的发展, 多输入多输出(M I M O ) 参数辨识技术也被相继推出, 广泛运用的时域模态辨识方法有多参考点复指数方法(Polyreference Tech 2nique ) , 特征系统实现算法(ERA ) 等。目前工作模态辨识的其他主要方法还有功率谱密度(PS D ) 函数的峰值提取方法、建立自回归滑动平均(AR MA ) 模型的时间序列分析法、(术等。
1965年, 从而提出了当激励未知时使用相关函数替代脉冲响应函数的思想框架。后来通过对随机减量技术(RD ) 的研究, 随机减量函数分别与随机激励下的结构响应相关函数相对应。这从数学角度, 验证了RD 函数, 随机激励响应的相关和自由衰减响应三者是有关联的, 都可以用来建立参数模型, 辨识系统特征。
20世纪90年代以来, 美国Sandia 国家实验室结合时域模态辨识方法, 提出了NExT 技术, 利用结构在环境激励下响应的相关函数进行工作模态识别。通过研究理想白噪声激励下结构的输出间的相关函数, 可以证明, 相关函数可以表征为一系列衰减的正(余) 弦函数的线性叠加。在相关函数中, 每个衰减的正弦函数都对应于某阶结构模态, 具有相同的有阻尼固有频率和对应的阻尼系数。可以运用某种时域参数辨识方法, 把这些相关函数当作自由振动响应来进行参数估计, 从中识别出结构的模态频率、模态阻尼和模态振型。
形成上述技术思路后, 美国Sandia 国家实验室已经将此分析成果成功运用于航天涡轮机、地面载重、高速公路大桥和濒海建筑的工况信号测量和结构分析中。应用表明, 工作模态分析测试手段, 对于结构故障诊断和特性监视都有很大的应用前景。
后来的时频分析为工作模态参数识别提供了一种新的途径, 它克服了单纯的时域与频域分析法的不足, 适用于平稳和非平稳激励信号。
在国内, 南京航空航天大学振动工程研究所也一直从事着模态分析的研究工作, 从传统的模态分析到工作模态分析, 也包括只利用响应数据进行系统模态参数识别方法的研究, 并且发表了多篇关于环境激励下工作模态参数识别的文章。另外中国振动协会和上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室以及哈尔滨工业大学等也致力于研究工作模态参数识别方法。
2 工作模态分析发展趋势
只在响应可测的实际工作条件下的工作模态分析方法已经受到了国内外广泛重视, 具有很强的实际意义和工程应用前景, 。, , , 这主要表(1) 现有的各种工作模态参数识别方法虽然都有一些很好的应用, 但在理论上还需要完善。而且各种工作模态分析方法还有着各自的局限性, 如时域法通常要求激励的是平稳白噪声, 结构系统具有线性时不变特性, 其中I brihi m 法不易剔除噪声和虚假模态; 而时间序列法的模型阶次较难确定; 基于响应相关函数的最小二乘复指数法和特征系统实现法要求数据样本长、平均次数多; 随机子空间法模型阶次的确定较为烦琐, 在测点较多时, Hankel 矩阵阶次很高, 所需要的数据采样量较大。频域法的弊病是要求频率分辨率高和样本长, 结构是小阻尼的。时频分析法利用的响应信息太少, 是一种局部识别法。
(2) 如何将工作模态分析与有限元分析相结合, 以获得能更加准确地反映结构在实际运行时的动态特性的分析模型, 这方面的文献目前还很难见到。其中的难点在于, 现有的工作模态分析方法所得到的振型只是一个相对的, 不以质量和刚度归一化, 同有限元计算结果进行比较有困难。
(3) 工作模态分析同传统的模态分析相比, 无论是理论模型、分析手段、还是计算方法都更为复杂, 这就可能带来求解上的困难, 例如最小二乘原理对矩阵方程求解自回归系数可能遇到矩阵病态, 又如Hankel 矩阵秩的确定等。因此在模型自由度较多时如何保证数值分析的稳定性问题, 是值得进一步考虑的问题。
(下转第32页)
32电子机械工程第22卷
4 结 论
通过有限元法的结构分析、模态分析和现场试验的综合对比, 为解决天线箱体塔架结构的优化设计问题提供了坚实的基础。从文中的研究分析可得如下结果:
(1) 增加筋板可以提高塔架结构的刚度, 增强塔身的抗变形能力, 但由于筋板是焊接件, 数量过多会影响到结构的强度。
(2) 通过试验数据拟合出来的挠度曲线可以确定塔身在加载条件下某个水平部位的变形情况, 可以作为今后减小塔架变形优化改进措施的依据。
(3) 塔架的固有频率可以有效避开天线系统的旋转频率, 天线系统对塔架的稳定性影响不大。
(4) 通过加载后的应力分析可知, 就塔架结构的设计而言, 对支撑处钢板的疲劳强度和塔架端部角钢支架结构的强度要求较高。
研究成果已经在产品中得到应用, 对于今后类似的天线箱体塔架结构的结构设计有重要的参考价值。参考文献:
[1] Yong -Hwa Park, Youn -Sik Park . Structure op ti m izati on t o
enhance its natural frequencies based on measured frequency res ponse functi ons [J ].Journal of Sound and V ibrati on, 2000, 229(5) :1235-1255
[2] 唐友刚. 高等结构动力学[M].天津:天津大学出版社,
2002
[3] 李岳峰等. 模态参数的一种多输入/多输出频域总体识
别法[J ].振动工程学报, 1990, 3(2) :1-6
作者简介:林华长(1978-) , 男, 助工, 主要从事机械结构设计工作。
(上接第8页)
(4) , 针对较多的
相信工作模态技术将会有更加广泛的发展和应用。参考文献:
[1] 季文美, 方同. 机械振动[M].北京:科学出版社, 1985[2] 杨景义, 王信义. 试验模态分析[M].北京:北京理工大
是较为简单的结构, 但即使对于简单结构, 现有的方法
也不能解决所有问题, 当响应测试数据不完整, 或者测试数据信噪比较低, 现有的方法将会遇到困难。工作模态分析方法所存在的不足之处在以后的研究工作中会逐步得到解决, 它的发展将会克服目前还不能解决的问题, 在模态分析领域里得到更加广泛的应用。在以后的研究过程中, 工作模态分析与有限元分析相结合的难点问题将力图得到解决, 使其更加准确地反映出结构的动态特性。分析过程中求解的困难以及如何保证数值分析的稳定性问题也将会得到进一步解决。将工作模态分析应用到更加复杂的结构中去, 也是模态分析领域中的一个发展方向, 并且在今后的研究过程中, 将力图克服现有工作模态分析方法所不能解决的困难。
学出版社, 1990
[3] 沃德・海伦, 斯蒂芬・拉门兹, 波尔・萨斯. 模态分析理
论与试验[M].北京:北京理工大学出版社, 2001
[4] 李健. 结构系统工作模态参数识别方法综述[C ].中国
工程物理研究院
[5] 吴晓宇, 吴清文. 对有限元分析结果判定方法的探讨
[J ].机械设计与研究, 2003(6)
[6] 郑敏, 申凡, 鲍明. 在时域中单独利用响应数据进行模
态分析[J ].中国航空学报. 2004(4)
[7] 郑敏, 申凡, 鲍明. 利用互相关函数进行环境激励下的
模态分析[J ].航空学报. 2000(6)
[8] 李中付, 华宏星. 基于环境激励的工作模态参数识别
[J ].上海交通大学学报. 2001(8)
3 结 语
工作模态分析作为目前模态分析领域中一个研究
热点, 尽管存在某些的不足, 但由于它所固有的在工程应用上的巨大前景和优势, 以技术创新和发展为基础,
作者简介:梁君(1981-) , 女, 研究生, 主要从事机械振动的研究工作。