理解模态分析

定义：什么是模态分析？

模态分析 是研究和表征结构或机械系统固有动态特性的过程。这些特性，特别是其 固有频率, 阻尼比， 和 模态振型——被称为系统的“模态参数”。模态分析可以确定结构在受到激励时自然振动的独特方式。这些信息对于设计能够承受动态力的结构以及排除故障和解决复杂的振动问题至关重要。

目标：识别模态参数

每个结构都有一组独特的模态参数，这些参数由其物理属性（质量、刚度和阻尼）决定。模态分析的目标是识别以下参数：

• 固有频率（或共振频率）： 这些是结构在受到激励时以最大振幅振动的特定频率。任何给定结构都有多个固有频率。
• 阻尼比： 该参数量化了结构振动衰减的速度，是结构内部能量耗散的量度。
• 模态形状： 振型是指结构在其固有频率下振动时发生变形或偏转的特定模式。每个固有频率都有其独特的对应振型。

通过识别这些参数，工程师可以充分了解和预测结构如何响应其在运行期间可能遇到的任何动态负载。

模态分析的类型

确定结构的模态参数主要有两种方法：

1.实验模态分析（EMA）

EMA，也称为“碰撞测试”，用于测量结构对已知、受控输入力的响应。它是测试实际硬件的最常用方法。该过程包括：

1. 用测量的力激励结构，通常来自 仪表冲击锤 （其尖端有一个力传感器）或 电动振动器.
2. 使用加速度计测量结构上一个或多个位置的振动响应。
3. 计算 频率响应函数（FRF） 对于每个测量点，这是输出振动与输入力的比率。
4. 使用专用软件分析一组频响函数 (FRF)，提取固有频率、阻尼和振型。然后，软件可以动画显示振型，直观地展示结构在每个固有频率下的变形情况。

2. 运行模态分析（OMA）

当施加受控输入力不切实际或不可能时，或者当了解结构在实际工作条件下的行为至关重要时，可以使用 OMA。在 OMA 中，仅测量结构在受到正常操作力或环境力（例如，桥梁上的风、汽车上的道路输入或运行中的机器中的操作力）激励时的输出响应（使用加速度计）。然后使用高级算法从仅响应数据中提取模态参数。这是一种更复杂但有时必要的方法。

3.分析模态分析（FEA）

这是一种纯理论方法，使用计算机模型，最常见的是 有限元分析（FEA）工程师创建结构的虚拟模型，然后软件计算预测的模态参数。通常执行EMA来验证和改进这些FEA模型的准确性。

模态分析的应用

• 共振问题故障排除： 这是最常见的应用。如果机器振动较大，模态分析可以确定结构固有频率是否受到操作力的激发。
• 设计验证： 工程师使用它来确认新产品的固有频率不接近任何已知的激励频率（例如发动机转速、叶片通过频率）。
• 结构修改： 如果发现共振问题，则可以使用模态模型进行“假设”分析，以确定解决问题的最有效方法（例如，“我应该在哪里添加加强筋来提高这个固有频率？”）。
• 结构健康监测： 结构模态参数随时间的变化可以表明存在损坏，例如裂缝。

← 返回主索引