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)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K CH （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/S 2，则此处为PC/M/S 2）；四合一放大器电荷增益（有的机器也叫单位增益）为K E （V/U ）；灵敏度适调为K SH （PC/U ）（DLF-2上为钟表式、DLF-3上为拨钮式）； 积分增益为K J （功能选择为线性时K J =1，为积分Ⅰ时K J =1，为积分Ⅱ时K J =10，为积分Ⅲ时K J =100。
有的仪器只有两个积分档，此时积分Ⅰ时K J =100，积分Ⅱ时K J =10）；电压增益为K V 。
（对于以前的四合一放大器，只有电荷增益或单位增益，此时K V 取1即可）。
则DASP 参数设置表中的标定值K 为：DLF 四合一放大器 或INV LF 低通滤波放大器东方科卡 + DASP 采集分析处理软件 传感器 图1 测试仪器连接图示K K K K K mv U CH E J SH =⨯⨯⨯1000(/)（1）对于第③种连接方式，假设传感器灵敏度为K CH （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：K K K K K mv U CH E J SH=⨯⨯⨯1000(/)（2） 对于电荷增益和电压增益分开的DLF-3四合一放大器：K K K K mv U CH V J =⨯⨯(/)（3）对于第④种连接方式，假设传感器灵敏度为K CH （mv/U ），INV 低通滤波放大器的增益为K V1，则在DASP 参数设置表中输入的标定值K 为：K K K mv U CH V =⨯1(/)（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。
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。
（2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（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：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：K CH=4PC/N，第一通道电荷增益为K E=1V/N，灵敏度适调为：K SH=10PC/N，功能选择档为线性（K J可假设为1），低通滤波2KHz，则按照公式（1），第一通道应输入的标定值为K=⨯⨯⨯=411101000400（mv/N）。
加速度传感器的灵敏度为：K CH=4.25PC/M/S2，第二通道电荷增益为K E=0.1V/M/S2，灵敏度适调为：K SH=10PC/M/S2，功能选择档为线性（K J 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值为：K=⨯⨯⨯=425011101000425...（mv/M/S2）。
标定值计算完成后，在DASP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、采样块数4，并选择自动设测点等，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-------------------------------------4Y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。