模態(tài)測(cè)試分析和振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

（1）LMS SCADAS采集前端： 2槽主機(jī)箱，單機(jī)箱動(dòng)態(tài)信號(hào)最大通道數(shù)為16通道；每通道最大采樣率：204.8KHz；最大數(shù)字脈沖輸入頻率：204.8KHz；脈沖時(shí)間分辨率：1.2納秒；最大頻率范圍40KHz；幅值：300mV pk—10pk 可調(diào)；幅值精度：0.1%；整體波形失真度< -96dB； 　　（2）LMS Test.Lab數(shù)據(jù)采集和分析軟件包 高級(jí)信號(hào)特征試驗(yàn)分析（Advanced Signature Testing）；模態(tài)試驗(yàn)（Modal Testing）；模態(tài)參數(shù)識(shí)別（Modal Analysis）；工作變形分析（Operational Deflection ShapesTime Animation）；工作模態(tài)分析（Operational Modal Analysis）。

它不僅支持LMS Test. Lab以進(jìn)行振動(dòng)、噪聲的工程測(cè)試和分析，而且還支持LMS Test. Xpress，以實(shí)現(xiàn)聲振分析儀、疲勞耐久、路譜采集、數(shù)據(jù)記錄儀等功能。

瑞典Volv850GLT型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性分析

STRAN的主要?jiǎng)恿W(xué)分析功能如:特證模態(tài)分析、 直接復(fù)特征值分析、 直接瞬態(tài)響 應(yīng)分析、 模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析、 響應(yīng)譜分析、 模態(tài)復(fù)特征值分析、 直接頻率響應(yīng)分析、模態(tài)頻率響應(yīng)分析、 非線(xiàn)性瞬態(tài)分析、 模態(tài)綜合、 動(dòng)力靈敏度分析等可簡(jiǎn)述如下：

(1). 正則模態(tài)分析

用于求解結(jié)構(gòu)的自然頻率和相應(yīng)的振動(dòng)模態(tài),計(jì)算廣義質(zhì)量, 正則化模態(tài)節(jié)點(diǎn)位移,約束力和 正則化的單元力及應(yīng)力, 并可同時(shí)考慮剛體模態(tài)。 具體包括:

a). 線(xiàn)性模態(tài)分析又稱(chēng)實(shí)特征值分析。 實(shí)特征值縮減法包括: Lanczos法、 增強(qiáng)逆迭代法、 Givens法、 改進(jìn) Givens法、 Householder法、 并可進(jìn)行Givens和改進(jìn)Givens法自動(dòng)選擇、帶Sturm 序列檢查的逆迭代法, 所有的特征值解法均適用于無(wú)約束模型。

b). 考慮拉伸剛化效應(yīng)的非線(xiàn)性特征模態(tài)分析, 或稱(chēng)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的模態(tài)分析。

(2). 復(fù)特征值分析

復(fù)特征值分析主要用于求解具有阻尼效應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征值和振型, 分析過(guò)程與實(shí)特征值分析 類(lèi)似。 此外NASTRAN的復(fù)特征值計(jì)算還可考慮阻尼、 質(zhì)量及剛度矩陣的非對(duì)稱(chēng)性。 復(fù)特征值抽 取方法包括直接復(fù)特征值抽取和模態(tài)復(fù)特征值抽取兩種:

a). 直接復(fù)特征值分析

通過(guò)復(fù)特征值抽取可求得含有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼的結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài),給出正則化的 復(fù)特征矢量和節(jié)點(diǎn)的約束力, 及復(fù)單元內(nèi)力和單元應(yīng)力。主要算法包括elerminated法、Hossen-bery法、 新Hossenbery、 逆迭代法、 復(fù)Lanczos法,適用于集中質(zhì)量和分布質(zhì)量、 對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),并可利用DMAP工具檢查與測(cè)試分析的相關(guān)性。

STRAN V70.5版中Lanczos算法在特征向量正交化速度上得到了進(jìn)一步提高, 尤其是在求解百個(gè)以上的特征值時(shí), 速度較以往提高了30%。

b). 模態(tài)復(fù)特征值分析

此分析與直接復(fù)特征值分析有相同的功能。 本分析先忽略阻尼進(jìn)行實(shí)特征值分析, 得到模態(tài) 向量。 然后采用廣義模態(tài)坐標(biāo),求出廣義質(zhì)量矩陣和廣義剛度矩陣, 再計(jì)算出廣義阻尼矩陣, 形成 模態(tài)坐標(biāo)下的結(jié)構(gòu)控制方程, 求出復(fù)特征值。 模態(tài)復(fù)特征值分析得到輸出類(lèi)型與用直接復(fù)特征值 分析的得到輸出類(lèi)型相同。

(3). 瞬態(tài)響應(yīng)分析(時(shí)間-歷程分析)

瞬態(tài)響應(yīng)分析在時(shí)域內(nèi)計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)， 分為 直接瞬態(tài)響 應(yīng)分析和模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析。 兩種方法均可考慮剛體位移作用。

(a). 直接瞬態(tài)響應(yīng)分析

該分析給出一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間變化的載荷的響應(yīng)。 結(jié)構(gòu)可以同時(shí)具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。 該分析在節(jié)點(diǎn)自由度上直接形成耦合的微分方程并對(duì)這些方程進(jìn)行數(shù)值積分,直接瞬態(tài)響應(yīng)分 析求出隨時(shí)間變化的位移、 速度、 加速度和約束力以及單元應(yīng)力。

(b). 模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析

在此分析中, 直接瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題用上面所述的模態(tài)分析進(jìn)行相同的變換, 對(duì)問(wèn)題的規(guī)模進(jìn)行 壓縮。 再對(duì)壓縮了的方程進(jìn)行數(shù)值積分從而得出與用直接瞬態(tài)響應(yīng)分析類(lèi)型相同的輸出結(jié)果。

(4). 隨機(jī)振動(dòng)分析

該分析考慮結(jié)構(gòu)在某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布的載荷作用下的隨機(jī)響應(yīng)。對(duì)于例如地震波,海洋波,飛 機(jī)或超過(guò)層建筑物的氣壓波動(dòng), 以及火箭和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音激勵(lì), 通常人們只能得到按概率分 布的函數(shù), 如功率譜密度(PSD)函數(shù), 激勵(lì)的大小在任何時(shí)刻都不能明確給出, 在這種載荷作用下 結(jié)構(gòu)的響應(yīng)就需要用隨機(jī)振動(dòng)分析來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。STRAN中的PSD可輸入自身或交叉譜密度, 分別表示單個(gè)或多個(gè)時(shí)間歷程的交叉作用的頻譜特性。計(jì)算出響應(yīng)功率譜密度、自相關(guān) 函數(shù)及響應(yīng)的RMS值等。 計(jì)算過(guò)程中, STRAN不僅可以象其它有限元分析那樣利用已知 譜, 而且還可自行生成用戶(hù)所需的譜。

(5). 響應(yīng)譜分析

響應(yīng)譜分析(有時(shí)稱(chēng)為沖擊譜分析)提供了一個(gè)有別于瞬態(tài)響應(yīng)的分析功能,在分析中結(jié)構(gòu)的 激勵(lì)用各個(gè)小的分量來(lái)表示, 結(jié)構(gòu)對(duì)于這些分量的響應(yīng)則是這個(gè)結(jié)構(gòu)每個(gè)模態(tài)的最大響應(yīng)的組合。

(6). 頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)分析主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對(duì)每一個(gè)計(jì)算頻率的動(dòng)響應(yīng)。計(jì)算結(jié) 果分實(shí)部和虛部?jī)刹糠帧?實(shí)部代表響應(yīng)的幅度, 虛部代表響應(yīng)的相角。

(a).直接頻率響應(yīng)分析

直接頻率響應(yīng)通過(guò)求解整個(gè)模型的阻尼耦合方程, 得出各頻率對(duì)于外載荷的響應(yīng)。 該類(lèi)分析 在頻域中主要求解二類(lèi)問(wèn)題。 第一類(lèi)問(wèn)題是求結(jié)構(gòu)在一個(gè)穩(wěn)定的周期性正弦外力譜的作用下的 響應(yīng)。 結(jié)構(gòu)可以具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼, 分析得到復(fù)位移、 速度、 加速度、 約束力、 單元力和單元應(yīng)力。 這些量可以進(jìn)行正則化以獲得傳遞函數(shù)。

第二類(lèi)問(wèn)題是求解結(jié)構(gòu)在一個(gè)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)載荷作用下的響應(yīng)。 此載荷由它的互功率譜密度所 定義。 而結(jié)構(gòu)載荷由上面所提到的傳遞函數(shù)來(lái)表征。 分析得出位移。加速度。 約束力或單元應(yīng)力的自相關(guān)系數(shù)。 該分析也對(duì)自功率譜進(jìn)行積分而獲得響應(yīng)的均方根值。

(b) 模態(tài)頻率響應(yīng)

模態(tài)頻率響應(yīng)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析在頻域中解決的二類(lèi)問(wèn)題與直接頻率響應(yīng)分析解決相同 的問(wèn)題。 結(jié)構(gòu)矩陣用忽咯阻尼的實(shí)特征值分析進(jìn)行了壓縮, 然后用模態(tài)坐標(biāo)建立廣義剛度和質(zhì)量 矩陣。 該分析的輸出類(lèi)型與直接頻率響應(yīng)分析得到的輸出類(lèi)型相同。

STRAN V70.5版中增加了模態(tài)擴(kuò)張法(殘余矢量法)來(lái)估算高階模態(tài)的作用,以確保參加計(jì)算的頻率數(shù)足以使模態(tài)法的響應(yīng)分析的計(jì)算精度顯著提高。同時(shí)在V70.5版中還采用了新的矩陣乘法運(yùn)算方法, 使模態(tài)法的頻率響應(yīng)分析計(jì)算速度比以往提高50%。

(7).聲學(xué)分析

STRAN中提供了完全的流體-結(jié)構(gòu)耦合分析功能。 這一理論主要應(yīng)用在聲學(xué)及噪音 控制領(lǐng)域, 例如車(chē)輛或飛機(jī)客艙的內(nèi)噪音的預(yù)測(cè)分析。 進(jìn)一步內(nèi)容見(jiàn)后"流-固耦合分析"一節(jié)中 的相關(guān)部分。

4.非線(xiàn)性分析

正如我們所知,很多結(jié)構(gòu)響應(yīng)與所受的外載荷并不成比例。 由于材料的非線(xiàn)性,這時(shí)結(jié)構(gòu)可能 會(huì)產(chǎn)生大的位移。 大轉(zhuǎn)動(dòng)或兩個(gè)甚至更多的零件在載荷作用下時(shí)而接觸時(shí)而分離。 要想更精確地 仿真實(shí)際問(wèn)題,就必須考慮材料和幾何、邊界和單元等非線(xiàn)性因素。 STRAN強(qiáng)大的非線(xiàn)性分析功能為設(shè)計(jì)人員有效地設(shè)計(jì)產(chǎn)品、減少額外投資提供了一個(gè)十分有用的工具。

以往基于線(xiàn)性的結(jié)構(gòu)分析因過(guò)于保守而不能贏(yíng)得當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。很多材料在達(dá) 到初始屈服極限時(shí)往往還有很大潛力可挖,通過(guò)非線(xiàn)性分析工程師可充分利用材料的塑性和韌性。 薄殼結(jié)構(gòu)或橡膠一類(lèi)超彈性體零件在小變形時(shí)受到小阻力,當(dāng)變形增加時(shí)阻力也會(huì)隨之增大, 所有這些如果用線(xiàn)性分析就不能得到有效的結(jié)果。 類(lèi)似地, 非線(xiàn)性分析還可解決蠕變問(wèn)題,這點(diǎn)對(duì)于高聚合塑性和高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)件尤為有用。 接觸分析也是非線(xiàn)性分析一個(gè)很重要的應(yīng)用方面, 如輪胎與道路的接觸、 齒輪、 墊片或襯套等都要用到接觸分析。

⑴. 幾何非線(xiàn)性分析

幾何非線(xiàn)性分析研究結(jié)構(gòu)在載荷作用下幾何模型發(fā)生改變、如何改變、幾何改變的大小。所 有這些均取決于結(jié)構(gòu)受載時(shí)的剛性或柔性。 非穩(wěn)定段過(guò)度、回彈, 后屈曲分析的研究都屬于幾何 非線(xiàn)性的應(yīng)用。

在幾何非線(xiàn)性分析中, 應(yīng)變位移關(guān)系是非線(xiàn)性的,這意味著結(jié)構(gòu)本身會(huì)產(chǎn)生大位移或大的轉(zhuǎn) 動(dòng), 而單元中的應(yīng)變卻可大可小。 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系或是線(xiàn)性或是非線(xiàn)性。

對(duì)于極短時(shí)間內(nèi)的高度 非線(xiàn)性瞬態(tài)問(wèn)題包括彈塑性材料。大應(yīng)變及顯式積分等MSC.DYTRAN 可以進(jìn)一步對(duì)STRAN進(jìn)行補(bǔ)充。 在幾何非線(xiàn)性中可包含: 大變形、 旋轉(zhuǎn)、 溫度載荷、 動(dòng)態(tài)或定常載荷、拉伸剛化效應(yīng)等。

STRAN可以確定屈曲和后屈曲屬性。 對(duì)于屈曲問(wèn)題, STRAN可同時(shí)考慮 材料及幾何非線(xiàn)性。 非線(xiàn)性屈曲分析可比線(xiàn)性屈曲分析更準(zhǔn)確地判斷出屈曲臨界載荷。對(duì)于后屈 曲問(wèn)題STRAN提供三種Arc-Length方法(Crisfield法, Riks法和改進(jìn)Riks法)的自適應(yīng)混合 使用可大大提高分析效率。

此外在眾多的應(yīng)用里, 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析同時(shí)考慮幾何剛化和材料非線(xiàn)性也是非常重要的。這一 功能MSCNASTRAN稱(chēng)之為非線(xiàn)性正則模態(tài)分析。

(2). 材料非線(xiàn)性分析

當(dāng)材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系是非線(xiàn)性時(shí)要用到這類(lèi)分析。 包括非線(xiàn)性彈性(含分段線(xiàn)彈性 )、 超 彈性、 熱彈性、 彈塑性、 塑性、 粘彈/塑率相關(guān)塑性及蠕變材料,適用于各類(lèi)各向同性、各向異性、具有不同拉壓特性(如繩索)及與溫度相關(guān)的材料等。 對(duì)于彈/塑性材料既可用Von Mises也可用Tresca屈服準(zhǔn)則; 土壤或巖石一類(lèi)材料可用Mohr Coulomb或Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則; Mooney-Rivlin超彈性材料模型適用于超彈性分析,在STRAN可定義5階、25個(gè)材料常數(shù)并可通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變 曲線(xiàn)自動(dòng)擬合出所需的材料常數(shù)等屈服準(zhǔn)則;對(duì)于蠕變分析可利用ORNL定律或Rheological進(jìn)行模擬,并同時(shí)考慮溫度影響。任何屈服準(zhǔn)則均包括各向同性硬化。運(yùn)動(dòng)硬化或兩者兼有的硬化規(guī)律。

(3). 非線(xiàn)性邊界(接觸問(wèn)題)

平時(shí)我們經(jīng)常遇到一些接觸問(wèn)題, 如齒輪傳動(dòng)、 沖壓成形、 橡膠減振器、 緊配合裝配等。 當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)與另一個(gè)結(jié)構(gòu)或外部邊界相接觸時(shí)通常要考慮非線(xiàn)性邊界條件。 由接觸產(chǎn)生的力同樣具有非線(xiàn)性屬性。對(duì)這些非線(xiàn)性接觸力, STRAN提供了兩種方法: 一是三維間隙單元(GAP), 支持開(kāi)放，封閉或帶摩擦的邊界條件; 二是三維滑移線(xiàn)接觸單元， 支持接觸分離，摩擦及滑移邊界條件。 另外, 在STRAN的新版本中還將增加全三維接觸單元。

（4）.非線(xiàn)性瞬態(tài)分析

非線(xiàn)性瞬態(tài)分析可用于分析以下三種類(lèi)型的非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性瞬態(tài)行為。

考慮結(jié)構(gòu)的材料非線(xiàn)性行為:塑性,Von Mises屈服準(zhǔn)則, Tresca屈服準(zhǔn)則, Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則, 運(yùn)動(dòng)硬化, Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則,各項(xiàng)同性硬化(isotropic hardening ),大應(yīng)變的超彈性材料, 小應(yīng)變的非線(xiàn)性彈性材料, 熱彈性材料(Thermo-elasticity ), 粘塑性(蠕變) ,粘塑性與塑性合并。

幾何非線(xiàn)性行為:大位移,超彈性材料的大應(yīng)變, 追隨力。

包括邊界條件的非線(xiàn)性行為:結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的接觸(三維滑移線(xiàn)),縫隙的開(kāi)與閉合, 考慮與不考慮摩擦,強(qiáng)迫位移。

(5). 非線(xiàn)性單元

除幾何、材料、邊界非線(xiàn)性外, STRAN還提供了具有非線(xiàn)性屬性的各類(lèi)分析單元 如非線(xiàn)性阻尼、彈簧、接觸單元等。 非線(xiàn)性彈簧單元允許用戶(hù)直接定義載荷位移的非線(xiàn)性關(guān)系。

非線(xiàn)性分析作為STRAN的主要強(qiáng)項(xiàng)之一, 提供了豐富的迭代和運(yùn)算控制方法, 如 Newton－Rampson法、改進(jìn)Newton法、Arc-Length法、Newton和ArcLength混合法、兩點(diǎn)積分 法、Newmark β法及非線(xiàn)性瞬態(tài)分析過(guò)程的自動(dòng)時(shí)間步調(diào)整功能等,與尺寸無(wú)關(guān)的判別準(zhǔn)則可 自動(dòng)調(diào)整非平衡力、位移和能量增量, 智能系統(tǒng)可自動(dòng)完成全剛度矩陣更新, 或Quasi-Newton更 新, 或線(xiàn)搜索, 或二分載荷增量(依迭代方法)可使CPU最小,用于不同目的的數(shù)據(jù)恢復(fù)和求解。 自 動(dòng)重啟動(dòng)功能可在任何一點(diǎn)重啟動(dòng),包括穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)。

適用于機(jī)械設(shè)備或產(chǎn)品的振動(dòng)模態(tài)分析，主要包括如下功能：高級(jí)旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號(hào)特征試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械階次跟蹤試驗(yàn)、時(shí)變頻率分析、專(zhuān)用力錘激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)、譜采集、模態(tài)分析、模態(tài)參數(shù)辨識(shí)、工作模態(tài)分析、模態(tài)參數(shù)自動(dòng)提取。 2100433B

這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試 驗(yàn)分析過(guò)程稱(chēng)為模態(tài)剛度分析。這個(gè)分析過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則 稱(chēng)為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲 得模態(tài)參數(shù)，稱(chēng)為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。振動(dòng)模 態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。如果通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在 某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在 外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè) 備的故障診斷的重要方法。 機(jī)器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車(chē)等的實(shí)際振動(dòng)千姿百態(tài)、瞬息 變化。模態(tài)剛度分析提供了研究各種實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一條有效途徑。首先，將結(jié)構(gòu)物 在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行人為激振，通過(guò)測(cè)量激振力與胯動(dòng)響應(yīng)并進(jìn)行雙通道快速傅里 葉變換（FFT）分析，得到任意兩點(diǎn)之間的機(jī)械導(dǎo)納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)剛度分析理論通過(guò)對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)納函數(shù)的曲線(xiàn)擬合，識(shí)別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立 起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。 2100433B