【注意】模态分析FAQ

happyman

    模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已趋成熟，它和有限元分析技术一起成为结构动力学的两大支柱模态分析作为一种“逆问题”分析方法，是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。
     鉴于很多人（包括我自己）在工作中对模态分析还有很多疑问，许久以来一直想系统整理一点模态分析方面的资料供大家参考，可是由于时间、能力与精力的限制未能如愿，所以就想借鉴目前很常用的FAQ的方式，大家可以提出问题也可以对问题给出答案，希望最后能形成一个比较完整、系统的模态分析FAQ ( Frequent Ask Question / 常见问题)。
     为了鼓励大家来完善这个FAQ，根据论坛的加分规则，每提出一个有价值的问题，给予加1分的奖励，对一个问题给出有效的回答，给予1～2分的奖励。加分的好机会，大家赶紧哦^_^
  
1.什么是模态分析？
     模态分析的经典定义：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。
  
2.模态分析有什么用处？
     模态分析所的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。
     模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：  
     1) 评价现有结构系统的动态特性；  
     2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；  
     3) 诊断及预报结构系统的故障；  
     4) 控制结构的辐射噪声；  
     5) 识别结构系统的载荷。
  
3.模态试验时如何选择最佳悬挂点？？
      模态试验时，一般希望将悬挂点选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点。  
  
4.模态试验时如何选择最佳激励点？
      最佳激励点视待测试的振型而定，若单阶，则应选择最大振幅点，若多阶，则激励点处各阶的振幅都不小于某一值。如果是需要许多能量才能激励的结构，可以考虑多选择几个激励点。  
  
5.模态试验时如何选择最佳测试点？
      模态试验时测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点。在最佳测试点位置其ADDOF(Average Driving DOF Displacement)值应该较大，一般可用EI(Effective Independance)法确定最佳测试点。
  
6. 模态参数有那些？
      模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。
  
7. 什么是主模态、主空间、主坐标？
     无阻尼系统的各阶模态称为主模态，各阶模态向量所张成的空间称为主空间，其相应的模态坐标称为主坐标。
  
8. 什么是模态截断？
      理想的情况下我们希望得到一个结构的完整的模态集，实际应用中这即不可能也不必要。实际上并非所有的模态对响应的贡献都是相同的。对低频响应来说，高阶模态的影响较小。对实际结构而言，我们感兴趣的往往是它的前几阶或十几阶模态，更高的模态常常被舍弃。这样尽管会造成一点误差，但频响函数的矩阵阶数会大大减小，使工作量大为减小。这种处理方法称为模态截断。  
  
9. 什么是实模态和复模态？ 
        按照模态参数（主要指模态频率及模态向量）是实数还是复数，模态可以分为实模态和复模态。对于无阻尼或比例阻尼振动系统，其各点的振动相位差为零或180度，其模态系数是实数，此时为实模态；对于非比例阻尼振动系统，各点除了振幅不同外相位差也不一定为零或180度，这样模态系数就是复数，即形成复模态。
  
10. 模态分析和有限元分析怎么结合使用，用试验模态分析的结果怎么修正有限元分析的结果？
  
欢迎大家继续！

[ 本帖最后由 FreddyMusic 于 2006-5-23 19:25 编辑 ]

getup8369

初步回答试试。
3. 模态试验时最佳悬挂点应该是某阶振型的节点吧
4.最佳激励点视待测试的振型而定，若单阶，则应选择最大振幅点，若多阶，则激励点处各阶的振幅都不小于某一值。
5.最佳测试点一般在一个波长内选择最大振幅点，节点及部分中间点。

Oasising

补充4：如果是需要许多能量才能激励的结构，可以考虑多选择几个激励点。
同时提出一个问题：模态分析和有限元分析怎么结合使用，用试验模态分析的结果怎么修正有限元分析的结果。

feaman117

这个问题,我也希望探讨清楚,对于一个给定系统, 如果采取自由悬置可以测试和计算出一组模态接,但是通常情况下,系统会受到约束,做过一个例子,进行约束后模态的形式和频率都发生了较大变化,那么:
1我们所计算的模态应该是切合实际的边界条件的模态频率和振型吧.
2而自由悬置的固有频率对于实际的问题的参考价值又是什么呢?我看很多都先做一些自由状态模态,不知道其指导如何体现!
3.模态质量的提取方式,在帖子:http://www.simwe.com/forum/viewthread.php?tid=1609
中有所论述和求解,那么对于其他的模态刚度,模态阻尼如何获得并用于其他分析计算呢?(有限元计算的话,比如Ansys)
4.模态合并方法的探讨.

michaelc

提一个问题： 在已经获取的某阶振型后， 如何通过定量分析的方法找出结构的质量缺陷

elvin

回答最后一个问题 通过试验模态分析 可以得到结构的特征频率
将结构阻尼略去 可以得到类似于线形代数中特征值的方程
其特征值为结构自振频率 特征向量为相应的振型

由于有限元模型 是实际工程结构的简化模型 分析其得到的自振频率与实验所得不一定相等。

这就要通过模型修正来对有限元模型进行修改。其步骤主要为：1.选择所要修改的参数，2.确定修正的目标，3.将其表示成为一个优化的问题，一般将进行迭代优化，4.判断是否达到目标。

模型修正是个很复杂的问题几句话说不清楚。

seimd

不知道版主还常来不

依据第10问，由于我正在朝这个方向研究，希望在研究结束后能答上这个问题

不过我现在有的疑问就是

11、用试验模态分析的结果修正有限元分析的结果的时候，有限元模型用什么方法来建立比较合适。

希望有前辈能看到，答一下这个问题。我知道这个问题和10一样的大，不是几句话能讲完的，有经验的大人请赐言。

FreddyMusic

原帖由 seimd 于 2006/5/23 17:17 发表
不知道版主还常来不？

你小子真有本事，这么老的帖子都被你撩起来了。

版主常来，昨天还被人捉奸在床。

zhangbingjun

12. 模态试验的支承方式有那些？选取原则？
13. 激励方式或信号如何选取？
14. 窗函数的使用？

happyman

原帖由 zhangbingjun 于 2006-6-5 14:32 发表
12. 模态试验的支承方式有那些？选取原则？
13. 激励方式或信号如何选取？
14. 窗函数的使用？

Waiting the answers for your questions.

johnliu

补充模态试验的方法：
1。 锤击法模态试验
2。 MIMO随机激励模态试验
3。 MIMO正弦激励模态试验（正弦扫描sine、步进正弦step sine）
4。 MIMO纯模态试验（Normal mode）
5。 工作模态（无人为激励）
各种模态试验应采用相应的软件，不能相互取代。用一般的FFT分析软件勉强可进行1、2两种，但需要你有足够的背景，如原点的FRF判断、相干检查。。。。

关于模态识别：
模态识别是基于试验的数据（FRF等），利用各种识别算法，得到模态参数的过程。针对小阻尼和离散的模态，利用SIMO法（极点拟合，圆拟合。。。等）较原始的方法，也可得到较好的结果。现在工程上一般都采用MIMO宽带识别方法，方便快速准确：
1。 最小二乘复指数法（LSCE），时域：对于普通阻尼的一般密集程度的模态都有较好的识别准确度和精度。如金属的结构部件和组建。
2。 频域直接识别法（FDPI）：对于小阻尼和中等阻尼的一般密集程度的模态都有较好的识别准确度和精度。
3。最小二乘复频域法（LSCF）：LMS最新的方法，LMS叫PolyMax。对于小阻尼大阻尼和密集模态均有很好的识别。可涵盖1、2两种方法。听说LMS将有基于PolyMax的傻瓜型自动识别，还未看到，不敢评论。如果数据信噪比不好（特别是工作模态数据），用PolyMax再好不过了。

补充试验模态与有限元关系（完整篇，可简化）：
1。预试验（PreTest）：根据有限元模态计算的模型和结果，优化激励点的位置和传感器点的位置，进而生成模态试验用的线架模型。
2。相关性分析(Correlation)：模态分析后，将FE和试验的一组模态进行相关性检验，给出MAC值、正交性等的定量值，判断是否需要对有限元模型进行修正（Updating）。
3。人工对有限元模型进行修正：根据相关性分析的结果，进行MACCO等进一步的分析，了解结构哪些部位相关性好，哪些部位相关性差，进而对有限元模型进行手工的修正，修正后重新计算有限元模态，再进行相关分析，观察修正后的相关性好坏，重复。。。
4。软件进行修正：选取模型中的比例参数（E，泊松比、密度。。。）和设计参数（尺寸等）作为优化的变量，对模态频率或MAC进行灵敏度分析，变量筛选（DoE），将模态频率或MAC为目标做优化。优化收敛结束即是软件修正的完成。

jasonnihao

还是针对第十个问题，基本的修正步骤大家都能清楚，想要具体操作实施，是很复杂的，
我提一个问题，对于计算后的归一化振形如何提取与实测模态进行mac值的计算

nvhtest

模态分析与测试经验很重要，去NVH工程论坛和一线工程师探讨模态分析的实际工程问题吧。

fancy_fj

关于模态试验结果修正有限元模型
基本流程 对有限元模型进行缩减--试验和有限元模型关联，计算MAC值--有限元模型灵敏度计算--选定优化目标和参数进行优化。
每一步里都不少具体问题，涉及很多方面，请达人补充。

此外介绍一本书《模态分析理论和试验》沃德海伦写的，很说明问题。

sh_lin30

这么好的帖子，别沉啊

sh_lin30

补充一个问题：
有效质量、模态质量、广义质量，如何定义，公式推导，应用范围，有什么联系？请解释一下

chg205

学习，好贴！