模态分析报告.docx

汽车挡风玻璃模态试验报告模态分析理论与试验第三小组姓名：张朋小组：三组学号：1133036目录1试验目的22试验仪器23试验对象24试验测量和分析系统25实验原理35.1 传递函数35.2 相干函数35.3 误差控制36模态分析方法和测试过程46.1 鼓励方法46.2 结构安装方式47、实验步骤57.1 测点确实定57.2 仪器连接57.3 结构生成及约束57.4 参数设置与采样57.5 实验数据分析处理68、实验结果和分析88.1 模态频率和阻尼88.2 试验与仿真比照118.3 分析结论141试验目的1 .学习模态分析原理和模态测试方法；2 .试验分析得到汽车挡风玻璃的前15阶模态的模态参数；3 .试验分析汽车挡风玻璃的动态振动特性；4 .为汽车挡风玻璃的有限元分析计算模型的修改提供可靠依据。2试验仪器试验仪器如表1所示：表1试验仪器列表编号仪器名称数量仪器型号仪器编号厂家1力锤1LC-02系歹IJ75704江苏联能2加速度传感器10CA-YD107压电式江苏联能3电荷放大器2YE5853A江苏联能3数据采集系统1INV306DASPDASP4数据分析处理软件1CoinvDASP2005DASP3试验对象试验对象：PoLo三厢车前挡风玻璃。实验对象附件描述见表2表2实验对象描述序号名称有无1密封胶条条2后视镜安装塑料座3粘接胶水残留4试验测量和分析系统试验测量分析系统由三大局部组成：试验试验激振系统，响应采集系统，模态分析和处理系统。其中,(1)试验激振系统包括：江苏联能LC系列力锤；响应采集系统包括加速度传感器、和DASP信号采集系统；模态分析和处理系统主要是DASP和Matlab软件。具体的组成方式如图1和图2所示。图1模态试验测量分析系统模型示意图图2模态试验测量分析系统一电荷放大器图3模态试验测量分析系统一INV306UDASP数采系统5实验原理5.1 传递函数试验模态分析是基于系统响应和激振力的动态测试，即通过振动测试，经信号处理和参数识别确定系统的模态参数，建立以模态参数表示的运动方程。从模态分析理论可知，这些参数可以通过传递函数或频响函数曲线进行分析求得。在时域内，系统的极点、固有频率和阻尼比由系统的特征方程决定，即由传递函数的分母决定;在频域内，以输入-输出信号在频域中的关系，可以采用模态参数识别法求得动态参数。试验模态分析必须借助于模态分析理论的指导，才能够正确的求出系统的动态参数。系统的传递函数是输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比，用频率f代替s即可得到频响函数但由于单次数据测取并不可靠，常采取平均技术来减少干扰和噪声带来的影响。所以有从上式可以看出，频响函数与外界输入无关，它是系统的固有属性，可以防止输入含有噪声而影响输出结果分析，从而影响模态参数的正确性。为了判断输入输出线性关系的可靠性，运用相干函数来进行检验，即相干函数是判断试验可靠性的有力工具。5.2 相干函数一般情况，不知道系统的响应信号(t)中有多少成分是由鼓励信号f(t)产生的，这时用相关函数和传递函数的关系来衡量这一问题，可以得出一种有效的方法，这即是相干函数法。对于单输入单输出，可以用下列图简单描述：为了反映第i个输入所提供的分量在第j个输出总量中所占的权重以及检查系统有否噪声干扰和非线性的程度，引入相干函数通常用球表示，其定义：如果相干函数为零，表示输出信号与输入信号完全不相干，所得传递函数是无效的。那么，当相干函数为1时，表示输出信号与输入信号完全相干。假设相干函数在(0I)之间，那么说明有如下三种可能：(I)测试中有外界噪声干扰；(2)输出x(t)是输入f(t)和其它输入的综合输出；(3)联系x(t)和f(t)的线性系统是非线性的。相干函数的一个重要意义是检验系统非线性程度。将F(t)作为系统输入的随机过程，X作为系统输出的随机过程，由系统是在假设的线性条件下得到的：所以，谱相关函数值的大小可以用来检查系统的非线性程度。5.3 误差控制本试验采用提高激振频率的方法减小迭混误差。采用加窗与猝发鼓励减小泄漏误差。本试验使用的冲击锤是产生脉冲信号最常用的鼓励装置，理想脉冲信号即6(t)函数，其傅氏谱为一水平直线，频率成分宽。现实中的脉冲信号是一有限宽度和有限高度的信号，其时间历程和自谱见图(a),(b)o从图(a),(b)可以看出，在低频能量近似均匀分布，而在高频段能量逐渐衰减。脉冲信号的频率成分和能量大致可控，试验周期短，无泄漏，但是信噪比差，特别是对大型机构，冲击锤产生的鼓励能量往往缺乏以激起足够大的响应信号，所以冲击信号的高频响应较差。图(a)冲击锤产生的激振信号时间历程图(b)冲击锤产生激振信号自谱图6模态分析方法和测试过程6.1 鼓励方法从频响函数的物理意义可知，假设知道鼓励和响应，就可推知系统的特性。从这个意义上来说，有两种鼓励方法可供选择，其一是对结构上某点鼓励，测得所有点响应，即单点鼓励的方法。其二是对结构某些点同时鼓励，测得各点的响应，即通常所说的多点鼓励方法。单点鼓励的优点是在模态试验中，只要同时测量记录鼓励和响应的信号，再经数字信号处理，可获得与响应鼓励自由度对应的频响函数，简单易行。单点鼓励的缺点是能量有限，在大型复杂结构的模态试验中，响应信号信噪比差，有时难于鼓励出所关心的整体模态，当试验结构的模态比拟密集且阻尼又比拟大时，难于激出结构的纯模态。多点鼓励的优点是可以激发出试验结构的纯模态，对大型结构尤其有效。而且多点激振可以解决系统存在重根的问题，但是多点鼓励也存在缺乏，其缺点是需要采用几套激振器鼓励。模态试验中，各激振器的鼓励信号应互不相关，输入力的大小和相位要反复调试，比拟费时，加上设备昂贵，目前，尚未普遍推广。在进行模态试验时，试件采用单点鼓励还是多点鼓励方法取决于试件被整体激振的难度。如果单点鼓励就可以测得试件上任意点的响应，且响应幅度足够大，那么采用单点激振即可，否那么需要对试件进行多点激振。由于本试验研究的是挡风玻璃的模态参数，其刚度比拟小，总体比拟容易被激振。而且由于低频段是我们所感兴趣的频带，不考虑重根的存在，所以这里采用单点激振。6.2 结构安装方式在测试中使结构系统处于什么状态，是试验准备工作的一个重要方面。一种经常采用的自由状态。即使试验对象在任一坐标上都不与地面相连接，自由地悬浮在空中。如放在很软的泡沫塑料上；或用很长的柔索将结构吊起而在水平方向激振，可认为在水平方面处于自由状态。另一种是地面支承状态，结构上有一点或假设干点与地面固结。如果在我们所关心的实际情况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行试验。但最好还是自由支承为佳。因为自由状态具有更多的自由度。本试验采用轮胎简支的方式固定试件，如下列图所示。图(c)试件支撑方式7、实验步骤7.1测点确实定对于需要得到模态振型的测试件，测点选取原那么如下：1.在根本反响测试件轮廓的前提下，测点尽量少；2.避开各阶振型节点；3.能明确显示模态振型特征。对于仅需得到模态频率的测试件，测点选取原那么如下：1.在保证数据采集全面的前提下，测点尽量少；2.避开各阶振型节点。试验时，布置了28个测点，对这些测点只进行Z向的振动加速度信号的采集。分别完成测点模型的建立（见图5）,以及实物机构的测点布置（图2）。图5测点布置示意图表3测点坐标7.2 仪器连接仪器连接如图1所示，其中力锤上的力传感器和压电加速度传感器接电荷放大器的电荷输入端。经过放大器的低通滤波，输出通道分别接到INV306U接口箱（盒）上的第输入通道。7.3 结构生成及约束仪器安装好后，启动DASP2005专业版，选择模态分析按钮，进入模态分析界面。输入测点号及其坐标，生成结构的节点及线，面等几何元素。7.4 参数设置与采样在DASP信息窗口中选择随机采样，进入采样界面。在测量设置中设置传感器类型、总测点数和原点导纳位置，总测点数根据结构自动读取，不可更改。用力锤击激振点测点，观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器是否连接正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至示波波形正确为止。在采样参数设置中选定采样频率1200Hz,采样长度2K,程控倍数为1,使用适当的敲击力敲击各测点，调节放大器的放大倍数和INV的程控倍数，直到力的波形和响应的波形即不过载也不过小。选定采样时自动增加测点号，准备采样。采样类型设为：变时基；单位类型设为：第1-9通道工程单位设为：m/ss（加速度），第10通道工程单位设为：N（牛顿）；其余通道本试验不用。输入标定值和工程单位。通过示波已经定好了放大器的档位，传感器灵敏度为KCH(PC/U)表示每个工程单位输出多少PC的电荷，如是力，而且参数表中工程单位设为牛顿N,那么此处为PC/N；如是加速度，而且参数表中工程单位设为ms2,那么此处为PCms2；试验采用的是江苏联能生产的型号为YE5853A的电荷放大器，在试验前必须先用示波器调节波形的幅值，以确定放大器的增益及灵敏度的设定，为采样程序参数设置表中输入各通道的工程单位和标定值。在试验时，我们把与力锤相连的电荷放大器的低通拨到IOK挡，高通拨到加速度传感器挡，根据计算其标定值为IoOmV/EU;与加速度传感器相连的电荷放大器的低通拨到也拨为IOK挡，高通拨到加速度传感器挡，根据计算其标定值为IOmV/EU;按下式设定DASP采样参数表中的标定值：上士送传感器的灵敏度X电荷放大器的增益标定值=电荷放大器的读数参数设置完以后，选择自动增加测点号，按左窗下面的开始采样按钮，进入触发变时基采样状态，等待触发，并提示当前采样的点号和触发次数。根据提示从第一点设定的触发次数测试到最后一个测点。自动记录下每次测试结果。测试过程中尽量防止连击现象，如果有连击现象，按中止采样按钮，改变测点号重新开始采样，将覆盖原来数据。7.5 实验数据分析处理7.5.1 调采样数据出llonll2ll3lllisltll7llall¾2Rl21l22l23l2Rl¾采样完成后，进入DASP信号分析功能模块，对采样数据进行传函分析。首先选择要调入的测点号，按调入波形按钮，右面窗口中显示该测点的波形。给每一通道的力信号加力窗，对响应信号加指数窗，选回传逢*入停号Ur二S3JrQ加力F-HnrVV出情号j11->*1：<J良学:可以以修传分析的计Ireit传方式11平均次-MfHBoJbT*s传OirQ的王丁e 3Q TTft.»去底源<eiJP3择系数1。选择通用传函分析，具体设置如图6所示。«SA«眼附图6传递函数设置图7信号加窗设置完成后，按进行传递函数计算，完成测点的传函分析，显示分析结果。按自动计算全部传函按钮,可以分析完全部采样点的传函分析。在实验进行过程中，检查信号的相干性，只有相干系数(除去节点或反节点外）在0.8以上的信号才有效，如图6所示，可见本次试验的信号在研究频段内相干系数在研究频率范围内均大于0.8,信号符合要求.图8测点的传递函数以及相干系数7.5.2模态定阶与拟合采用集总平均的方法进行模态定阶，按开始模态定阶，显示集总平均后的结果，用鼠标分别点峰值点，收取该阶频率，依次收取各阶频率，按保存按钮存盘。如果收取有误可按去除按钮去除当前结果。（1）集总平均：将所有频响函数进行平均，得到一条平均后的曲线，由此来确定模态阶数，其好处是不容易丧失某阶模态。（2）一点频响函数：选所有频响函数中的一条来确定模态阶数，往往和多自由度模态拟合方法配合使用，所选的一条频响函数必须具有代表性。（3）集总显示：同时显示所有频响函数曲线，来确定模态阶数。其好处是不容易丧失某阶模态，但当频响函数曲线条数很多时，画面有时较凌乱。本试验采用集总平均的方法确定试件各阶模态频率。如图9所示图9集总平均法模态定阶模态拟合采用复模态单自由度拟合方法，按开始模态拟合得到拟合，得到拟合结果。如图10所示。图10拟合结果3振型编辑质量归一和振型归一两种方式随各自需要任选，本试验选择质量归一，模态振型编辑完毕后，进行模态振型相关矩阵校验，如图11所示。振型相关矩阵校验可用来校验各阶模态振型之间的正交性，矩阵关于主对角线对称，主对角线的元素都为1。矩阵元素的行号和列号分别代表了两阶模态，其大小表示了这两阶模态振型的正交性，为归一化后的两阶模态振型标量乘积，值越小表示正交性越好。理想的模态分析，其结果的振型相关矩阵除主对角线元素外，其它元素的值都很小。图11为试验的振型相关矩阵校验图，从中可以看出，虽然存在一些误差，但仍符合主振型的特点，说明试验是正确可行的。图U模态振型相关矩阵校验至此，模态分析完毕，以后可以观察、打印和保存分析结果，也可以观察模态振型的动画显示。4动画显示按进入动画显示对话框，根据每个对话框中的相应按钮可以动画进行控制，如更换显示阶数、显示轨迹；在视图选择中选取显示方式：单视图、多模态和三视图；改变显示色彩方式；振幅、速度和大小，以及几何位置。对于当前动画可输出AVI格式的动画文档，可直接用媒体播放器播放。按模态输出为AVI文件，弹出保存文件对话框，模态动画视频压缩对话中的压缩程序选择MicrosoftVideo1.0方式，确定后即可生成动画文件。在保存的目录下调用文件，显示动画。8、实验结果和分析8.1 模态频率和阻尼通过以上步骤，得到挡风玻璃的前13阶模态，其模态参数如表4所示。表4:模态频率和阻尼阶数频率(HZ)阻尼(%)模态质量模态刚度模态阻尼19.7018.6611.0000e+0003.7155e+0031.0559e+001219.9624.5841.0000e+0001.5731e+0041.1499e+001322.4813.7121.0000e+0001.9952e+0041.0486e+001440.4001.9611.0000e+0006.4435e+0049.9562e+000546.5761.1131.0000e+0008.5641e+0046.5133e+000667.9500.7291.0000e+0001.8228e+0056.2211e+000796.8270.8501.0000e+0003.7012e+0051.0339e+0018100.9040.5221.0000e+0004.0196e+0056.6174e+0009138.2521.6241.0000e+0007.5458e+0052.8209e+00110145.6581.2711.0000e+0008.3759e+0052.3255e+00111164.6490.9431.0000e+0001.0702e+0061.9504e+00112206.1871.0021.0000e+0001.6783e+0062.5960e+00113226.9171.0641.0000e+0002.0328e+0063.0344e+0012、打印出各阶模态振型投影图图12一阶模态振型(9.701Hz)图13二阶模态振型(19.962Hz)图14三阶模态振型(22.481Hz)图15四阶模态振型(40.4Hz)图17六阶模态振型(67.950Hz)图18七阶模态振型(96.827Hz)图19八阶模态振型(100.904Hz)图20九阶模态振型(138.252Hz)图21十阶模态振型(145.658Hz)图224一阶模态振型(164.649Hz)图23十二阶模态振型(206.187Hz)图24十三阶模态振型(226.917Hz)表5挡风玻璃Z向前10阶振动模态阵型描述阶数模态频率(Hz)模态振型描述19.701一阶弯219.962一阶扭转322.481局部模态440.400弯扭组合546.576二阶弯曲667.950三阶弯曲796.827四阶弯曲8100.904弯扭组合9138.252五阶弯曲10145.658二阶扭转注：振阵型描述引人而异，具体以实际振动动画为准8.2 试验与仿真比照表6试验与仿真所得固有频率比照阶数试验值(Hz)仿真值(Hz)误差(%)19.7017.38-23.9254219.96218.269-8.48111322.48121.169-5.83604440.434.651-14.2302546.57647.6082.215733667.9567.686-0.38852796.82790311-6.729538100.904104.984.0394839138.252133.19-3.661431()145.658142.41-2.2298811164.649165.190.32857812206.187208.971.349746表7仿真各阶模态振型(前10阶)18.26921.169434.651汝汨Sg频丽?iC4e:Wr以C既rnbn2A”；R0尸“：368；HiIrr:m,32匚CjdnyC宇Xer01M2-1912dTI.IJOCMaxO.91H10.6竺冷047W6O.2539e0.0376)-0.18440*03S60.62273>189Min1.293Md×LOXCQA松0.474-49020130611770.3401-0.6l65-0.6%81.1625Mn547.60815：21-c<tn11yOei½rmmsT>pr:Ci*÷dic(v3Corn>3b(ZA-.6FtEJSi'：31H1H：Urh:rnGtoclCcdniteSystv2011-12-1912:181.6317HnX1.30310.974940.646790.3l550.0095025-0.337650,665809物5-1.3221Min67.68690.311104.98l'fp!DreitbncJDefatbr(ZA4!Fieqjen:/:十土KrU11t:f.GtobslCoc<dreSystem20nlZ!?12:19Z.19ZM)*.7C-7.Z2SSOjq2180.25则IAutornME0.70763-1.1909-1.6742-2.1574Min2"M>x>yCvform:>xType：诩gc同。版而折小1：za“，fro7:<:Ul9H:t!fbob-CoxCnejyst*r2011必19123133.191.7815MaxI337309?3Z7OsW602GS(H-O.e9C6O.532O.9773l1.3714-1.7655Mm10142.418.3 分析结论含集中质量的弹性板有限元计算所得的固有频率与试验值的相对误差绝对值大体上小于6%。两种分析结果存在误差的原因是多方面的，主要有：(1) 有限元建模时，模型结构的简化，不可防止要产生一些误差;结构本身可能存在非线性因素,而在计算时，假定其为线性系统进行线性求解，必然造成一些误差；(2) 有限元方法本身也产生离散误差。(3) 试验条件所限，试件的边界条件和受力产生时变。总体上，有限元计算结果与试验值误差较小，说明有限元模型能较好地反映结构的动态特性，模型简化较为合理。