高速船轻型结构声辐射的振动模态分析
高速船轻型结构声辐射的振动模态分析
王昕，严仁军，王婷
武汉理工大学，武汉（430063）
E-mail ：wangxin_nn_727@https://www.wendangku.net/doc/5514517336.html,
摘 要：在轻流体介质中，激励力作用位置对板结构声辐射的影响较大。本文比较了双向加筋板结构与板结构的模态辐射效率特点。采用有限元和边界元结合的方法，建立起板结构及双向加筋板结构的模态分析模型。进行了板结构及双向加筋板结构的振动声辐射的模态分析。并计算出结构相应的模态辐射效率，结构辐射声功率和辐射效率等声场特性参数，与采用远场Rayleigh 积分所得结果进行了比较。结果表明，激励力作用位置的变化以及板双向加筋后对结构声辐射的振动模态产生了影响，对结构声主动控制提供了帮助。
关键词：板结构，双向加筋板结构，振动模态，辐射声功率，辐射效率，激励力
中图分类号：TB532
1. 引 言
高速船舶因为其船体刚度相对较弱，而激励幅值相对较大，频率又高，因而船体特别是船尾的振动问题特别突出。为保证在满载航行时不发生强烈的总体振动和局部振动，必须合理的计算和设计船体结构以及选择合适的板材。结构防振设计的主要任务是防止共振。即要求结构的固有频率与激励频率错开，并给予一定的频率储备。结构频率储备的确定主要取决于结构固有频率的计算精度、激励幅值及结构阻尼的大小。这就要求在设计阶段对结构的振动和噪声作出准确的预报。通过对水下结构振动声辐射的深入研究，能够有效地改善高速船结构的振动噪声问题1。
复杂结构的振动致声问题是船舶工程减振降噪的难题之一，在结构声学中，可以用辐射声功率和辐射效率来表征振动结构的声辐射能力。但是在振动模态空间中考察振动结构的声辐射时，各阶振动模态的声辐射并不是独立的，而是相互之间存在着耦合的，这就给采用振动模态控制进行结构声辐射控制时控制律的设计带来了很大的困难。然而，Borgiotti 、Cunefare 、Baumann 和Elliott 等的工作表明：可以找到一组特殊的模态坐标，使得各模态间的声辐射之间没有任何耦合。Elliott 将这种声辐射独立的模态定义为“辐射模态”。其实质是将结构表面的振动分解成一组声辐射独立的速度分布（辐射模态），此时结构的辐射声功率可以表示为各阶辐射模态速度幅值的平方与相应特征值乘积的和2，3。辐射模态的这种性质保证了只要减小结构辐射模态的幅值，就能减小结构的辐射声功率。但上述研究过程中，仅指出各阶振动模态的声辐射并不是独立的，并由振动模态间的互辐射效率较高的认为结构振动模态间的耦合对结构声辐射有较大的影响，没有对振动模态间的耦合对声辐射的影响作具体研究。
本文采用有限元方法和边界元方法建立了板结构和双向加筋板结构振动声辐射的振动模态分析模型和辐射模态分析模型，研究激励力作用位置对板声辐射的影响，比较了板与双向加筋板的模态辐射效率特点，重点是振动模态间的耦合对结构辐射声功率的影响。
2. 基本理论
以模态矩阵 []{}{}[{}]N φφφ???=Φ21 （1） 为基础，定义模态速度矩阵：[][]{}{}{}[]N Q Q Q i Q ???=Φ=21ω （2）
模态法向速度矩阵：[][][](){}{}{}[]N T
B B B i G B ???=Φ=21ω （3） 模态声压矩阵：[][][][][](){}{}{}[]N T H H H i G D E H ???=Φ=?211ω （4）
对嵌在无限障板上的板状结构，其模态声压矩阵为： [][][][](){}{}{}[]N T p H H H i G D H ???=Φ=21ω （5）
式中：[]G 为法向速度{}n ν和结构有限元节点速度向量{}ν之间的转换矩阵；{}l φ、{}l Q 、{}l B 和{}l H ()N l ,,2,1???=分别为第l 阶模态位移向量、模态速度向量、模态法向速度向量和模态声压向量，N 为结构系统的自由度数。
在结构－有限元公式中，简谐激励力作用下不考虑流体加载效应的结构运动方程为：
[][][](){}{}e
f x K C i M =++?ωω2
（6） 式中：[]M 、[]C 、[]K 分别为结构质量矩阵、比例阻尼矩阵和刚度矩阵；{}x 为结构的节点位移向量；{}e f 为外激励载荷向量；ω为激励圆频率。
以模态矩阵[]Φ为线性变换矩阵，对式（6）作坐标变换：
{}[]{}q x Φ= （7）
求解解耦后的模态方程可得到模态坐标{}q ，再由式（7）及下面3式
{}[]{}q Q =ν； {}[]{}q B n =ν； {}[]{}q H p =
可求出{}x 、{}ν、{}n ν和结构表面声压{}p 。
求得结构表面S 或板表面p S 上的声压和法向速度后，结构的辐射声功率可通过下式求得：()
d S p W S n ∫?=νR
e 21 （8） 式中：p 和n ν分别为结构表面声压和表面法向振速；?n ν是n ν的共轭复数。
流体介质B ′中任一场点的辐射声压可用Helmholtz 积分方程)(B P ′∈或Rayleigh 积分)(B P ′∈求得。
对嵌在无限障板上的板的辐射声功率也可由远场Rayleigh 积分)(B P ′∈求得：
()
dA c r p W A ∫=ρω2,2 (9)
式中：A 为障板平面相连接的半球球面；()ω,r p 为半球面A 上场点的声压。
结构的辐射效率定义为：2
0n cS W
νρσ=，式中：0S 为结构的表面积；2n ν为结构表面法向振速均方值，定义为：∫=S n n dS S 20221
νν （10）
结构的第l 阶模态辐射声功率l W 和第l 阶模态辐射效率l σ可由结构的第l 阶模态法向速度向量和模态声压向量求得。
3. 实例计算
3.1 板结构及双向加筋板结构
现有一矩形钢板和一双向加筋板。矩形钢板长455.0=x L m ，宽379.0=y L m ，厚003.0=h m ，密度=s ρ785 0kg/m 3，0.210=E GPa ，3.0=ν，边界条件为四边简支，点力作用位置为()=11,y x (0.113 75m, 0.094 75m)，力幅值10=F N ，空气密度21.1=ρ kg/m 3，声速343=c m/s ，各阶模态阻力比均取0.01。双向加筋板结构如图1所示，四边简支，1==b a m ，05.0=h m ，075.0=H m ，05.0=W m ，点力作用位置为()(075.0,=y x m,075.0?m )。其余参数均与矩形钢板相同。
图1 双向加筋板结构
表1和表2分别列出了矩形钢板和双向加筋板的前10阶固有频率和振型，并将所计算的值与文献[5]、[6]中给出的值进行了比较。图2和图3分别给出了矩形钢板前10阶模态的模态辐射效率曲线（作为x kL 的函数）和双向加筋板前10阶模态的模态辐射效率曲线（作
为ka 的函数）
。 表1 矩形钢板的固有频率和振型 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mode
(m,n) (1,1) (2,1) (1,2) (2,2) （3,1）(1,3) (3,2) (2,3) (4,1) (3,3) 86.6 193.4 241.3 345.6 373.7 501.4 619.8 600.7 631.1 766.8 Rresent/Hz Ref./Hz 5 87 194 241 348 372 497 526 604 621 782
表2 双向加筋板固有频率和振型 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mode
(m,n)
(1,1) (2,1) (1,2) (2,2) 图4 图5 (2,3) (3,2) (3,3) (4,1) 350 879 877 1256 1716 1728 1875 1876 2133 2433 Rresent/Hz
Ref./Hz 6 342 883 883 1271 1760 1760 1864 1864 － －
图2 板前10阶模态辐射效率曲线 图3 双向加筋板前10阶模态辐射效率曲线
由图2，图3可以看出，板结构和双向加筋板结构一样，各阶模态的声辐射能力在低频)1(≤x kL 时有较大差异，奇奇模态的辐射效率最高，奇偶模态和偶奇模态的辐射效率次之，偶偶模态的辐射效率最低。但在高频)10(≥x kL 时，板结构各阶模态的声辐射能力趋于一致，没有太大的差别。但是，从图3中还可以看出，双向加筋板结构的模态辐射效率规律与板结构的不同之处在于：双向加筋板由于双向加筋的影响，导致其模态中与板模态（3，1）和（1，
3）相对应的第5阶和第6阶模态的振型与相应的板模态振型不一样（如图4和图5所示），这直接导致了这两阶模态的模态辐射效率有较大的差异。从图3可以看出，第6阶模态为结构声辐射较强模态，而第5阶模态为结构声辐射较弱模态，这一点在双向加筋板结构声主动控制中应该特别注意。
图4 双向加筋板第5阶模态振型图 图5 双向加筋板第6阶模态振型图
3.2 激励力作用位置不同对结构声辐射的影响
以上节中矩形钢板为例，图6给出了激励频率为200 Hz 点力作用位置示意图。其中：()=11,y x (0.113 75m,0.094 75 m)、()=22,y x (0.0m,0.0) m 、()=11,y x (0.113 75m,0.0 m)。图7给出了3种作用位置下模态坐标幅值比较图。表3给出了采用边界元法和远场Rayleigh 积分计算不同力作用位置时板结构的辐射效率和辐射声功率级。
由图7可以看出，当激励力作用位置从模态（2，1）的波峰()11,y x 和一般位置()33,y x 移到模态（2，1）的节点()22,y x 时，结构模态（2，1）从影响结构响应的主要模态变成了次要模态。由于激励力作用位置的变化不会改变板各阶模态的辐射效率，仅改变了各阶模态对响应的贡献量，特别是改变了结构共振模态对响应的贡献量，并导致结构辐射声功率和结
构辐射效率的变化。从表3可以看到，当力作用位置改变后，板结构的辐射声功率级相差约达到8dB 和5dB ，可见力作用位置对结构声辐射有较大的影响。
图6 激励力作用位置示意图 图7 三种作用位置的模态坐标幅值比较图 表3 点力作用位置不同时板的辐射声功率级和辐射效率 板的辐射声功率/dB 板辐射效率310?×
BEM Rayleigh integral BEM Rayleigh
integral
()11,y x 69.08 69.14 13.39 13.58
()22,y x 63.75 63.81 253.63 257.67
()33,y x
72.08 72.18 13.76 14.09
4. 结论
高速船多采用双向加筋板结构。当结构双向加筋后，由于双向加筋的影响而改变其模态振型并引起相应模态辐射效率的变化。这使得板双向加筋后的模态辐射效率规律不同于板的模态辐射效率规律，这一点在双向加筋板结构声主动控制中应引起注意。
由于结构声主动控制是采用次级力源来达到控制结构噪声的目的，从上面分析可以看出：次级力源作用位置的选择非常重要，次级力源应作用在被控模态的波峰位置，这样能以最小的能源消耗取得最好的控制效果。
合理的将上述结论用于高速船的设计过程中，能够提高高速船使用过程中的生命力和在市场中的竞争力。
参考文献
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The analysis for high-speed crafts’ light structures on the structure sound power of vibration model
Wang Xin, Yan Renjun, Wang Ting
Wu Han University of Technology, WuHan (430063)
Abstract
This article studies the acting location of the formula of a force impact the sound radiaton of a plate structure in light fluid medium. Through comparing plate structures’ model radiation efficiency and stiffened plate structures’ model radiation efficiency, get the two structures’ characteristic of the model radiation efficiency. Using FEM/BEM methods t build the mode analytic model of plate structures and work out the structure’s corresponding model radiation efficiency、structure’s radiation sound power and Radiation efficiency. The result studying is indicated that both the changing of location of the formula of a force and the stiffened plate structures impact the structure sound power of vibration models.
keywords: plate structure, plate structure with stiffeners in two directions, vibration model, radiation sound power , model radiation efficiency, the formula of a force
工程振动——模态分析、多自由度系统振动响应
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振动试验时传感器的安装
振动试验时传感器的安装 唐永革 随着改革开放政策的继续贯彻加之国产设备的不断完善，电动振动台将会在科研及应用领域发挥更大的作用。怎样正确使用电动振动台，已成为从事环境试的工程技术人员和操作人员不可忽视的问题。现结合实例，谈谈就怎样使用电动振动台提高振动试验再现性。 一．必须明确的概念（GB/T2423.10） 1．固定点：固定点是指试验样品和夹具或试验样品和振动台(如果振动台装有附加台面时，则指试验样品和附加台面)点接触的部分，此处在实际使用中通常定试验样品的地方，如果实际安装结构的一部分作夹具使用(诸如减震架、托架等届试验样品本身所带)则应取其和振动台点接触的那部分作固定点，而不能用试验样品和安装结构点接触那部分作固定点。 2．测量点：在GB/T2423.10中附录中规定了两种类型的测量点,主要点就是检查测量位于振动台、夹具或试验样品上所承受的实际振动量值，该点尽可能要接近固定点，在任何情况下，检测点上的传感器都要和固定点刚性连接，因为试验的要求就是通过许多检测点来保证的。 3．检测点：在振动试验中，所选择的用以监视和测量台面振动量值和试验样品(或试验样品某一薄弱环节)响应的传感器的安装点。 4.基准点:是从检测点中选定的点,为了满足GB/T2423要求,该点的信号是用来作控制试验用的. 5．控制点：在振动试验中用以控制振动量值(该量值是试验样品标准所规定的值)的传感器的安装点，该点也必须是固定点中具有代表性的点。 控制点可分单点控制和多点控制. 二．如何选择控制点、检测点、监测点的位置 1．控制点的位置：控制点必须选择在与试验样品安装点直接点接触的固定点的最近处。 (1)由于电动振动台的台面较小，加之原台面不易直接安装试验样品，一般使用者都安装了附加台面，并且在安装时充分利用了原台面上的所有安装孔，都和附加台面进行了刚性固定连结，把它看成与原台面合成了一个新的整体，这是
模态分析中的几个基本概念模态分析中的几个基本概念分析
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振动试验台技术参数指标及分析 1、动圈的函数关系 激振力和加速度、负载质量的函数关系，F=m*a F,振动激振力（N）；m,负载质量（KG），包括产品、台面、振动动圈、夹具的质量和；a，加速度（m/s2) 加速度和频率、振幅的函数关系，a=(2πf)2*D/1000 速度和频率、振幅的函数关系，V=2πf*D/1000 a，加速度；f，频率(Hz)；D，振幅(mm)（O-P）；V，速度(m/s)。 2、振动工作原理 1.5-38Hz,A=1.2G 38HZ-50HZ,D=0.4MM 50-500HZ,A=2G 2.5-200HZ,0.015G2/HZ 200-500HZ,-6DB/OCT A=2.16GRMS 3.5-25Hz1.2MM(0-P) 25-500Hz3.0G 每分钟1个OCT 3、应用概述 电动振动试验台是根据载流导体在磁场中受力而发生运动的原理，采用先进的机械结构和先进的工艺制作，主要特点为：磁路采用双磁路强磁场结构，动圈采用无骨架绕组，动圈支撑系统采用悬臂支架和空气弹簧支撑，功放采用先进的开关放大电路，系统保护功能齐全，采用智能式控制，冷却形式为强迫风冷。该系统技术指标符合相关标准，充分满足航天、航空、仪器、仪表、汽车、摩托车零部件等各个领域进行产品研制和生产可靠性试验的需要。
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模态分析与振动测试技术
模态分析与振动测试技术 固体力学 S0902015 李鹏飞
模态分析与振动测试技术 模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。 一、单自由度模态分析 单自由度系统是最基本的振动系统。虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。 二、多自由度系统模态分析 对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。即多自由度系统模态参数与模态分析。 多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。 我们以N个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。 设所研究的系统为N个自由度的定常系统。其运动微分方程为： （2—1） ++= M X CX KX F ?）阶式中M，C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。均为（N N 矩阵。并且M及K矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵M是正定矩阵，刚度矩阵K对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵C为对称矩阵（上述是解耦条件）。 N?阶矩阵。即 X及F分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为1
ANSYS— 弹性平面问题、振动模态分析
ANSYS ——有限元分析 弹性平面问题、振动模态分析 1、弹性平面问题 1、1.题目一：（见图一所示） 图1 已知条件： 1.5a m =，0.4c m =，0.5d m =，6/q kN m =，5F kN =； 1、1.1解题的总体思路 由于单元体是一个300×140的，为了方便计算，采用直接建模法，先创建一个30×14的单元体结构，在挖去15×4的单元，建立如下模型（见图二所示） 图2 并且对模型进行加载和约束，左边为固定端约束，右下角为端约束。荷载分别为均布荷载和一个集中力荷载。 1、1.2运行结果 此节只显示运行的结果和简单的解释，详细的命令见1、1.3节命令流中各个命令的注解。 1、各个节点的位移和扭矩 主要列举了具有代表意义的节点，由于节点有15×31个，所以只列出约束处的
节点的位移和扭矩。 只列出了31节点的位移，其他约束处的位移都为0 结果显示出：Ux=0.017236mm Uy=0mm 2、受力后与受力前变形图（放大）【见图3所示】 图3 3、X方向的变形图【见图4所示】 图4 4、Y方向的变形图【见图5所示】
图5 5、内力图【见图6所示】 图6 结论： 节点31处是最容易收到破坏的，因此再设计时应注意此处的设计。 1、1.3命令流 /PREP7 N,1,0,0！确定第一个节点 N,31,300,0！确定第31个节点 FILL,1,31！在1到31节点中插入节点 NGEN,15,31,1,31,1,0,10！复制上述节点15行，每行间距为10 ET,1,PLANE42！常量的设置 MP,EX,1,200E9 MP,NUXY,1,0.3 E,1,2,33,32 ！创建第一个单元 EGEN,30,1,1 ！复制1到31个单元的建立 EGEN,14,31,1,30 ！所有的单元创建 EDELE,151,165 ！下面都是挖去中间的面 EDELE,181,195 EDELE,211,225 EDELE,241,255
试验模态分析的两种方法
试验模态分析的两种方法 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，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。通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。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，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。模态分析最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 试验模态分析主要有以下两种方法,OROS模态分析软件MODEL 2 完全具备了这两种常用的模态方 法。 锤击法模态测试 用于满足锤击法结构模态试验，以简明、直观的方法测量和处理输入力和响应数据，并显示结果。提供两种锤击方法：固定敲击点移动响应点和固定响应点移动敲击点。用力锤来激励结构，同时进行加速度和力信号的采集和处理，实时得到结构的传递函数矩阵。能够方便地设置测量参数，如触发量级、测量带宽和加窗类型，同时对最优的设置提供建议指导。 激振器法模态测试 主要是通过分析仪输出信号源来控制激振器，激励被测试件，输出信号有先进扫频正弦，随机噪声，正弦，调频脉冲等信号。支持单点激励（SIMO）与多点同时激励法(MIMO)。 1）几何建模 结构线架模型生成，节点数和部件数没有限制，测量点DOF自动加到通道标示；建立几何模型，以3维方式显示测量和分析结果。结构模型可以作为单个部件的装配，及采用不同的坐标系（直角、圆柱、球体坐标系），要求除点的定义外，还可定义线和面，真实的显示试验结构。结构线架模型生成，节点数和部件数没有限制，测量点自由度自动加到通道标示。
振动测试台技术参数
振动测试台技术参数： :【類別】三軸[()軸,垂直水準]() 吸合式電磁振動臺 :【振動臺以頻率分】 :【振動臺控制模式】全功能標準控制 :【振動方向】三軸[個台體,垂直(上下軸)水準(左右或前後軸)] :【振動方式】三軸[個台體,垂直(上下軸)水準(左右或前後軸)] ①二组独立輸出皆可用二组个別单独振动 ②可二组一起振动(另买垂直台体或水平台体) ③二组一起振动(只控制组振幅及加速度,第组跟着一起做)批量及生产线时非常有用,可省钱省时高效 率 :【振动波形】三轴[(轴)上下(前后左右)] ①垂直＋水平可单独做半波 ②垂直＋水平可单独做全波 ③垂直＋水平可分一组做半波另一组全波 ④垂直＋水平可二组同时做(半波或全波) :【振动频率】可任意设定(±) :【最大试验负载()】未指定以100kg为主 ■100kg(振幅5.2mm最大加速度22g)未指定以此机型出货 :【振动台面尺寸】() ①频率共振最好增加倍稳定性 ②防磁漏:地带面積(30cm):让磁漏減 ③台面上通孔(以实体为主): :有个(10mm) :绑带通孔*个:夾具(治具)通孔*个 ④:量测试螺丝孔*个(5mm) :【台体(高)】超低台体更低更穩定(每少公分穩定)(市面目前本司高度最低) ①■垂直**50CM ■水平台体**50CM ■台面**500mm ②越低越穩定越高失真越大误差越大 ③防共振设计(増加种防共振专业技术) ④中心轴防尘专业技术 ⑤中心轴増加:过流(倍)过耐热度耐湿耐爆耐尘 ⑥吸合式电磁振动台元件组成: :高电感电磁圈 :超高电感矽钢片片下片片上片产生器 :弹簧钢片:特殊处理 :支撑架 :底座 :台面 :护套 ⑦不会受总質量变动,改变承重或激振力 ⑧因台面底座支撑架弹簧钢片,一体合成配合电磁圈,更有效提高均匀穩定性,不受不规则物品的限制, 产生不均匀及中心点穩定问題,减少治具费用 ⑨振动方式:中心水平线为,往上振往下振,真正符合振幅幅度()的要求,解决高频圆形电磁振动台缺点 ⑩真正解决:各高频式电磁振动台很难解决(在时5mm20g重量100kg以内)不受影响的技术 ⑾防塵(可试用高塵地方)耐超低温耐高温耐湿度(防静电) :【振幅】(可任意调范围): -5.2mm (不准碰撞情況) :在无负荷下,最大位移为5mm(),此情況不可碰撞, :在最大负荷一半情況下,最大位移可达到为5mm() :在最大负荷情況下,最大位移可达到为5mm()要指定 ※此情況不可碰撞,小于此位移值，试验机本身足以负荷 ①频率可做到5mm:不准碰撞情況 :在频率且无负荷下,最大位移为5mm(),此情況不可碰撞, :在频率且无负荷下,最大位移为4mm(),此情況不可碰撞 :在频率且在最大负荷一半情況下,最大位移可达到为5mm(),小于此位移值 :在频率且在最大负荷情況下，其振动平台的最大位移量测值为5mm,此情況不可碰撞,小于此位移值，试验机本身足以负荷 ②频率以振幅为主 ③频率为5mm,最大加速度可做到0.01g 为5mm,最大加速度可做到12.25g :最大加速度可任意调: 22g(220m) ①频率可做到20g ②频率以最大加速度为主
随机振动试验报告
随机振动试验报告 高等桥梁结构试验报告 讲课老师: 张启伟(教授) 姓名: 史先飞 学号: 1232627 试验报告 1 试验目的 1.过试验进一步加深对结构模态分析理论知识的理解; 2.熟悉随机振动试验常用仪器的性能与操作方法; 3.复习和巩固随机振动数据测量和分析中有关基本概念; 4.掌握通过多点激振、单点拾振的方法，利用DASP2005软件进行模态分析的基本操作步骤。
2 试验仪器和设备 1. ZJY-601振动与控制教学实验仪系统(ZJY-601A型振动教学实验仪、激励锤、YJ9-A型压电型加速度传感器等)。 2. DASP 16通道接口箱。 3. 装有“DASP2005智能数据采集和信号分析系统”软件的PC机。 4. 有关设备之间的联接电缆。 3 试验原理 3.1模态叠加原理 N自由度线性振动系统的运动微分方程是一组耦合的方程组: 引入模态矩阵Φ和模态坐标(广义坐标或主坐标)q，使X= Φq。 如果阻尼矩阵能对角化，方程组即可解耦: 解耦后的第i个方程为: 可见，采用固有振型描述振动的模态坐标后，N自由度线性振动系统的振动响应可以表示为N阶模态响应的叠加。 3.2实模态理论 实模态理论建立在无阻尼的假设基础上。在实模态理论中，模态频率就是系统的无阻 ,尼模态固有频率错误～未找到引用源。;而固有振型矩阵中的各元素都是实数，它们之间i 的相位差是0?或180?。 系统在P点激励，l点测量的频响函数为:
K,,式中，称为频率比，，为模态固有频率。当，则: ,,,,,/,,,iiiiiMi 取频响函数矩阵的一列或一行，如第P列，就可确定振动系统的全部动力特性(模态参数)。 3.3伪实模态理论 某些有阻尼振动系统有时会出现与实模态一样的实数振型，而非复数振型，但其模态 2,,,,,1固有频率为，具有这种性质的振动系统的模态称为伪实模态。伪实模态理diii 论仅适应于阻尼矩阵可解耦，即可采用固有振型矩阵正交化模态称为伪实模态。在伪实模态下，各测点的相位差都是0?或180?。 伪实模态理论仅适应于阻尼矩阵可解耦，即可采用固有振型矩阵正交化的情况。一般情况下，阻尼矩阵对角化的充要条件为: 上式也是有阻尼振动系统方程解耦的充要条件。 总之，H(ω)建立了模态参数与频响函数的关系。因此，利用实验测出的H(ω) 值，即可计算出系统的模态参数。根据频响函数的互易定理及模态理论，只需 H(ω)矩阵的一列(或一行)即可求出全部模态参数。
振动试验台操作方法
振动试验台操作方法 一、振动试验台产品用途： 振动试验台适用于汽车零部件、电子元器件、组件、医药、食品、家具、礼品、陶瓷、包装等行业实验室及生产线上对样品进行相关振动试验。如环境接收试验，品质鉴定试验，可靠性鉴定试验，耐久试验，振动模拟分析，材料特性试验，疲劳试验，振动防止改善等。模拟产品在制造、组装、运输及使用过程中所遭受的振动环境，以评定其结构的耐振性、可靠性和完好性。 用于模拟电工、电子、汽车零部件以及其它涉及到运输的产品和货物在运输过程中的环境，检测其产品的耐振性能。艾思荔实现振动试验需要的所有功能：正弦波、调频、扫频、可程式、倍频、对数、最大加速度，调幅、时间空制，通过升级可实现全功能电脑控制，简易定加速度/定振幅。设备通过连续无故障运转3个月测试，性能稳定，质量。 二、振动试验台机械式： 振动试验台可分为不平衡重块式和凸轮式两类。不平衡重块式是以不平衡重块旋转时产生的离心力来激振振动试验台台面，激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。这种振动试验台可以产生正弦振动，其结构简单，成本低，但只能在约5Hz~100Hz的频率范围工作，最大位移为6mm峰-峤值，最大加速度约10g，不能进行随机振动，凸轮式振动试验台运动部分的位移取决于凸轮的偏心量和曲轴的臂长，激振力随运动部分的质量而变化。这种振动试验台在低频域内，激振力大时，可以实现很大的位移，如100mm。但这种振动试验台工作频率仅限于低频，上限频率为20Hz左右。最大加速度为3g左右，加速度波形失真很大。振动试验台由于其性能的局限，今后用量会越来越小。 三、振动试验台电液式： 振动试验台的工作方式是用小的振动试验台驱动可控制的伺服阀，通过油压使传动装置产
机翼模型的振动模态分析
机设1305 彭鹏程1310140521 一个简化的飞机机翼模型如图所示，该机翼沿延翼方向为等厚度。有关的几何尺寸见下图，机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r =886 kg/m。对该结构进行振动模态的分析。 (a) 飞机机翼模型 (b) 翼形的几何坐标点 振动模态分析计算模型示意图 解答这里体单元SOLID45 进行建模，并计算机翼模型的振动模态。 建模的要点： ⑴首先根据机翼横截面的关键点，采用连接直线以及样条函数< BSPLIN >进行连接以形成一个由封闭线围成的面； ⑵在生成的面上采用自由网格划分生成面单元(PLANE42)； ⑶设置体单元SOLID45，采用
振动测试技术模态实验报告
研究生课程论文(2016-2017学年第二学期) 振动测试技术 研究生：
模态试验大作业 0 模态试验概述 模态试验（modal test）又称试验模态分析。为确定线性振动系统的模态参数所进行的振动试验。模态参数是在频率域中对振动系统固有特性的一种描述，一般指的是系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量等。 模态试验中通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用模态参数辨识方法得到系统的模态参数。由于振动在机械中的应用非常普遍。振动信号中包含着机械及结构的内在特性和运行状况的信息。振动的性质体现着机械运行的品质，如车辆、航空航天设备等运载工具的安全性与舒适性；也反映出诸如桥梁、水坝以及其它大型结构的承载情况、寿命等。同时，振动信号的发生和提取也相对容易因此，振动测试与分析已成为最常用、最基本的试验手段之一。 模态分析及参数识别是研究复杂机械和工程结构振动的重要方法，通常需要通过模态实验获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。模态实验的方法可以分为两大类：一类是经典的纯模态实验方法，该方法是通过多个激振器对结构进行激励，当激振频率等于结构的某阶固有频率，激振力抵消机构内部阻尼力时，结构处于共振状态，这是一种物理分离模态的方法。这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长；另一类是数学上分离模态的方法，最常见的方法是对结构施加激励，测量系统频率响应函数矩阵，然后再进行模态参数的识别。 为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。目前频响函数测试技术可以分为单点激励单点测量( SISO)、单点激励多点测量( SIMO) 、多点激励多点测量( MIMO)等。单点激励一般适用于较小结构的频响函数测量，多点激励适用于大型复杂机构，如机体、船体或大型车辆机构等。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分，瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。 振动信号的分析和处理技术一般可分为时域分析、频域分析、时频域分析和时间序列建模分析等。这些分析处理技术从不同的角度对信号进行观察和分析，为提取与设备运行状态有关的特征信息提供了不同的手段。信号的时域分析包括时域统计分析、时域波形分析和时域相关分析。对评价设备运行状态和
大型振动台夹具的模态分析及结构改进
第31卷第5期苏州大学学报（工科版）Vol.31No．5 2011年10月JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY（ENGINEERING SCIENCE EDITION）Oct．2011文章编号：1673－047X（2011）－05－0056－04 大型振动台夹具的模态分析及结构改进 孙晓洁1，陈俊2，王安柱1，朱忠奎1 （1．苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215021；2．东菱振动试验仪器有限公司，江苏苏州215011） 摘要：振动台夹具是振动台上用以固定被试件的关键结构件，首先应满足被试件的安装要求，其次为了能在试验频率范围内对被试件开展振动试验，其结构模态应有尽量高的固有频率，并避免与试件发生共振耦合。在设计夹具的基础上，分析其前十阶的固有模态，并根据其固有频率的高低改进了结构，使得模态符合试验要求。 关键词：振动台；夹具；模态；固有频率 中图分类号：TH16；U467文献标识码：A 0引言 对于大型振动台夹具，首先要确定出对夹具的固有频率和振型的要求，夹具设计完成后应对固有频率进行校验，根据验算结果对夹具进行改进设计并最终使夹具满足设计要求［1］。在振动环境中，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合［2］。本文据此进行了大型振动台夹具的结构改进。 据上所述，设计夹具时需计算结构的固有频率。建立结构的力学模型时可将产品合理简化为杆、梁、板、壳等构件的组合，理论上应将这些构件作为多自由度系统进行动力学分析，它们各自有其固有频率，夹具整体的固有频率与各组成构件的固有频率有一定的数学关系，准确的数值可通过理论计算和试验验证的方法获得［3］。对于大型复杂夹具，理论计算过于繁琐，直接对样品进行振动试验验证增大了设计成本。现在，工程上广泛应用有限元分析软件对构件进行动力学分析，这是精确、实用的技术分析方法之一。 本文采用ANSYS有限元软件对振动台夹具进行模态分析以解得振动台夹具的固有频率，分析其合理性并进行结构改进。 1大型振动台夹具的模态分析 1．1振动台夹具 振动台夹具的作用主要包括：①按照试验要求，可靠地装夹试件；②实现在振动台面上的安装；③将振动台的运动和能量不失真地传递到试件上，避免出现共振和隔振现象。在设计振动夹具时应选用刚度大、阻尼大的材料；还应在要求的重量范围内尽量减轻结构质量以降低轴向共振频率；并且使夹具的重心、试件的重心、激振力的中心这三个点在一条直线上，以避免引起振动台面的不平衡。最终使结构的基频达到设计要求［3－4］。 1．2初始结构的模态分析 根据振动台夹具的设计要求确定设计结构后，利用ANSYS软件进行模态分析，计算出结构的固有频率和相应振型。 收稿日期：2011－03－14 作者简介：孙晓洁（1989－），女，硕士研究生，主要研究方向为车辆工程。
各种模态分析方法总结及比较
各种模态分析方法总结与比较 一、模态分析 模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。 模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，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。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。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，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。二、各模态分析方法的总结
（一）单自由度法 一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。但是如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法n1。在给定的频带范围内，结构的动态特性的时域表达表示近似为： ()[]}{}{T R R t r Q e t h r ψψλ= 2-1 而频域表示则近似为： ()[]}}{ {()[]2ωλωψψωLR UR j Q j h r t r r r -+-= 2-2 单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机内存。 这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。然而实际情况通常并不是这样的，所以就需要用包含若干模态的模型对测得的数据进行近似，同时识别这些参数的模态，就是所谓的多自由度(MDOF)法。 单自由度算法运算速度很快，几乎不需要什么计算和计算机内存，因此在当前小型二通道或四通道傅立叶分析仪中，都把这种方法做成内置选项。然而随着计算机的发展，内存不断扩大，计算速度越来越快，在大多数实际应用中，单自由度方法已经让位给更加复杂的多自由度方法。 1、峰值检测 峰值检测是一种单自由度方法，它是频域中的模态模型为根据对系统极点进行局部估计(固有频率和阻尼)。峰值检测方法基于这样的事实：在固有频率附近，频响函数通过自己的极值，此时其实部为零(同相部分最
振动系统的模态分析
理论力学振动系统模态分析实验 一．实验目的： 1.了解数字化测试技术的原理和做法。学习模态分析原理。 2.学会用“锤击发”测量振动系统的模态参数与振型。 二．实验仪器： 1.MSC-1型弹性力锤。 2.Yj9A压电加速度传感器。 3.Zj-601A型震动教学试验仪。 三．实验装置示意图： 四、实验原理： 本实验测试对象是弹性梁。实验步骤与原理是：由力锤锤击被测物体，锤体内的力传感器与被测物体上的加速度计同时记录下脉冲激励与被测物体的响应，震动教学试验仪放大并转化为电压，经接口箱，传入计算机的采集分析系统记录。数据采集完毕后，动用分析系统，首先对数据进行传递函数分析，然后，进入模态分析，根据振动理论，分析系统在确定阶数后，进行质量或振型归一，自动生成分析结果并可以生成振动的动画显示，各阶频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼比同时列出。
五、实验步骤： 1.准备工作：先将梁分画成所需的单元格，节点编号，将加速度计固定在梁的 五分之二处（避免放在节点处）。 2. 设备连接：将力锤与加速度计与电荷放大器连接，按力锤与加速度计的灵 敏度分别调好电荷放大器上的旋钮，并选好相应的滤波上限开关。再将二信号输出端与接口箱相应频道相连。 3. 进入计算机采集分析系统参数设置部分，设定实验名称与各频道单位。 4. 进入计算机采集分析系统菜单中模态分析部分，画出被测对象的几何图形 及节点号，给出约束条件。 5. 进入计算机采集分析系统的信号采集部分，开始实验。 6.对17个测试位置依次进行敲击，没一个测试点进行三次。以减小误差。 7.调用采集的数据，打开分析界面，调入波形。进行函数分析，模态拟合。 8.振型编辑，质量归一，至此分析完毕，显示动画 9输出数据及计算结果，保存动画截图。
悬臂梁地振动模态实验报告材料
实验 等截面悬臂梁模态测试实验 一、 实验目的 1. 熟悉模态分析原理； 2. 掌握悬臂梁的测试过程。 二、 实验原理 1. 模态分析基本原理 理论上，连续弹性体梁有无限多个自由度，因此需要无限多个连续模型才能描述，但是在实际操作中可以将连续弹性体梁分为n 个集中质量来研究。简化之后的模型中有n 个集中质量，一般就有n 个自由度，系统的运动方程是n 个二阶互相耦合（联立）的常微分方程。这就是说梁可以用一种“模态模型”来描述其动态响应。 模态分析的实质，是一种坐标转换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述。这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，分别描述振动系统的各阶振动形式，每个坐标均可单独求解，得到系统的某阶结构参数。 多次锤击各点，通过仪器记录传感器与力锤的信号，计算得到第ｉ个激励点与定响应点（例如点2）之间的传递函数 ω ，从而得到频率响应函数矩阵中的一行 频响函数的任一行包含所有模态参数，而该行的r 阶模态的频响函数 的比值，即为r 阶模态的振型。 2. 激励方法 为进行模态分析，首先要测得激振力及相应的响应信号，进行传递函数分析。传递函数分析实质上就是机械导纳，i 和j 两点之间的传递函数表示 [] ∑==N r iN r i r i r H H H 1 21 ... [] Nr r r N r r r r ir k c j m ???ωω? (2112) ∑ =++-=[]{}[] T r ir N r r iN i i Y H H H ??∑==1 21 ...
振动试验机作业指导书
内部公开▲ Q/ZX M 09-02.13.0708-2005 检验文件 检验文件名称：振动试验机作业指导书 检验文件编号：Q/ZX M 09-02.13.0708-2005 版本：V1.0 共 12 页 (包括封面) 拟制 ________ 审核 ___________ 会签 ___________ 批准 ___________ 通讯股份有限公司手机事业部发布 <本文中的所有信息均为通讯股份有限公司内部信息，不得向外传播。>
前言 为了明确手机检测中心实验室能正确使用振动试验机测试，特编制本测试作业指导书。本标准由中兴通讯股份有限公司手机事业部检测中心提出，手机事业部检测中心归口。本标准拟制部门：手机事业部检测中心。 本标准主要拟制人：杨征。 本标准于2004年11月首次发布。
目次 前言 (1) 目次 (2) 1范围 (3) 2规范性引用文件 (3) 3术语和定义 (3) 4振动试验机的系统性能 (3) 5振动试验机试验的开机 (4) 6振动试验机程序操作和参数设置方法 (4) 7试验运行 (10) 8检测记录 (10) 9振动检测系统关机步骤 (10) 10注意事项 (10) 11维护保养 (10) 12记录保存 (10) 13校验周期 (11)
振动试验机使用指导书 1范围 本标准规定了振动试验机进行各类移动终端产品振动试验的操作规程和方法。 本标准适用于手机检测中心实验室所进行的振动及振动试验。 2规范性引用文件 在下面所引用的文件中，使用时应以网上发布的最新标准为有效版本。 Q/ZX M 23.002–2004 移动台环境试验规范 GB/T 2423.1/2/3/22/23 《电工电子产品环境试验》 RVC-2A振动试验机使用说明书苏州东菱振动试验仪器有限公司 3术语和定义 下列术语和定义适用于本标准。 3.1正弦振动试验： 在规定的频率范围内，在振动台上采用正弦信号，对被测样机进行振动的检测。 3.2 随机振动试验： 在规定的频率范围内，在振动台上采用所有频率成份同时激振而且各个频率的输入振幅是随机改变的激振信号,对被测样机进行振动的检测。 3.3 冲击试验：采用规定脉冲波形，在振动台上对被测样机进行冲击的检测。 4振动试验机的系统性能 4.1 振动试验机使用范围 振动试验机适用于模拟各种环境条件下的振动试验, 如路运,空运,海运, 铁运等. 主要可进行随机振动试验，正弦振动试验冲击试验等. 4.2实验室环境要求 温度：5-35℃ 湿度：≤85%（25℃） 4.3 设备型号: 振动发生器 ES-3 开关型功率放大器 DA-3 4.4设备规格 4.4.1 正弦扫频 控制和测量通道 1～8 频率范围 5～4000Hz 扫频包线等幅、等速度、等加速度 分析方式 RMS、跟踪滤波 扫频方式线性—对数、正反扫、定频
车辆系统振动的理论模态分析
振 动 与 冲 击 第20卷第2期 JOURNA L OF VI BRATION AND SHOCK V ol.20N o.22001 工程应用 车辆系统振动的理论模态分析 Ξ 陶泽光 李润方 林腾蛟 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆 400044) 摘 要 将车体和转向架看成弹性体,采用有限元方法,建立用空间梁单元描述的具有50个自由度的车辆系统力 学模型,并以客车为例研究其垂向振动的固有特性,所得结果既反映系统动力学性能,又为动态响应计算和分析打下基础。 关键词:车辆动力学,模态分析,有限元法中图分类号:TH132.41 0 引 言 高速铁路运输以快速、节能、经济、安全和污染小 等优势,在与高速公路和航空等运输形式的竞争中迅速发展起来。列车运行速度的提高给机车车辆提出了许多新要求,带来了新的课题,如大的牵引动力、大的制动功率、剧烈的横向动力作用和更加明显的垂向越轨动力作用、复杂的高速气流、振动和噪声等。其中,振动和噪声是高速列车一个非常重要的问题,它既关系到高速列车运行的安全性,又关系到列车高速运行时的乘坐舒适度。 车辆系统是由车体、转向架构架、轮对,通过悬挂 元件联接起来的机械系统。通常,把车体及装载、转 向架构架及安装部件、轮对及装备视为刚体,作为刚体动力学系统,研究其动力特性[1,2],这方面的技术已比较成熟,有商品化的通用软件可供使用[3]。 本文将车体和转向架看成弹性体,采用有限元法,建立了用六自由度节点空间梁单元描述的车辆系统动力学模型,由于包括车辆的浮沉、点头垂向振动,车辆的横摆、侧滚和摇头横向振动的研究。在建立车辆系统离散化模型的基础上,计算车辆垂向振动的各阶固有频率和振型,为车辆系统的动态响应计算和分析打下基础 。 图1 车辆振动系统的有限元模型 1 车辆的动力学模型 将车辆振动系统简化为图1所示的分析模型,即 由车体、转向架和轮对通过弹簧与阻尼器连接起来的振动系统。其中,将车体和转向架看成空间弹性梁,每 Ξ西南交通大学牵引动力国家重点实验室开放课题基金资助项目 收稿日期:2000-10-10 修改稿收到日期:2000-11-20 第一作者 陶泽光 男,博士,副教授1963年12月生