模态分析操作指南

模态分析软件操作

说明及实例

东方振动和噪声技术研究所

1999.3.16

- 1 -

目 录

一 模态分析的步骤………………………………………………2 1.确定分析的方法………………………………………………………2 2.测点的选取、传感器的布置…………………………………………2

3. 仪器连接……………………………………………………………………3 4. 示波…………………………………………………………………………3 5. 输入标定值…………………………………………………………3 6. 采样……………………………………………………………………4 7. 传递函数分析…………………………………………………………4 8. 进行模态分析…………………………………………………………4 二 模态分析实例………………………………………………5

例一 自由梁的模态分析实例…………………………………………5 例二 楼房的模态分析实例……………………………………………15

- 2 -

模态分析是一种参数识别的方法，因为模态分析法是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。

模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量（或称特征振型、模态振型）。试验模态分析便是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。

东方所研制的模态分析系统，自推出以来参与了许多重大的科研项目如大型航空航天设备（长征火箭、通信卫星、大型雷达、火箭发射平台等）、大桥（火箭激振钱塘江大桥、锤击法激振乌海黄河铁路大桥属国内首次）、大楼、大坝、、机车（汽车）车辆和大型港口机械等，分析精度高、操作简便，尤其是变时基模态分析及高速模态三视图动画技术更是在国内外处于领先地步。

一、模态分析的步骤

1. 确定分析的方法

DASP中提供的模态分析方法有多输入单输出法、单输入多输出法和多输入多输出方法。一般采用较多的是多输入单输出或单输入多输出方法，在这两种方法中选取时，视哪一种方法简便而定，如激励装置大、不好移动但传感器移动方便就选取单输入多输出方法（即单点激励、多点移步拾振）；如传感器移动不方便但激励装置小、容易移动就选取多输入单输出方法（即单点拾振、多点移步激励）。

有时结构因为过于巨大和笨重，以至于采用单点激振时不能提供足够的能量，将我们所感兴趣的模态都激励出来；其次，结构在同一频率时可能有多个模态，这样单点激振就不能把它们分离出来，这时就要采取两个甚至多个激励来激发结构的振动，即采取多输入多输出方法。

在DASP中进行模态分析时，由于采用了高弹性聚能力锤和先进的变时基传递函数分析技术，对于象大型铁路桥、火箭发射平台这样的大型结构用力锤敲击就能分析出结构的模态；对于大型的混凝土结构（如大楼）可以以天然脉动作为激励信号进行模态分析。所以在大多数情况下，采取单输入多输出或多输入单输出方法就可完全满足工程需要。

2. 测点的选取、传感器的布置

选择好分析方法后，就要根据结构的特点和试验目的确定测点的数目和布置，以及传感器的安装方法等。

测点的选取包括激励点和响应点的选择，如是单输入多输出方法，要先确定敲击点的位置，敲击点位置的选择很重要，要尽量避免选在前几阶模态振型的节

- 3 -

点处，以免丢失模态。然后是确定响应点的数目和每一个测点的位置；当采取多输入单输出方法时，要先确定拾振点的位置，然后再确定敲击点的数目、方向和每一个敲击点的位置。（关于测点的选取，后面还会结合例子进行进一步说明）

选取测点时，还要考虑传感器安装的方便，测点选定后，传感器如何安装（用磁座、橡皮泥还是螺钉固定）要和结构的具体情况结合，有时还需要专门做夹具以利于传感器的安装。

3. 仪器连接

使用INV系统比较典型的几种连接方式有：

①力传感器 →DLF系列四合一放大器（电荷输入通道） → 东方科卡 → DASP采集分析系统

DASP,(Data Acquisition & Signal Processing),数据采集和信号处理 ②压电传感器 → DLF系列四合一放大器（电荷输入通道） → 东方科卡 → DASP采集分析系统

③速度或位移传感器（输出电压的传感器） → DLF系列四合一放大器电压输入通道 → 东方科卡 → DASP采集分析系统

④速度或位移传感器（输出电压的传感器） →INV LF（AF）系列低通滤波放大器 → 东方科卡 → DASP采集分析系统 东方科卡 DLF四合一

+ 放大器

传感器 DASP采或 集分析处INV LF低通 理软件 滤波放大器 图1 测试仪器连接图示

4. 示波

采样测试以前要进行示波，通过改变放大器的增益调整波形的大小，使采样数据的信噪比尽可能大，但又不会出现饱和的情况。建议在示波过程中出现的电压最大值（正常数据）控制在3伏以下，这样即使偶尔出现大信号也不至于饱和。

5. 输入标定值

通过示波调整好仪器的状态（如传感器档位、放大器增益、是否积分以及程控放大倍数等）后，要在DASP参数设置表中输入各通道的工程单位和标定值。 工程单位随传感器类型而定，或加速度单位，或速度单位，或位移单位等等。 对于①②种连接方式，假设：

传感器灵敏度为KCH（PC/U）（PC/U表示每个工程单位输出多少PC的电荷，如是力，而且参数表中工程单位设为牛顿N，则此处为PC/N；如是加速度，而且参数表中工程单位设为M/S2，则此处为PC/M/S2）；

四合一放大器电荷增益（有的机器也叫单位增益）为KE（V/U）；

- 4 -

灵敏度适调为KSH（PC/U）（DLF-2上为钟表式、DLF-3上为拨钮式）； 积分增益为KJ（功能选择为线性时KJ=1，为积分Ⅰ时KJ=1，为积分Ⅱ时KJ=10，为积分Ⅲ时KJ=100。 有的仪器只有两个积分档，此时积分Ⅰ时KJ=100，积分Ⅱ时KJ=10）； 电压增益为KV。（对于以前的四合一放大器，只有电荷增益或单位增益，此时KV取1即可）。

则DASP参数设置表中的标定值K为：

KCHKEKJ1000(mv/U) （1） KKSH对于第③种连接方式，假设传感器灵敏度为KCH（mv/U）（mv/EU表示每个工程单位输出多少mv的电压，例如mv/mm，mv/m/s，其中工程单位要和DASP参数设置表中的工程单位一样）；其余符号的意义和前面的一样。对于DLF-2四合一放大器以及电荷增益和电压增益没有分开（即只有单位增益旋钮）的DLF-3放大器，在DASP参数设置表中输入的标定值K为：

KCHKEKJ1000(mv/U) （2） KKSH对于电荷增益和电压增益分开的DLF-3四合一放大器：

KKCHKVKJ(mv/U) （3）

对于第④种连接方式，假设传感器灵敏度为KCH（mv/U），INV低通滤波放大器的增益为KV1，则在DASP参数设置表中输入的标定值K为：

KKCHKV1(mv/U) （4）

6. 采样

关于采样的操作可以参见DASP说明书中的第五章。

采样方式的确定取决于模态分析的方法，一般情况下，建议使用天然脉动法时用随机方式；使用敲击法作模态时用变时基方式。 采样频率的选择要根据欲采信号的最高频率而定，信号采集时一般要经过低通滤波器，作模态时一般采样频率取低通滤波频率的2.5～3倍即可。

天然脉动法作模态时，每通道采样时间最好在半个小时以上，而且采样时，外界干扰越小越好；敲击法作模态时，每个点的敲击次数（即每测点的采样块数）应该在三次以上，这样经过平均后，可以有效减小误差，对于大一些的结构，每个点最好能敲击十次以上。

7. 传递函数分析

关于传函分析的详细操作请参见DASP说明书中第七章的7.13、7.14和7.15节，需要注意的是如果采样时用的是变时基方式，进行传函分析前，在参数设置中的采样类型必须设为变时基。

8. 进行模态分析

详细操作请参见DASP说明书中第十章。

- 5 -

二、模态分析实例

例一、有一根梁如下图所示，长（x向）100cm，宽（y向）5cm，高（z向）2cm。欲使用多点敲击、单点响应方法做其z方向的振动模态，可按以下步骤进行。

（1） 测点的确定

此梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在x方向顺序布置若干敲击点即可（本例采用多点移步敲击、单点响应方法），敲击点的数目视要得到的模态的阶数而定，敲击点数目要多于所要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。此例中在x方向把梁分成十等份，即可以布十一个测点。选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，此处取拾振点在第五个敲击点处。

5 10 3 4 6 7 9 2 8 11 1 拾振点

（2）仪器连接

仪器连接如下图所示，其中力锤上的力传感器接DLF-3第一通道的电荷输

入端，压电加速度传感器接DLF-3第二通道的电荷输入端，DLF-3前面板

力锤 3 4 5 压电加速度传感器 1 2 6 7 8 9 10 11 DLF-3双通道四合一放大器 INV采集系统 DASPV6.61 分析软件 - 6 -

的输入选择相应地拨到电荷一端。DLF-3的两通道输出分别接INV接口箱（盒）上的第一、二通道。

（3）示波

仪器连接好后，启动DASP软件，选择示波菜单中的随机方式双踪时域示波，用力锤敲击各个测点，观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器连接是否正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至示波波形正确为止。然后退出本功能，再转到变时基方式双踪示波，选定采样频率（例如8000Hz）和变时倍数（例如4倍），使用适当的敲击力敲击各测点，调节放大器的放大倍数或INV的程控倍数，直到力的波形和响应的波形大小合适为止，下图即为一个示波波形的例子。

（4）参数设置

对示波波形满意后，退出示波菜单，选择参数设置功能，出现参数设置表，首先依自己意愿取一个试验名（不超过三个字母），本例取名为：1EX（例一）；然后选择一个试验号（本例中取1）、数据路径：C:\\1EXOUT、结果路径：C:\\1EXOUT（数据路径和结果路径可以一样，也可以不一样）；采样类型设为：变时基；单位类型设为：可变；输入类型选为：工程单位；把第一通道的工程单位设为：N（牛顿），第二通道的工程单位设为：M/SS（加速度）；其余通道本例不用。到此步骤，参数设置表如下所示：

- 7 -

最后，输入标定值。通过示波已经定好了放大器的档位，力传感器的灵敏度为：KCH=4PC/N，第一通道电荷增益为KE=1V/N，灵敏度适调为：

KSH=10PC/N，功能选择档为线性（KJ可假设为1），低通滤波2KHz，则按

411照公式（1），第一通道应输入的标定值为K。1000400 （mv/N）

10加速度传感器的灵敏度为：KCH=4.25PC/M/S2，第二通道电荷增益为KE=0.1V/M/S2，灵敏度适调为：KSH=10PC/M/S2，功能选择档为线性（KJ可假设为1），低通滤波2KHz，则按照公式（1），第二通道应输入的标定

4.2501.1值为：K100042.5 （mv/M/S2）。标定值计算完成后，在

10DASP参数设置表中，把光标移到“输入类型”项目栏，将工程单位改为标定值，然后输入第一通道的标定值：400、第二通道的标定值：42.5。此时参数设置表如下所示：

参数设置完成后，按[Esc] 键，存盘退出参数设置功能。

（5）采样

在主菜单中选择“S 采样”子菜单，选择变时基方式采样功能，接着按照屏幕提示设置采样参数：第1次试验（试验号为1）、采样通道数为2、采样频率为8000Hz、程控放大倍数两通道都为1，输入测点号时，使第一通道（力通道）的测点号为：f1，第二通道（响应加速度通道）的测点号为：1，如下图所示：

第几次试验-------------------------------1 输入采样通道数-------------------------2 输入采样频率----------------------------8000

输入测点号 1 Channel 1 2 Channel 2 f1 1

之后，选择触发电平250mv、变时倍数4、滞后点4、采样块数4，并选择

- 8 -

自动设测点等，最后采样参数设置屏幕如下图示：

第几次试验-------------------------------1 输入采样通道数-------------------------2 输入采样频率----------------------------8000 触发电平----------------------------------250 变时倍数----------------------------------4 滞后点-------------------------------------4 采样块数----------------------------------4 CH. 1 2 AMP NOD 1 f1 1 1 自动设测点 [N] （Y） Y 检查同名文件 [N] （Y） N 对吗？ [Y] （N）

在“自动设测点”选项中，如果选N，则在采样过程中，更换测点号时，必须手工设置；如果选Y，当采完一个测点的数据并存盘后，测点号自动递增，可以直接采下一个测点的数据，大大提高了工作效率。

确认后，按任意键继续，屏幕如下所示：

第1 次采样！按[Q]键退出

此时，用力锤在1#敲击点处敲击，使第一通道触发采集1024个数据点（一块），观察波形，如果波形不好或出现连击现象，按R键取消本次敲击，重新采本块数据；如果对波形满意，按回车键，程序等待下一次触发，此时进行第二次敲击，当采完四块数据时（因为采样块数设置为4），提示音响两次，按S键把本次采样数据存入硬盘，可以看到右边状态栏中的力测点号（For）变为f2，响应测点号（Res）变为2，此时可以移动力锤到第二个敲击点处，进行下一个测点的采样，如此继续一直到采完十一个点的数据，存盘后，程序还会等待采样，这时按Q键，紧接着按Esc退出采样。

- 9 -

（6）传函分析

在主菜单中选择“A 分析”子菜单，选择传递函数分析功能，接着按回车键选择通用传函分析，按屏幕提示输入试验号和输入、输出的测点号，如下所示：

第几次试验--------------------------------1 输入输入测点号--------------------------f1 输入输出测点号--------------------------1

然后输入指数窗参数（指数窗参数意义参见DASP说明书，一般取为5即可）、回答是否去直流分量及输入谱修正系数：

指数窗参数（*E-3）--------------------5 去直流分量吗-----------------------------Y 输入谱修正系数---------------------------0

对吗？ [Y] （N）

按任意键确认后，程序把相应的波形调出并显示出来，此时移动光标给力信号加力窗（加力窗操作参见DASP说明书中的7.13.节），力窗宽度应该比脉冲信号稍宽一些。加完力窗后如下图所示：

按F9键进行分析，由于每个测点采了四块数据，所以最多可平均四次，计算完成后，屏幕显示计算的传递函数结果：

- 10 -

按S键把结果存盘，再按M键进行自动分析，按屏幕提示输入相应测点号：

输入开始测点号-----------------------f2 输入最后测点号-----------------------f11 输出开始测点号-----------------------2 输出最后测点号-----------------------11 对吗？ [Y] （N）

确认后，程序按f2-2、f3-3……的对应关系自动进行传函计算，每次的计算结果都自动存盘。

自动计算完毕后，可以查看计算结果，也可以不看。

（7）模态分析

在主菜单中选择“A 分析”子菜单，选择模态分析功能，接着按回车键选择多输入单输出分析方法，按下面的步骤作模态分析。

①参数选择

传感器类型为加速度 原点导纳位置为5 总测点数为11

②输入几何结构及约束

询问“How many parts [1] (<=10)?”时，输入1或者按回车键代替；之后选择直角坐标系生成结构，问坐标原点位置时，按回车键选择缺省值；然后要求输入总共节点数，按回车键接受缺省值（实际输入时可以更改）。最后屏幕如下所示：

按A键选择自动输入功能，依照下图所示输入结构生成的参数：

- 11 -

按回车键接受XYZ坐标模式，结果程序自动生成44个（11×4）节点的坐标。

按Esc继续下一步：输入连线信息，本例中由于上一步选择自动生成功能，连线信息也自动生成，在此可以对自动生成的连线信息进行修改，如不需要修改，按Esc继续下一步：输入约束信息，在此需要输入几何节点和实际响应测点的对应关系，由于现在不清楚几何节点的具体分布，可以按Esc键，先跳过这一步，等观察完结构后，再回到这一步输入约束。

按Esc键后，屏幕显示生成的结构图，按F1键可以得到操作帮助，按X、Y、Z键可以旋转结构，按N键观察几何节点的分布。生成的结构和节点分布如下图所示：

从图中可以看出，节点1、12、23、34在一个横截面上，节点2、13、24、35在一个横截面上，依次类推，最后节点11、22，33和44在同一个横截面上。我们实际上只有11个测点，分别和1～11节点相对应，但此梁可以简化为杆件，所以应把同一截面上的点约束在同一个测点上，即节点1、12、23、34被测点1约束，2、13、24、35被测点2约束，……

观察结构图形并确认无错后，按Esc键，屏幕提示：

OK？ [Y] （N）

按回车键退出，屏幕显示：

- 12 -

[1] -------- Review the component [2] -------- Review the conjunction [3] -------- Show the structure [Esc] -------- Exit

选择1，之后或按回车，或按Esc键一直到输入约束信息步，用方向键移动光标（白色光条）到“Z”下方，如下图所示：

按回车键，屏幕右下脚出现光标，提示输入约束测点号，输入1再按回车，屏幕显示：

按A键自动输入，在屏幕右下脚依照下图按提示输入：

**Auto Input** How many node?

- 13 -

[10] 10 Input Step [1] 1

程序按步长1自动增加10个测点号，如下图所示：

按向下的方向键，把光标往下移动一格，按回车键输入1，之后按以上相同的步骤自动输入，使节点12～22、23～33、34～44都受测点1～11的约束，输入完成后，屏幕如下显示：

- 14 -

输入完成，按Esc键退出，屏幕显示结构图，依次按Esc键、回车键、Esc键退到模态分析主菜单。结构生成结束。

③模态拟合

⒈确定模态阶数

选择集总平均方法，程序把计算的十一个传函结果进行平均，完成后，屏幕显示平均结果：

移动屏幕上两条红虚线，收住峰值，具体操作可以按F1键得到帮助，也可以参见DASP说明书中10.6.节内容。本例收集的几阶模态如下图示（共收7阶）：

收完后，按S键存盘，然后按Esc退到模态拟合菜单。 ⒉进行模态拟合

有六种拟合方法可供选择，本例选择第二种方法：复模态单自由度拟合方法。拟合完毕后，返回模态拟合菜单。“比较拟合结果”是将拟合所得的结果和实测所得的传递函数曲线进行比较，这一步骤可选。

④振型编辑

- 15 -

质量归一和振型归一两种方式随各自需要任选，本例选择质量归一。编辑完成后退到模态分析主菜单。

至此，模态分析已经完成，以后可以观察分析结果，也可以观察模态振型的动画显示。

⑤显示及打印报告

具体操作可参见DASP说明书10.12.节。

⑥动画显示

具体操作可参见DASP说明书10.13.节。

例二、有一栋七层高的楼房，简图如下所示（几何节点一并标出）：

准备做其水平Y方向的模态，作模态的步骤和例一类似，这里拣需要注意的地方重点说明。

（1） 分析方法和传感器选择

类似楼房、大桥这样的结构，作模态时，设备激励比较困难，一般采用环境激励的方法，即以天然脉动作为激励信号，属于单输入多输出方法。采用此种方法，要求测试时间要长（每次采样最好不少于半个小时），测试时要尽量保持安静，以减少干扰的影响，如有条件，可以选在晚上。

象大楼这样的结构，固有频率都比较低，一般要选用低频特性好的位移或速度传感器，本例中选用哈尔滨工力所生产的891-Ⅱ型水平速度传感器。

（2） 布点

如果只想做出弯曲模态，可以只布8个测点，测点1放在一层地面，往上每

- 16 -

层楼布一个水平方向传感器，一直到楼顶，共8个测点。传感器摆放位置要尽可能靠近每层楼的几何中心处，这样，在输入约束信息时，可以把每层楼的4个几何节点约束在同一个测点上。

如果还想做出扭转模态，可以布16个测点，即每层布两个测点，节点1、3中间布一个，节点2、4中间布一个，依次往上，直至楼顶，共16个测点。在输入约束信息时，1、3约束在同一个测点上，2、4约束在同一个测点上，等等。

总之测点的布置随需要而定，只要在输入约束信息时，把几何节点和实际测点的对应关系输对即可。本例中布8个测点。

（3） 仪器连接及采样

本例使用东方所生产的INV LF-8型低通滤波放大器，连接顺序：传感器→INV LF-8→INV采集系统接口盒→DASP软件。

本次的激励由于采用天然脉动信号，频带和楼房振动的频带相差不大，所以采样时没必要用变时基方式，一般用随机方式采样数据进扩充内存或硬盘即可；采样频率视楼房的具体情况和模态分析的需要而定，一般做楼房模态分析时，高于20Hz的模态都不考虑，测试时，在传感器和采集系统之间都要有滤波放大器，如果低通滤波至20Hz，采样频率为50Hz就足够了。

实际测试，要尽量利用现有条件，争取节约测试时间，下面以现有传感器的数量具体说明采样时的情况。

⒈两个传感器的情况

本例中需要的传感器不能少于两个，一个传感器放在一处选好的地面上（也可和地面上某个测点在一起）作为输入激励，在整个测试过程中不要移动；另一个传感器逐点移动，开始测试时，两个传感器如下所示放置： 测振方向 INV 303 INV LF-8 +

DASP6.61 节点1 节点3

一层楼地面 1# 2#

其中1#传感器作为激励接INV LF-8第一通道，2#作为要逐点移动的传感器接INV LF-8第二通道，采样时，第一通道测点号设为f1，第二通道测点号设为1，采完后，把2#传感器移到第二测点处（本例中在二楼），1#传感器不动，进行第二次采样，此时，第一通道测点号设为f2，第二通道测点号设为2；采完后，继续移动2#传感器，直至最后一个测点，共采到16组数据：f1-1、f2-2……f8-8。做传函时，也要注意它们的对应关系。

⒉多个传感器的情况

对于此例，最好能有8个传感器，测试时每层楼放一个，测点号分别为1、2、……8，这样，一次采样就能全部采完，节约了时间。传函分析时输入输出的对应关系为1-1、1-2、……1-8（一楼的测点1同时作为激励点）。

如果少于8个传感器，例如5个（为便于区分，设编号分别为0#～4#），

- 17 -

测试时，先采5个通道，0#和1#传感器放在一楼，2#、3#、4#分别放在2、3、4楼，测点号可以分别为f1、1、2、3、4；第二次采集时，0#传感器不动，1#～4#分别移到5、6、7层和楼顶，测点号分别为f2、5、6、7、8。这样信号采集要分两次完成，传函分析时，输入输出的对应关系为：f1-1、f1-2、f1-3、f1-4、f2-5、f2-6、f2-7、f2-8。

（4） 参数设置

下面是本例实际测试时的参数设置表：

由于传感器用的是速度型的，所以工程单位为m/s，输入标定值时，标定值的计算可以参见公式（4），例如 0#传感器→INV LF-8第一通道→INV303第一通道，传感器灵敏度为KCH=7740mv/ms-1，INV LF-8第一通道增益为KVl=100，则按公式（4），在参数设置表中第一通道的标定值输入：

(mv/ms1) K7740100774000即在参数设置表中第一通道标定值输入：774000。

（5） 模态分析

传感器类型设为速度；如果只设8个测点（每层一个测点），原点导纳位置可设为1；总测点数为8。

如果每层楼高（z向）5米，、长（x向）5米、宽（y向）2米，自动生成结构时的设置为：

- 18 -