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1、建筑结构的模态分析试验实验报告专业 土木工程班级 学号 教师 建工实验中心2010年3月振动测试与模态分析实验报告一、实验人员3 组：二、试验目的1. 培养学生采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动 问题。2. 通过实验使学生掌握振动测试系统的基本组成、 了解振动测试 的常用测量方法以及模态分析技术。 模态分析技术已发展成为解决工 程振动问题的重要手段。3. 了解模态分析软件的使用方法。三、试验容1、学习模态分析原理；2、学习模态测试及分析方法。 通过对框架模型的模态试验分析，测定出基础模型的模态参数： 固有频率、阻尼比、振型图，并通过实验观察了解框架结构的动力参 数，从而掌握模态分析的
2、基本原理及分析方法。四、试验的基本要求（1）掌握振动测试系统的构成及操作。（2）了解振动测试的常用测量方法。激振、锤击（3）了解数据采集系统的操作步骤。（4）了解对已采集到的数据进行模态分析的方法与步骤。五、试验仪器（表 1）单轴加速度传感器、力锤、动态信号分析仪 LMS和计算机等力锤用于激励实验对象。力传感器用于拾取激励信号并转换成为电荷信号。加速度计用于拾取响应信号并转换成为电荷信号AZ804-A四通道电荷电压放大信号调理仪，用于将电荷信号放大 成为适合测量的电压信号。AZ208数据采集箱信号采集分析系统包括抗混滤波器、A/ D变换器、结构动态分析软件、计算机、打印机。用安装有力传感器的力
3、锤敲击实验对象上的若干个点。力传感 器拾取激励力的信号，安装在实验对象的某测点上的加速度计拾取响 应信号.经电荷放大器放大后输入信号采集系统。 实验仪器框图如图 1所示。力信号接入信号采集器的第 1通道，响应信号依次接入信号采 集器的其他通道。表1试验仪器的硬件及软件力锤传感器厂家型号量程频率围灵敏度美国PCB公司086D202.224kN0.0003-36KHz加速度传感器厂家型号量程频率围灵敏度vm/g美国PCB公司333B4050g0.5-5KHz美国PCB公司333B4050g0.5-5KHz美国PCB公司333B4050g0.5-5KHz美国PCB公司333B4050g0.5-5KH
4、z动态信号分析仪厂家型号比利时LMS国际LMS公司SCADASIII数据米集及模态分析软件厂家名称比利时LMS国际LMS Test公司9A六、试验步骤6.1模态试验基本过程二十年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发 展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的 高度重视。已有多种档次、 各种原理的模态分析硬件与软件问世。在 各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：1 动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析。（1）激励方法：试验模态分析是在试验室人为地对结构物施加 一定动态激励， 采集各点的
5、振动响应信号及激振力信号， 根据力及响 应信号用各种参数识别方法获取模态参数。 激励方法不同， 相应识别 方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMQ、 多输入多输出（MIMO三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦 慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机） 、 瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。（2）数据采集： SISO 方法要求同时高速采集输入与输出两个点 的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据。 SIMO及 MIMO勺方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求 大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。（3）时域或频域
6、信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲 响应测量以及滤波、相关分析等。2建立结构数学模型。根据已知条件，建立一种描述结构状态 及特性的模型， 作为计算及识别参数的依据， 目前一般假定系统为线 性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。根据 阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。3参数识别。按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域 法，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型。激励方 式不同（SISO SIMO MIMO相应的参数识别方法也不尽相同。并非 越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多数不是十 分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，即使
7、用较简单的识别方 法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最复杂的数学模型、最 高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，则识别的结果一定不会 理想。4. 振形动画。参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即 一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振形。由于结构复杂， 由许多自由度组成的振形的数组难以引起对振动直观的想象。必须采用活动振动的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程，而支持这个过程 的除了激振装置、双通道FFT分析仪、桌面式或便携式计算机等硬件 外还要有一个完善的模态分析软件包。通用的模态分析软件包必须适 合各种结构物的几何特征，设置多种
8、坐标系、划分为多个子结构，具 有多种拟合方法并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画。3.2随机信号与振动分析系统 CRAS V6.2工作流程及功能MACRAS流程图几何建模1、根据结构的特点，离散化为若干节点代替连续系统。2、复杂结构可以划分为若干部件。每一个部件应选用直角坐标系、柱坐标系或球坐标系三种之一。3、送入各结点的部件坐标、连线序列（结点对）。标准结构或轴 对称部件可以自动生成，子结构可以拼装。4、结构的三维透视图形可以通过旋转、 平移、缩放获得最佳视觉 效果。测量设置1、根据结构振动特点，确定一维分析或三维分析。2、送入测量信息：某一结点的某一方向是否测量，测量正方向还是负方向。
9、3、送入约束方程。对于某些不易测量的结点可以通过约束方程获 得其模态振形。模态测量通过双通道FFT分析仪或CRAS数据采集及FFT系统，根据测 量设置产生的索引文件，自动进行一系列频响函数的测量。 采用锤击 法或随机激励法获得力信号及响应信号，经过 FFT得到频响函数，以数据文件存于计算机的硬盘。频响函数集总平均将所有测量频响函数的幅频数据进行集总平均，目的是为了得到参数识别的初始估计频率，也可以从整体上判别模态测量的质量。参数识别1、选择数据模型：实模态或复模态（通常为实模态）。2、选择拟和方法：单测量、自动拟和、整体拟和（通常用整体拟 和）。3、参与拟和的频响数据选取方法：光标线或光标带（
10、通常用光标 线）。4、进行参数识别，结果存盘。5、对比各结点上试验的与拟和的频响函数曲线，判断拟和的效果模态综合1、测量方向处理。2、处理约束方程，填满残数矩阵。3、留数矩阵归一化为振形矩阵。振形动画根据结构的几何设置以及参数识别的结果，进行三维动画式振 形显示。具有旋转、平移、缩放功能，可以在同一屏幕上显示两阶振 形。振动大小、速度可以调节。七.软件操作7.1硬件安装(1) AZ系统采集箱安装方法在断电情况下，将专用通讯电缆一端与 AZ系列采集箱连接，另 一端与PC机(台式或笔记本式)的并行口(打印机口)连接。先开PC机进入Windows后再打开AZ系列采集箱的电源。(2) 试运行为了判断硬
11、件连接及软件安装是否成功，请用户正式使用前先作一个测试。利用 AZ208仪器提供的测试信号(200Hz, 2000mV或 用一个发生器输出连接到采集卡或采集箱的第1通道。打开数据采集与处理软件 AdCras,选择1通道作业，给定适当采样频率(例如 5120Hz)，在“示波”菜单下观察到一个规则的正弦波则表明硬件软 件已经正确安装成功。建议在每一次重大试验之前也这么测试一下， 以避免传感器、导线等故障。(3)运行程序在PC桌面上或CRA文件夹中点击CRAS后进入程序引导总界面。1| jVtrp粗叨fll熾和记录Ntrp声抽血Iph转現培功料IVpcp呼片測黑務敖躺音碟 Dzrz发电机定子模海Zn
12、tx际尼材料动力特悴 ZjdcVtm扳弗合姙制Vijegi FESTRi功圉 址川措於析 Xbbh小筱壹AtSide悌初力旳测 机Mi创新穂学诚負 其它缸制软ft报动及动态信号采集分析糸统AdCras救据采集及处理SsCrafi怯号与垂址分斬MaCras机械及牯构模花坊靳DmCras绪构动为修改VmCras艇其机械掾动监示屍诊斷SkCras冲击滩曙斥响应詣分析工苏软件冈南京奁正软件工有限公旬中华尺鶯有产宅电耳号，*70(11-137*用鼠标点击需要运行的软件包或选件程序即可进入该程序的运 行。如果用户希望将所配置的某个软件程序放置在自己选定某个文 件夹运行，还必须注意将 CRAS文件夹中有关库
13、文件一起复制进来如果在运行采集或示波时，发生计算机死锁的情况，退出应用程序的办法是:同时按Ctrl + Alt + Del次或多次。极个别情况，需关闭电源。7.2半圆环模型的模态试验（1）建立新作业或继续老作业采集新的数据建立作业：送入作业名（含路径）及选择通道，如送入的作业 在指定路径已存在，应特别注意存盘时会将老数据覆盖。如在指定路径找不到此作业则有系统提醒：“指定目录数据文件 找不到，新作业”。观察老数据选择作业：送入需要观察分析的作业名和路径(2) 几何模型生成选择几何模型菜单中自动生成简单几何图形的圆柱面， 设置如下:(3) 模态测量在模态测量菜单下选择测量参数设置，相关选项设置如下
14、: 1、平均次数2、时间窗处理函数校正El子I工稈卑位|通道标记平均女数r时间駅e酗藍打分析频率堆華數电压范圉chl由cLQ既13确定取消丘用|3、分析频率4、触发参数自由运行：由键盘回车或菜单点击后立即开始采集。正触发、负触发：由采集的信号本身控制开始采集。触发电平：开始采集的电平阀值，由电压围的百分数决定。如 量程5V,触发电平10%则信号到达0.5V时开始采集。触发延迟：数字量，正值表示等待，负值表示提前。数字单位 为采集时间间隔的倍数。例如：-20是指到达触发电平之前20个点 开始记录数据，超前时间等于20t。 t等于采样频率fs的倒数。触发通道：根据作业设置的通道数任意1个通道均可作
15、为触发通 道，其它通道信号阈值不影响触发动作 5、电压围檯正因孑I工程単位Iii道掠怕| 晞定 | 取消 | 丘用囚|在AD系统采集卡中，置程序控制放大器，放大倍数为 1, 2, 4, 8。在QL系统采集箱中，置程控放大倍数为1, 4, 8, 16。不同的程控放大倍数对应不同的满量程电压（电压围）。例如程 控放大倍数等于8,则电压围为0.625V。电压围对多通道采集的每1个通道而言是相同的。6、校正因子每1个工程单位对应的 mV数称为校正因子，相当于各种传感 器的灵敏度。当传感器灵敏改变后，可以通过校正因子对测量结果进 行修正，这个过程即所谓“标定”。设定校正因子后，CRASS序读出数的单位即
16、是所选的工程单位。不同通道允许不同的工程单位。在同1种工程单位情况下，也允许不同灵敏度的传感器。因此，每1个通道需要设定相应的校正因 子。选用缺省工程单位mV则校正因子必须等于1,读出数单位为mV设定校正因子用编辑控件，浮点量7、工程单位EU未经工程单位设置，读出的数据单位为电压的单位mV不同的物理量通过各自的传感器变换器改变为电压量后均可由CRAS进行采集记录。在CRAS已经设置的工程单位为：mV v, m m/s , m/s2 , mn, mm/s mm/S ,卩 m N, KN, mN G, mG 卩, Pa , Mpa C , deg, vad , W KW MW L , mA A ,
17、 N-M, KN-M 缺省为 mV 允许不同的通道选用不同的工程单位。例如， 1通道为N , 2通道为 m/s2。在“工程单位”书签页中，每1个通道有1个组合框选件，拉 出来找到需要的工程单位点击。平均出數|时闾窗处謹国数I分析频率 I融埃卷数 |电压范圉 工程单傥|通道标记按正因孑ZJchi 4chi 5chi 6chi 3 |确定 I取消(4)测量方向选择(5)导纳测量表将 1, 17, 18, 34, 35, 51, 52, 68, 69, 85 的第一坐标设为不测量(双击那一行，在弹出的节点测量信息对话框中设置)，如下所 示，为导纳测量表的一部分。 El.； F 111 !- i 1
18、-Mi|下而?i丹H戊茸.：hPl” 1M|4 rbii ctn rw i誕1M4M|詈序ar口序吕 EiKlmT-d *西q?斛和如二献9卜君fUl -kClwml 9cupHftitStfHBtt | UJiUlMi皿.| HhJUI 3KkE3rifLiri Snlhit-r-Fwl就AcBWiriWM水ie讪.厂F0H2vdlp JVCtwWrAWW!如，rt*10iWiifrniagpi jmCw曲rFMA貝IOI诃fr*elPOTE-vdVH*fjrnvrHl-5呷ACGWiriWifiU4I册rxriimUtaiiFAC*iaETjrwSOSiWJ.r1-2YKAMHMUonff
19、tftW.p11HH#即nVs nrnft# tirPwfl7hnMb ATArEMnftf109诃.i-帚(TW?AiX帚如f#110*f/14r最RHjn?却IF址也暑姑liMWfrPwfllhm虹n称199訓.rtaTriirPMfltrowArrMrriTtfgr4(gnPwfllMfw4ME0d申in钟!1,rfw#w$輝斗墅*4i軒wlWJfrtririmFwfiahnMhOP ATEEnrKHnV申09VJfrY&iriaFcvCXiramaMp AAccavirin-jE133iw.-ar越护Miii*址Jqem唱帕fWM卿*r届斓MVbTriETpm?Wrtwatfi juf
20、iWin砒冲rPrwOrrmAzEritanwrIrntJ-i戸- - tap(6)约束方程表序号 节点丨凱件|坐标系| 賈1 N2 N31A C 000217AC00000031&Ac000000434Ac000000535Ac000000651Ac000000752Ac000000 S6&Ac000000969Ac0000010&5Ac000(7)采集有效控制釆集誉制X触发采集有效无效选择控制泾每次触发采集允许甲户选樺有效/无效厂每抉触发采集禁止用户选择有躱/无效八、试验数据及分析(1)自振特性试验结果表2是基础结构自振频率的测试结果。图1是其相应的部分振型图。图2是测试得到的部分传递函数
21、及其相干曲线。从相干曲线上看相干系数非常高，基本上接近于 1.0，说明测试数据的信噪比很高， 结果可靠。表2自振频率(Hz)的测试结果阶次频率(Hz)阻尼比(%)123456789一阶振型图二阶振型图三阶振型图2 :11 Is. 0.C1 t图1主要振型图（续）N1.000.020.00Hz520.00N1.00euE /0.01N1.000.00(2)试验结果分析自振特性的分析是运用LMS公司的模态分析软件。图3是分析后得到的MAC阵的分布示意图，从图中看到，绝大部分的模态分析结果理想，模态间的影响低，解耦性好。从振型上判断，第1阶为X向平动，频率是11.32Hz,第2阶是丫向平动, 频率是19.37Hz,第3阶是扭转振动，频率是25.80Hz。其他高阶振型皆为复 杂变形。附件一：附件二:被测结构