振動(dòng)系統(tǒng)各階固有頻率及模態(tài)測試探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張辛 王旱祥 董祥偉 劉延鑫

摘要：設(shè)置本探究性實(shí)驗(yàn)是為讓學(xué)生在掌握機(jī)電信息檢測與處理技術(shù)課程關(guān)于力測量、振動(dòng)測量和信號(hào)分析處理等基本知識(shí)基礎(chǔ)上，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)簡支梁模態(tài)分析的理論計(jì)算，實(shí)際操作，數(shù)據(jù)記錄與分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)電信息檢測時(shí)傳感器、信號(hào)加工裝置、力及振動(dòng)測量和信號(hào)分析相關(guān)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生理解模態(tài)分析理論，掌握測試方法、儀器設(shè)備和分析軟件的使用，提高工程應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)系統(tǒng);模態(tài);探究性實(shí)驗(yàn);固有頻率

中圖分類號(hào)：TE95? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）11-0269-02

機(jī)電信息檢測與處理技術(shù)是機(jī)自專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課，課程內(nèi)容涉及傳感器、信號(hào)調(diào)理裝置、轉(zhuǎn)換裝置及數(shù)據(jù)記錄與輸出儀器[1]，通過本探究性實(shí)驗(yàn)[2]，可以掌握模態(tài)分析的原理及測試分析方法，進(jìn)而將模態(tài)分析方法用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、響應(yīng)計(jì)算和載荷識(shí)別。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

實(shí)驗(yàn)原理是將結(jié)構(gòu)物在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行人為激振，通過測量激振力與響應(yīng)并進(jìn)行頻譜分析，識(shí)別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。通過本探究性實(shí)驗(yàn)，可以掌握模態(tài)分析的原理及測試分析方法，進(jìn)而將模態(tài)分析方法用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、響應(yīng)計(jì)算和載荷識(shí)別。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容[3]主要有：

1.增加實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)物利用有限元分析模型來確定模態(tài)試驗(yàn)的測量點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)，參照計(jì)算振型對(duì)測試模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辯識(shí)命名的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.要求學(xué)生掌握人為對(duì)結(jié)構(gòu)物施加一定動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采集各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及激振力信號(hào)，根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào)，用各種參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)參數(shù)的技術(shù)。

3.增加了激振拾振裝置、雙通道FFT分析儀、和模態(tài)分析軟件包的正確使用。并能將結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動(dòng)進(jìn)行三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示。

4.可讓學(xué)生加深對(duì)不測力法利用系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼或阻尼比等模態(tài)參數(shù)計(jì)算方法的理解。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容

（一）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為通過可由力傳感器檢測作用力的力錘擊打簡支梁，使簡支梁產(chǎn)生振動(dòng)，由振動(dòng)傳感器測取簡支梁的振動(dòng)情況，將力和振動(dòng)信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)分析儀進(jìn)行分析，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的模態(tài)分析軟件包分析獲得簡支梁的固有頻率、模態(tài)振型等。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.對(duì)簡支梁進(jìn)行有限元分析。建立簡支梁有限元分析模型，通過專用軟件理論分析簡支梁的固有頻率和模態(tài)振型，同時(shí)確定測力法實(shí)驗(yàn)時(shí)簡支梁的激勵(lì)點(diǎn)和測量點(diǎn)。

2.傳感器的安裝調(diào)試。正確掌握力和加速度傳感器的使用，在錘子端部安裝壓力傳感器，在簡支梁上安裝加速度傳感器，進(jìn)行接線，利用力錘擊打由有限元分析得出的簡支梁激勵(lì)點(diǎn)位置進(jìn)行測試。

3.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。錘子端部的壓力傳感器和部署梁上的加速度傳感器分別測試錘擊力和振動(dòng)加速度，由電荷放大再接入采集系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)理的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)由軟件進(jìn)行分析處理。

4.信號(hào)處理與振型動(dòng)畫。進(jìn)行信號(hào)時(shí)域或頻域信號(hào)處理。如譜分析、傳遞函數(shù)估計(jì)、脈沖響應(yīng)測量以及濾波、相關(guān)分析等獲得參數(shù)識(shí)別的結(jié)果，同時(shí)將得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)模型采用動(dòng)畫的方法顯示。

（三）改進(jìn)之處

1.模態(tài)分析通過給結(jié)構(gòu)施加一個(gè)激振力，激起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)及激振力之間的頻率響應(yīng)函數(shù)，來尋求結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。學(xué)生通過選擇力錘和激振器兩種激勵(lì)方式，多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)以及單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的測試方法，可以更加深入地了解實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的全過程，增強(qiáng)學(xué)生理解力，提高學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生自行探索實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場工程測試的區(qū)別。

2.增加有限元計(jì)算環(huán)節(jié)，由原來教師確定激勵(lì)點(diǎn)和測量點(diǎn)改為學(xué)生通過模態(tài)參數(shù)估計(jì)，來確定激勵(lì)點(diǎn)和測量點(diǎn)。理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，能夠更加準(zhǔn)確清晰地進(jìn)行驗(yàn)證，確保模態(tài)結(jié)果的可信度。

3.增加結(jié)果的分析動(dòng)畫演示，各階模態(tài)參數(shù)分別顯示或同時(shí)顯示一個(gè)或多個(gè)模型上，動(dòng)畫的幅度和速度可以隨時(shí)暫停隨時(shí)調(diào)整。實(shí)測數(shù)據(jù)同步動(dòng)畫顯示在模型上，形象地顯示試件的真實(shí)變形過程;響應(yīng)頻譜或傳遞率同步顯示在模型上，形象地顯示試件在某個(gè)頻率激振下的變形情況，從而在峰值附近估計(jì)模態(tài)參數(shù)。

三、結(jié)束語

經(jīng)過本探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，可以熟練使用有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的固有頻率計(jì)算和模態(tài)分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的參數(shù)識(shí)別;掌握實(shí)驗(yàn)室利用測力法分析結(jié)構(gòu)物的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度;熟練使用相關(guān)振動(dòng)測試傳感器（位移、速度和加速度），掌握機(jī)械裝置利用加速度傳感器測試振動(dòng)的測試方法;掌握利用軟件將測量得到的響應(yīng)進(jìn)行自功率譜、互功率譜、傳遞率、相干函數(shù)分析和對(duì)固有頻率、模態(tài)振型等進(jìn)行測試的方法，為從事機(jī)電信息檢測科研或開發(fā)崗位打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)技能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑜，左敏，胡洋，等.淺談學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制在偏理論型專業(yè)課程中的重要作用[J].教育教學(xué)論壇，2018，（25）：173-174.

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[3]陳少華，相文峰，冷文秀，等.探究式教學(xué)法在《高等激光物理》課程中的探索與嘗試[J].教育教學(xué)論壇，2018，（25）：163-164.

Design of an Exploratory Experiment for Testing of Multi-level Natural Frequency and Modality of a Vibrating System

ZHANG Xin，WANG Han-xiang，DONG Xiang-wei，LIU Yan-xin

（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China）

Abstract：The purpose of setting up this exploratory experiment is to enable students to master the theoretical knowledge of force measurement，vibration measurement and signal analysis and processing based on the basic knowledge of electromechanical information detection and processing technology.The experimental course systematically combines contents of sensors，signal processing devices，force and vibration measurement and signal analysis for the technology of electromechanical information detection.Through the theoretical calculation，practical operation，data recording and modal analysis of an experimental beam，students are allowed to understand the theory of modal analysis，master the use of test techniques，instruments and analysis software，and improve the ability for engineering applications.

Key words：vibration systems;modal tests;exploratory experiment;natural frequencies