模态实验中采集仪对小型结构模态的影响

模态实验中采集仪对小型结构模态的影响

邓珍强

西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055

摘要：模态分析在科研工作中扮演着重要角色，为工程设计及危险的预防提供了有限的手段。通过模态分析得到结构的模态参数，从而指导工程工作开展。在实际工作中人们通过数据采集手段采集结构的振动信息再通过相应的软件进行傅里叶变换计算得到结构的固有模态。然而对于小型结构或缩尺结构，尤其是轻质钢结构，采集器的重量对结构本身频率的影响，很少有人考虑。本文通过对一六层铝制小型框架的模态实测和通过ABAQUS及NASTRAN有限元模拟的对比试验，验证采集仪对小型结构固有模态的影响。

关键词：模态分析；ABAQUS&NASTRAN；采集仪；固有模态

引言

模态分析和结构有限元软件成为处理工程问题的两大主流方法。它是传统计算结构振型的逆运算。由于其建立在工程实测的基础上，因此有很高的可信度。清华大学的陆秋海和李德葆对模态理论的进展做了为全面的介绍[1],西南科技大大学梁君和赵登峰对模态分析方法做了综述【2】

本文通过北京东方所研发的DASP模态测试系统对铝框架进行实际模态测量，得到其固有模态，然后通过ABAQUS和NASTRAN建模，模拟采集仪在不同位置时的情况，计算结构的各阶振型频率的值，并做比较。

图2-1图2-3考虑采集影响的模型图2-4不考虑采集仪影响的模型

由上诉推导知实验模态分析的任务就是由一定频段内的实测频率响应函数数据，确定系统的模态参数过程

2实测结构模态

2.1模型参数

2.2.1模型物理参数

弹性模量为7.0E10Pa,泊松比取0.33，密度为

2700kg/m3。

2.2.2模型几何参数

每层板长188mm,宽160mm,厚3mm。每根柱直径

8mm，柱圆心距板长边边缘9mm，柱圆心距板短

边边缘9mm框架结构模型每层净层高79.5mm。

铝质框架结构的实体图如下图所示：

2.2实测数据结果

应用北京东方所制造的DASP采集系统，测量固接与地面的铝质框架模型，本实验采用橡皮锤激励的方法使结构震动，试验中严格控制外接的噪声干扰，确保采集到的振动信息有较高的信噪比。最终得到结构的模态值，本次实验选取其前八阶频率值，如表2-1示：

4对比与分析

4.1建模误差

通过模型3的误差曲线可以看出软件模拟值比实测值要高，但是整体误差基本控制在5%以内，造成该误差的主要原因是结构本身是通过螺丝链接，存在很多薄弱环节，而建模时这些因数很难都考虑进去。

4.2实验误差

结构本身较小，环境噪声对其的影响较大。对于小型结构，很难保证在锤击时其锤击方向的正确性。

4.3不同误差曲线分析

虽然建模和实验中存在一定误差，但是整体上还是可以接受的，比较模型1和模型2，可以看出其误差值及误差走势接近，通过模型3与模型1和模型2的误差曲线比较，可以清楚的看到，模型3与实测值更接近，由于未考虑采集仪的影响，模型1和模型二的误差值较大，尤其是在4、5、8阶。但是通过比较模型1、模型2、模型3，可以看出其前三阶误差值都在5%，且比较接近，因而说明其对基本振型影响不大，对高阶影响明显。

5结论

通过本次实验，可以发现，在小型结构的模态实验中，采集仪对结构的固有模态影响较大，因此在实验中因通过实验方案的改进，以达到尽量减少采集仪数量的，提高实验精度的目的。

参考文献：

[1]陆秋海，李德葆sss.模态理论进展[J].力学进展.1996.6：465-472.

[2]梁君，赵登峰.模态分析方法综述[J].现代制造工程.2006.8：139-141.

[3]克拉夫，彭津，著.王光远,译.结构动力学(第二版)[M].高等教育出版社，2015.