我在关心的结构局部进行模态测试。很多模态看起来一样!我有什么做错了?

我们讨论一下这个问题。


作者:Peter Avitabile   

翻译:倪昊、焦吉祥(德国m+p国际公司)

       这是另一个常见的问题,在试验模态测试中经常遇到。很多情况下,我们仅仅对结构的一部分或者系统的某个零部件感兴趣。所以会立刻把注意力仅仅集中在结构的那一部分区域上,因为这是你的责任范围。这似乎是合理的,但我估计决定性因素更可能是因为你可能不想测试整个系统。(啊……如果生活可以如此简单!)

       遗憾的是很多时候这或许是不可行的。大多数系统上的不同部件或者不同区域之间有明显的动态耦合。你不能仅仅测量你感兴趣的结构部分。当然,你也确实可以这样做,对于模态试验,如果仅仅在结构的部分区域采集结果,则模态振型可能令人困惑,因为不清楚结构整体的模态振型。就如同管中窥豹一般——这会使你感到非常迷惑。很多时候,人们会对这类测试数据发表评论说,有两个一阶弯曲模态或者两个一阶扭转平板模态,等等。显然这完全不可能!不会有两个一阶系统模态。但是以局部的视角看上去确实好像有两个完全相同的模态。

       最近,我见到一个框架类型结构的模态试验,在不同的高度上有不同的平台。在其中一个平台表面进行模态测试,因为在这个特殊的平台上安装了一些重要设备。

       因为只在这个平台采集数据,有很多看起来像是相同(并且几乎完全相同)的模态。显然问题的原因是只识别了部分整体模态振型,不能对整体模态振型提供一个清楚的认识。

       这里用一个由支撑立柱隔开的简单双平板结构的试验结果来作为说明这个问题的例子。一种情形是只测量一个平板,另一种情形是两个平板都测(但为了使这个问题的解释简单化,只考虑垂直运动)。上部平板的一个典型驱动点频响和另外一些典型的跨点频响如图1所示。


图 1 – 驱动点频响和典型跨点频响

       在仅有部分数据的情况下(只考虑结构的上部平板),对FRF中看到的前4个峰,试验模态振型展现出两个非常相似的扭转模态和两个非常相似的弯曲模态。这些模态振型如图2所示。显然,这是不可能的——但是,在部分结构上的有限测点情况下,这完全有可能。


图 2 – 上部平板部件的模态振型

       为了更好地了解结构的“实际”模态振型,可以用一组更多的点来描述频响函数矩阵。通过这些频响函数用来确定整个系统的模态振型,先观察频响函数中的前2个峰,如图3所示。显然,额外增加的测点区分清楚了上部平板的实际模态振型跟其余结构的关系。在很多结构中,当只对整个结构或系统的一小部分区域进行测试时,这种现象经常发生。


图 3 – 上部平板部件连同整体结构的模态振型

       在这个简单的例子中,很明显可以看出,我们必须得到整个系统的模态振型,否则结果可能让人困惑。但是,当测试复杂结构时,无法测试整个结构的情况也常常发生。这种情况可能发生在有难以进行测试的内部部件的条件下。这些内部部件可能含有极大的模态能量,与结构或系统的一阶或多阶模态有关系。在这些情况下,因为不可能在结构的内部布置仪器,所以仅能得到一部分整体模态振型。只要想象一下在两个平板的例子中,如果下部平板看不见,或者被某种外部遮蔽物或罩子盖住了。如果下部平板无法测量,则测量结果可能只展示出与上部平板相关的部分模态振型。这种情况下将存在相同的问题。

       这种情况在结构模态测试中时常发生,例如传感器不能安装到结构上的某些部件上,或者需要进行拆解才得以安装到结构的全部相关区域。在这些情况下存在相同的问题。所以,测试结构时,如果有不容易接近的内部部件或者子系统,一定要谨慎——可能会有一些结构的关键区域,含有确定系统模态特征的关键信息。

       我希望这篇文章解释清楚了你的问题。如果您有其它关于模态分析的任何问题,欢迎垂询。





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