实验模态分析中结构建模的研究及虚拟式模态分析仪的研制

作     者：黄捷 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：季忠

授予年度：2010年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：实验模态分析 虚拟仪器 结构建模 仪器研制 

摘      要：实验模态分析是通过模态实验测量系统的输入(激励)和输出(响应)信号,由测量的激励和响应实验数据,经动态信号分析和模态参数识别,确定机械结构的固有频率、阻尼比和模态振型等动态特征参数。它广泛应用于动态响应预估、结构动态修改、有限元模型修正、动态分析与设计,以及振动排故、故障诊断和结构健康检测,已成为航空、航天、汽车、舰船、桥梁、建筑以及机械设备等产品的研制、定型、使用和维修中不可或缺的重要手段。虚拟仪器是计算机程序在计算机上运行所形成的仪器,它利用数字信号分析中的基本原理,并通过计算机语言在计算机上编程,从而实现测试仪器的各种功能。本文正是基于模态分析技术和虚拟仪器技术,采用面向对象编程技术、Visual C++软件开发工具和模块化设计思想,完整地开发出来了QLVC-MA2型虚拟式模态分析仪。 本文首先介绍了课题所涉及到的背景技术-模态分析技术、振动测试技术以及虚拟仪器技术。然后系统地介绍了实验模态分析技术的理论基础。根据实验模态分析的流程,由多自由度系统的模态参数的概念介绍引出了多自由度系统的频响函数的计算和估计以及模态参数的识别。模态参数的识别主要介绍了其基本概念、方法总结、正交多项式识别方法以及模态参数的标准化。 本文完成了QLVC-MA2虚拟式模态分析软件系统的开发和硬件平台的构建,结合软件和硬件完成了QLVC-MA2型虚拟式模态分析仪的研制。 软件系统采用面向对象编程技术、Visual C++软件开发平台、OpenGL图形处理软件接口以及模块化思想编程,功能上分为结构模型输入、数据采集、数据分析(模态参数识别)以及模态参数输出四个功能模块。本文还对结构模型输入和模态参数输出模块中涉及到的结构建模进行了研究。根据几何建模原理以及实体造型技术,从结构和功能上进行了结构建模的构架。结构上采用一种改进的点线面模式-基于图元对象和子结构的结构模型,功能上可实现图形绘制、图形编辑、图形显示、图形导入、动画演示以及文件处理。 硬件平台的构建基于一体化仪器技术。在此基础上,通过选配相应的实验设备(冲击力锤、加速度计、激振器等)构建了虚拟式模态分析测试系统,并针对简支梁结构、框架结构和摩托车车架结构进行了模态分析实验的实验应用。 最后,对本文的研究内容进行了总结,并且对下一步研究方向进行了展望。