2017年5月23日

試驗模態分析在機床結構分析中的應用

1.3試驗模態分析在機床結構分析中的應用試驗模態分析技術的應用是指用模態試驗和模態分析的結果去解決工程技術實踐中遇到的多種動力學問題。試驗模態分析技術早在三十年代就提出來了，最早應用于航空、造船、航天和建筑行業中，近年已應用于機械制造、生物力學等領域。實驗模態分析技術通過系統辨識理論、模態分析理論把理論分析和動態測試結合起來，是一種很有實用價值的技術。五十年代出現了測量機械阻抗的專用傳感器（阻抗頭）。六十年代中期，隨著跟蹤濾波技術的突破，出現了以跟蹤濾波技術為基礎的“傳遞函數分析儀”和以數字相關技術為基礎的“頻率特性分析儀”，使穩態正弦激振的測試技術得到了解決。隨著Cooly和Tukey提出的快速傅里葉計算方法和計算機技術的發展，時序分析技術、相關分析技術和功率譜分析技術的應用[1°]，出現了許多種性能不斷完善的動態分析系統，如FFT分析儀、數據處理機以及在軟件和硬件方面都擴展了功能的計算機輔助模態分析系統。相繼產生了各種隨機和瞬態的激振試驗方法，并且基本上解決了瞬態、隨機激振的測試及數據處理問題。測試技術的發展為實驗模態分析技術的發展和應用創造了條件。在試驗模態分析技術的理論分析方面，由于引進了控制理論中的傳遞函數的概念，建立了描述系統動態特性的傳遞函數和模態參數解析的統一理論基礎，使得模態分析理論自七十年代以來發展很快。從實模態理論發展到復模態理論，出現了許多種模態參數的識別方法。模態參數的識別最早是在頻域內以圖解的方法識別，而后發展為計算機優化識別，并且從頻域識別發展到時域識別，在這一方面很多學者做了大量的工作。A.Klosterman，A.Berman 和 W.G.Glannely ,N.Miramand等創造了許多種在頻域內識別模態參數的方法。R. Potter ,M.Richardson, H.GD.Goyder等提出了頻域內的復模態參數識別方法。S. R.Ibrahim等在時域內識別系統模態參數方面做了大量的研究工作[11]，于1977 年將其推廣到多自由度系統，用以獲得平衡隨機激振下的多自由系統的自由響應， 1985年又提出了省時的節約時域法STD，在1987年又通過試驗表明該法節省了計算機的內存，減少了機時，并且減少了用戶的參數選擇。八十年代以來，新的識別方法不斷出現，時域法發展較快，改變了七十年代中期Ibrahim法獨樹一幟的局面，整體模態參數識別方法的研究有了發展[12],出現了 “多點隨機激振與多參考點復指數識別法”，“最大嫡估計法”，“多基準法”等新的模態參數識別方法。模態分析技術在結構動力分析和動力設計中具有十分$要的作用，日益受到廣泛的重視。目前主要應用于三個方面：改善產品的抗振性能，試驗與理論分析相結合的組合結構分析以及結構動力修改。模態分析技術的發展推動了由試驗數據建立系統動力學模型的方法的發展。試驗建模的方法可以分為兩類[13]:—類是以模態參數為基礎的辦法；一類是根據動態測試數據直接識別振動結構的物理參數，建立起系統的動力學模型。目前，應用較多的是以模態參數為基礎的方法，它主要分為兩個步驟，首先根據試驗數據識別出機床結構的模態參數，然后采用坐標變換法，識別出結構的物理參數模型。現代機床正向著高速度、高精度、高生產率方向發展，這就要求機床結構必須具有良好的動態特性。機床結構的試驗模態分析對于研究機床結構的動態特性、了解結構的薄弱環節、對結構進行優化設計具有重要的意義。盡管已經有不少大型商業化有限元軟件可供選用于對機床進行動態設計[14]，但由于機床結構本身是一個包含多個零部件的復雜裝配體，內部包含了許多零件間的結合面，以至單純憑借理論分析方法還是很難準確建立機床整體結構的動態特性，試驗模態分析技術恰好可以克服這些理論分析帶來的不便，了解機床整體的動態特性。現代信號測試與分析技術的發展以及計算機軟硬件水平的不斷提高，促進了試驗模態分析方法在機床動態特性研究方面的廣泛應用。通過對機床結構進行模態試驗，并應用先進的計算機輔助測試與分析的手段可以獲得精確的結構動態特性參數，如結構的各階固有頻率、模態振型[13]。在獲得這些動態特性參數的基礎上，能夠直觀發現結構的薄弱環節，為設計人員提供結構修改建議、指導結構優化設計的方向，并且在進行了模態分析的基礎上還可進行進一步的結構響應分析。1976年，J.Tluety等人利用前一種方法建立了五自由度的立銑動力學模型，模型的分析結果與試驗數據能夠較好地一致[16]。但是，由于受到激振實驗中能夠激起的振動模態較少的影響，試驗建立的機床動力學模型的階數相應較小，因而利用低階的動力學模型是很難真實地模擬理論上具有無限自由度的機床實際結構。即使模擬結果真實，低階動力學模型的優化結果也不容易分配到由較多零部件組成的機床具體結構中。對于完整模態，可用坐標變換法識別出物理參數，這種方法的精度完全取決于模態參數的識別精度和矩陣求逆的誤差。1974年，R.M.Mains 和WE.Noonan首先提出了不利用模態參數，直接用測試得到的傳遞函數來識別系統的物理參數，這個方法比較簡單，但當自由度數較大時，對于測量數據的誤差十分敏感，較小的測量誤差就會導致很大的識別誤差，雖然可對測量數據作平滑處理和調整，使識別精度得到提高，但是還需要進一步的完善，隨著結構復雜性的增加，一般從試驗數據得到的復模態更是難以識別[17]。S. Ibrahim在1982年提出了一個從復模態中識別主模態，進而根據主模態識別出結構的物理參數方法[18]。機床動態特性的試驗研究包括[13][2°][21]:動態測試、模態分析、確定薄弱環節以及切削試驗等，根據需要采取相應措施用以實現結構動態特性優化，是理論分析和動態試驗密切結合的過程。機床動態特性中起主要作用的是少數低階模態，只要能精確地測試和識別出這些模態的參數，就可較精確地反映機床結構的動態特性。試驗模態分析技術通過對結構進行動態試驗，識別結構的模態參數，建立模態模型，用圖形顯示結構振動形態，根據結構的實際使用情況，找出薄弱的環節，為結構動力修改提供可靠的信息。其分析結果主要依賴于實際的測試數據和分析手段選擇的合理性。本文采摘自“VMC1060型立式加工中心試驗模態分析”，因為編輯困難導致有些函數、表格、圖片、內容無法顯示，有需要者可以在網絡中查找相關文章！本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！

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