[发明专利]一种基于互谱函数的运行模态分析实验方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及运行模态分析技术领域，尤其是一种运行模态分析实验方法及装置。 

背景技术

在工程测试技术、机械振动学等课程的教学过程中，加入一些模态分析实验，可以激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性和主动性，培养学生的创新能力，大幅度提高教学效果。通过实验可以使学生获得丰富的感性认识，加深学生对模态参数概念及其求解方法的理解，降低自学过程中学生遇到问题的难度。 

模态测试常常用于实际工作条件下的模态模型的提取、状态监控和分析、非线性系统研究、故障分析和验证有限元模型的正确性。现有实验模态分析系统一般由三部分组成：1.激振系统：使得系统振动。2.测量系统：用传感器测量实验对象的各主要部位上的位移、速度或加速度振动信号。3.分析系统：将采集到的激励信号和响应信号经过数模转换记录到计算机中，用软件系统识别振动系统的模态参数。实验的基本步骤如下：1)确定实验模型，将实验结构支撑起来；2)模态实验一般用激振锤锤击法利用激励实验结构，记录激励信号及各测点的响应信号；3)对记录数据进行数字处理，求出各测点的传递函数，并组成传递函数矩阵；4)利用模态分析软件进行参数识别；5)进行动画显示。 

从结构在役状态的振动响应信号中提取模态参数的运行模态分析方法，识别的结构动态特性比试验模态分析更接近实际运行条件下结 构的真实动力学行为，成为近年来模态分析领域发展活跃一个研究方向。运行模态分析中的参数辨识方法可分为时域、频域和时频域辨识方法等，主要有时间序列法、随机减量法(random decrement,RD)、环境激励法、随机子空间法、经验模态分解法(empirical mode decomposition,EMD)、峰值拾取法、频域分解法及连续小波变换方法等，现有分析方法多基于激励信号为零均值白噪声的假设，且每种方法都有一定的局限性，如时间序列法的模型阶次较难确定；自然激励法法要求数据样本长、平均次数多；随机子空间法模型阶次的确定较为烦琐，在测点较多时，Hankel矩阵阶次很高，易造成矩阵病态的问题；频域法的弊病是要求频率分辨率高；时频分析法利用的响应信息较少，是一种局部识别方法等等。为了提高学生的学习效果，进行运行模态分析实验教学十分必要，但是，目前并无该类实验装置，因此针对教学需求的运行模态分析实验方法及装置亟待研究。 

发明内容

为了提高学生学习模态分析技术时的学习效果，本发明提供一种能够实现快速计算、精确度高、具有较好的误差控制、能够减少试验强度和时间的基于脉冲激励的运行模态分析实验方法及装置。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种基于互谱函数的运行模态分析实验方法，包括以下步骤： 

1)用弹性绳将梁悬挂，选择梁的端点作为激励点，利用钢锤对梁实施脉冲激励； 

选取距离激励点较近且响应信号幅值较大的响应点作为参考点； 

在所述参考点及反映梁振型的各几何模型节点布置响应测点； 

2)采集所述参考点和响应点在脉冲激励后产生的响应信号； 

3)对采集信号进行带通滤波，其通频带为感兴趣的结构模态频率范围，对所有响应通道加汉宁窗； 

4)求取参考点与响应点之间的互功率谱函数，并构建互功率谱函数不同采样时刻数据构成的矩阵方程； 

5)利用所述矩阵方程求解系数矩阵，得到系统极点； 

6)识别模态振型及模态参与因子矩阵； 

7)进行模态置信判据矩阵值计算，如果模态置信判据值不佳，则选取不同采样时刻值，返回到步骤4)重新构建矩阵方程组，直至模态置信判据值在预设合理区间以内，获得结构模态参数。 

进一步，所述方法还包括以下步骤：8)模态动画绘制：得出各点每个方向的模态振型矢量，与测点布置几何模型对应，就得到描述各测点x、y、z方向上的相对振幅的模态振型动画。 

再进一步，所述步骤4)中，按照式(1)计算结构响应点j和参考点i之间的互相关函数：