课程论文题目：模态分析技术在机械领域中的运用
课程名称
课程类别
任课教师
所在学院
学科专业
姓
学名号
2010年6月18日结构模态分析□学位课□非学位课提交日期
注意事项：
1、以上各项由研究生认真填写；
2、研究生课程论文应符合一般学术规范，具有一定学术价值，严禁网上下载或抄袭；凡检查或抽查不合格者，一律取消该门课程成绩和学分，并按有关规定追究相关人员责任；
3、论文得分由批阅教师填写（见封底），并签字确认；批阅教师应根据作业质量客观、公正的在文后签写批阅意见；
4、原则上要求所有课程论文均须用A4纸打印，加装本封面封底，左侧装订；
5、课程论文由各学院（部）统一保存，以备查用。
模态分析技术在机械领域中的运用
摘要：本文首先系统地解析了模态分析技术的基本定义，以模态分析技术的理论为基础，查阅了大量的文献和资料后介绍了模态分析技术在国内、外机械领域的中的研究运用，并结合自己的研究方向对模态分析技术的运用进行总结。
关键词：模态分析；机械；结构；运用
ModalanalysistechnologyinthefieldofmechanicaluseAbstract：Thispaperfirstsystemanalysisofthemodalanalysistechnologyinthebasicdefinition,themodalanalysistechnology,basedonthetheoryofthemassiveliteratureandaccessinformationintroducedthemodalanalysistechnologyindomesticandforeignmachineryfieldofstudyofutilization,andcombinedwiththeirresearchdirectionofmodalanalysisoftheuseoftechnologyweresummarizedinthispaper.
Keywords：Modalanalysis；Machinery；Structure；Use
1前言
模态分析技术是现代机械产品结构设计、分析的基础，是分析结构系统动态特性强有力的工具[1]。试验模态分析方法(EMA，ExperimentalModalAnalysis)通过试验数据采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数，验证有限元理论模态分析模型正确性，根据模态试验结果修改有限元理论模型。计算模态分析可以预测产品的动态特性，为结构优化设计提供依据。
模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用
[2]。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性，如果通过模态分析方法得到结构各阶模态的主要特性，就可能预知结构在此频段内，在外部或是内部各种振源作用下实际的振动响应，而且一旦通过模态分析知道模态参数并给予验证，就可以将这些参数用于设计过程，优化系统动态性能。模态分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，称为是数值模态分析；如果是通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，则称为试验模态分析
[3]。
实际的机械结构在振动环境中都受到动载的作用，为确保其良好的动态性能，必须对机械结构系统进行动态设计。结构动态设计要求根据结构的动载工况、对结构提出的功能要求以及设计准则，按照结构动力学的分析方法和实验方法反复进行分析和计算[4]。结构模态分析是结构动态设计的核心，其目的是利用模态变换矩阵将耦合的复杂自由度系统解耦为一系列单自由度系统振动的线性叠加，为结构系统的振动特性分析，振动故障诊断与预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
2模态分析技术的运用
模态分析技术源于30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。经过几十年的发展，模态测试和分析技术已经在航空、航天、航海、汽车、土木、机械等几乎所有和结构动态分析相关的领域得到了广泛应用[5]。
2.1国外研究现状
国外的结构模态分析技术发展较早，应用到了航空、航天等诸多军工领域和汽车、电子、机械、土木等民用的各个领域，使模态分析得到了广泛的发展和充分的应用[6-8]。模态分析软件以美国的ME’scopeVEs的功能最为全面。ME，ScopeVES软件的功能包括信号处理(signalprocessing)、运行挠曲振型(operatingoerlectionshapes)、模态分析(ModalAna-ysis)、结
构改正(snM)和声学分析(AcousticsAnalysis)等，解决和分析机器与结构的振动噪声问题。主要可用于:
1、可以显示被测物体的实际工作形态(ODS)、模态、声学分布形态和工程数据的形态等;2、模块化结构便于用户根据自己的需要选择合适的产品;
3、强大的图形显示、结构编辑、数据处理及动画显示功能;
4、软件的开放性好，能够与全球的多家厂商的硬件兼容;
5、主要应用的领域:航空航天、建筑桥梁、汽车制造、钢铁冶金、军工装备等。
ME，SeopeVES软件主要功能模块有基本模块(visua-ODS)、信号处理模块、模态分析模块、高级模态分析模块与MIMO建模仿真模块、声学功能模块、结构改进模块及高级改进模块[9]。
另外，比利时的LMS公司在地面车辆、航空航天、风能、工业机器、消费和商业电子、医疗设备和加工工业的等各个领域的在模态分析方面在保证产品在整体及关键部件结构完整性、减小噪声和噪声辐射、振动-声学测量和分析、疲劳寿命预测、工作模态动力传动系统测试也有很大成就。还有HP公司在研究机械振动方面也有很优秀的表现。
2.2国内研究现状
国内的模态分析技术发展较晚，在航空、航天等军工领域应用较成熟，但是在汽车、电子工业、机械制造、土木等民用领域应用较少，发展相对于国外相对滞后了很多。国内的有振峰科技的E-TestLab工程测试与信号分析软件-模态分析软件是模态测试分析专用工程软件，能独立完成模态数据的测试、分析及报告的自动生成。另外，南航的N-Modal和京华测试的DHMA也有模态分析软件。还有浙江大学在旋转机械如汽轮发电机组、离心分离机、离心式压缩机、风机、泵、电机等旋转设备的开发，转子动力学的研究，减振、故障诊断技术等方面都有着深入而广泛的研究。总的来说，虽然国内模态分析的理论研究方面有一定的成果，但是在模态分析的应用方面却落后的很多。虽然有几家在做这方面的研究，无论是在功能上还是在结构上都不能与国外的相比，还没有完整的模态分析软件和能够实现完全的模态分析的功能。
江苏大学徐凌等对482Q柴油机机体进行了试验模态分析和受迫响应分析，在此基础上对机体的薄弱部位进行了改进，采用在第一、五主轴承盖之间增加一根横梁，用螺栓固定在每个主轴承盖上的方法。改进后的第一、二阶模态频率比改进前提高了90比左右，提高了机体的刚度[10]。
在动态特性分析方面的研究中，山东大学应用有限元动力学分析软件，模拟了多缸柴油机机体的强迫振动情况，研究结果表明，采用6点支承比4点支承能明显增大机体整体刚度，减小了振动幅度和振动烈度[11]。
河南农业大学在I-DEAS软件平台上建立了YT41352型柴油机机体的有限元模型，计算机体约束模态的固有频率和振型，对柴油机机体的动态分析和改进有一定的价值[12]。河南科技大学杜发荣等以卧式单缸柴油机为例，利用美国sDRc公司的I-Deas软件的模态分析功能，在建立底部约束的机体三维实体模型的基础上，对机体结构进行了约束模态的有限元分析，得到了机体结构的前10阶固有频率及相应振型。通过对边界条件的处理，进行约束模态分析，第一阶频率由原来的67lHz提高到科745Hz[13]。
3总结
我们提出在广泛研究现有的模态分析的时域和频域模态参数估计方法的基础上总结出自己的、高性能和减小减少计算量的新算法[14-16]。以Visua1C++6.0为编程工具，充分利用Visua1C++的基础程序类库、APpWizard(应用程序向导)和Classwizard(类向导)向导工具和动态连接库、类继承等先进的编程技术，来编写我们自己模态分析软件。同时，考虑到新算法中应该有大量的矩阵运算，运用visualc++实现增加开发时间和难度，利用Matlab在矩阵运算、
符号运算和图像处理的强大功能，采用Visua1C++与Matlab混合编程实现模态分析软件。通过不断的学习和自身的研究，来逐步提高和完善结构模态分析软件的性能和功育色[17]。在机械结构设计中，合理地运用好模态分析法有助于提高产品设计效率,缩短产品设计周期。4参考文献
[1]曹树谦，张文德，萧龙翔编著振动结构模态分析的理论、实验与应用天津大学出版社，
2001.
[2]谢辉，余少华，刘瑞岩。机床结构的振动模态参数识别，全国第五届模态分析与实验
学术交流会论文集，下册，p.836.1988.
[3](比利时)沃德·海伦等著。白化同、郭继忠译模态分析理论与试验北京理工大学出版
社，2001.6.
[4]F1adungw，BrownD.MultiPleRefereneeImPaetTesting.ProceedingsodISMA17，Leuven，
Belgium，SePtember，1992，PP.257-272.
[5]Park，H.M.，Lee，M.W.AnefficientmethodofsolvingthenavierZstokesequationsforflowe
controlJ.InternationalJournalforNumeriealMethodsinEngineering，1998，41(6):1133-1151.
[6]ImregunM，VisserW.Areviewofmode1updatingtechniques.ShockandV1bration，Vol.23，
No.11990
[7](日)大久保信行著尹传家译机械模态分析上海交通大学出版社1985
[8](西德)H.C.纳特克著，范宗喜，吴祖玉译时间序列和模态分析的理论与实践导论弹性
机械振动系统的识别电子工业出版社出版1988
[9]Ew1nsDJ.modalTesting:TheoryandPractiee.ResearehstudiesPressLtd，England，
ISBN0863800173，1984
[10]陈塑寰著随机参数结构的振动理论-吉林:吉林科学技术出版社，1991.2
[11]徐凌，王德海.利用动态分析技术对机体改进设计的研究[J].内燃机工程.1998(1).
41-47
[12]刀魏涛，刘涛等.多缸柴油机机体结构有限元模态分析.内燃机与动力装置田.2伽叹4)
6-10
[13]晋兵营，周志立等.YT4135z柴油机机体有限元模态分析团.河南科技大学学报(自然科
学版).2003(9):51-53
[14]杜发荣，姬芬竹等.内燃机机体有限元模态分析闭.《柴油机·DieselEngine.2003(3)》
40-42
[15]HongSW.Identificationoflinearisedjointstructuralparametersbycombineduseof
measuredandcomputedfrequencyresponses[C].MechanicalSystemsandSignalProcessing.1991,5(4):267-277
[16]GontierC,BensaibiM.Timedomainidentificationofasubstructurefromin
situanalysisofthewholestructure[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,1995,9(4):379-396
[17]邓晓龙.内燃机主要部件结构噪声预测及优化控制研究.华中科技大学博士学位
论文,2004年9月
批阅教师意见
经综合评价，论文得分为：
批阅教师签名：批阅日期：
课程论文题目：模态分析技术在机械领域中的运用
课程名称
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所在学院
学科专业
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2010年6月18日结构模态分析□学位课□非学位课提交日期
注意事项：
1、以上各项由研究生认真填写；
2、研究生课程论文应符合一般学术规范，具有一定学术价值，严禁网上下载或抄袭；凡检查或抽查不合格者，一律取消该门课程成绩和学分，并按有关规定追究相关人员责任；
3、论文得分由批阅教师填写（见封底），并签字确认；批阅教师应根据作业质量客观、公正的在文后签写批阅意见；
4、原则上要求所有课程论文均须用A4纸打印，加装本封面封底，左侧装订；
5、课程论文由各学院（部）统一保存，以备查用。
模态分析技术在机械领域中的运用
摘要：本文首先系统地解析了模态分析技术的基本定义，以模态分析技术的理论为基础，查阅了大量的文献和资料后介绍了模态分析技术在国内、外机械领域的中的研究运用，并结合自己的研究方向对模态分析技术的运用进行总结。
关键词：模态分析；机械；结构；运用
ModalanalysistechnologyinthefieldofmechanicaluseAbstract：Thispaperfirstsystemanalysisofthemodalanalysistechnologyinthebasicdefinition,themodalanalysistechnology,basedonthetheoryofthemassiveliteratureandaccessinformationintroducedthemodalanalysistechnologyindomesticandforeignmachineryfieldofstudyofutilization,andcombinedwiththeirresearchdirectionofmodalanalysisoftheuseoftechnologyweresummarizedinthispaper.
Keywords：Modalanalysis；Machinery；Structure；Use
1前言
模态分析技术是现代机械产品结构设计、分析的基础，是分析结构系统动态特性强有力的工具[1]。试验模态分析方法(EMA，ExperimentalModalAnalysis)通过试验数据采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数，验证有限元理论模态分析模型正确性，根据模态试验结果修改有限元理论模型。计算模态分析可以预测产品的动态特性，为结构优化设计提供依据。
模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用
[2]。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性，如果通过模态分析方法得到结构各阶模态的主要特性，就可能预知结构在此频段内，在外部或是内部各种振源作用下实际的振动响应，而且一旦通过模态分析知道模态参数并给予验证，就可以将这些参数用于设计过程，优化系统动态性能。模态分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，称为是数值模态分析；如果是通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，则称为试验模态分析
[3]。
实际的机械结构在振动环境中都受到动载的作用，为确保其良好的动态性能，必须对机械结构系统进行动态设计。结构动态设计要求根据结构的动载工况、对结构提出的功能要求以及设计准则，按照结构动力学的分析方法和实验方法反复进行分析和计算[4]。结构模态分析是结构动态设计的核心，其目的是利用模态变换矩阵将耦合的复杂自由度系统解耦为一系列单自由度系统振动的线性叠加，为结构系统的振动特性分析，振动故障诊断与预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
2模态分析技术的运用
模态分析技术源于30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。经过几十年的发展，模态测试和分析技术已经在航空、航天、航海、汽车、土木、机械等几乎所有和结构动态分析相关的领域得到了广泛应用[5]。
2.1国外研究现状
国外的结构模态分析技术发展较早，应用到了航空、航天等诸多军工领域和汽车、电子、机械、土木等民用的各个领域，使模态分析得到了广泛的发展和充分的应用[6-8]。模态分析软件以美国的ME’scopeVEs的功能最为全面。ME，ScopeVES软件的功能包括信号处理(signalprocessing)、运行挠曲振型(operatingoerlectionshapes)、模态分析(ModalAna-ysis)、结
构改正(snM)和声学分析(AcousticsAnalysis)等，解决和分析机器与结构的振动噪声问题。主要可用于:
1、可以显示被测物体的实际工作形态(ODS)、模态、声学分布形态和工程数据的形态等;2、模块化结构便于用户根据自己的需要选择合适的产品;
3、强大的图形显示、结构编辑、数据处理及动画显示功能;
4、软件的开放性好，能够与全球的多家厂商的硬件兼容;
5、主要应用的领域:航空航天、建筑桥梁、汽车制造、钢铁冶金、军工装备等。
ME，SeopeVES软件主要功能模块有基本模块(visua-ODS)、信号处理模块、模态分析模块、高级模态分析模块与MIMO建模仿真模块、声学功能模块、结构改进模块及高级改进模块[9]。
另外，比利时的LMS公司在地面车辆、航空航天、风能、工业机器、消费和商业电子、医疗设备和加工工业的等各个领域的在模态分析方面在保证产品在整体及关键部件结构完整性、减小噪声和噪声辐射、振动-声学测量和分析、疲劳寿命预测、工作模态动力传动系统测试也有很大成就。还有HP公司在研究机械振动方面也有很优秀的表现。
2.2国内研究现状
国内的模态分析技术发展较晚，在航空、航天等军工领域应用较成熟，但是在汽车、电子工业、机械制造、土木等民用领域应用较少，发展相对于国外相对滞后了很多。国内的有振峰科技的E-TestLab工程测试与信号分析软件-模态分析软件是模态测试分析专用工程软件，能独立完成模态数据的测试、分析及报告的自动生成。另外，南航的N-Modal和京华测试的DHMA也有模态分析软件。还有浙江大学在旋转机械如汽轮发电机组、离心分离机、离心式压缩机、风机、泵、电机等旋转设备的开发，转子动力学的研究，减振、故障诊断技术等方面都有着深入而广泛的研究。总的来说，虽然国内模态分析的理论研究方面有一定的成果，但是在模态分析的应用方面却落后的很多。虽然有几家在做这方面的研究，无论是在功能上还是在结构上都不能与国外的相比，还没有完整的模态分析软件和能够实现完全的模态分析的功能。
江苏大学徐凌等对482Q柴油机机体进行了试验模态分析和受迫响应分析，在此基础上对机体的薄弱部位进行了改进，采用在第一、五主轴承盖之间增加一根横梁，用螺栓固定在每个主轴承盖上的方法。改进后的第一、二阶模态频率比改进前提高了90比左右，提高了机体的刚度[10]。
在动态特性分析方面的研究中，山东大学应用有限元动力学分析软件，模拟了多缸柴油机机体的强迫振动情况，研究结果表明，采用6点支承比4点支承能明显增大机体整体刚度，减小了振动幅度和振动烈度[11]。
河南农业大学在I-DEAS软件平台上建立了YT41352型柴油机机体的有限元模型，计算机体约束模态的固有频率和振型，对柴油机机体的动态分析和改进有一定的价值[12]。河南科技大学杜发荣等以卧式单缸柴油机为例，利用美国sDRc公司的I-Deas软件的模态分析功能，在建立底部约束的机体三维实体模型的基础上，对机体结构进行了约束模态的有限元分析，得到了机体结构的前10阶固有频率及相应振型。通过对边界条件的处理，进行约束模态分析，第一阶频率由原来的67lHz提高到科745Hz[13]。
3总结
我们提出在广泛研究现有的模态分析的时域和频域模态参数估计方法的基础上总结出自己的、高性能和减小减少计算量的新算法[14-16]。以Visua1C++6.0为编程工具，充分利用Visua1C++的基础程序类库、APpWizard(应用程序向导)和Classwizard(类向导)向导工具和动态连接库、类继承等先进的编程技术，来编写我们自己模态分析软件。同时，考虑到新算法中应该有大量的矩阵运算，运用visualc++实现增加开发时间和难度，利用Matlab在矩阵运算、
符号运算和图像处理的强大功能，采用Visua1C++与Matlab混合编程实现模态分析软件。通过不断的学习和自身的研究，来逐步提高和完善结构模态分析软件的性能和功育色[17]。在机械结构设计中，合理地运用好模态分析法有助于提高产品设计效率,缩短产品设计周期。4参考文献
[1]曹树谦，张文德，萧龙翔编著振动结构模态分析的理论、实验与应用天津大学出版社，
2001.
[2]谢辉，余少华，刘瑞岩。机床结构的振动模态参数识别，全国第五届模态分析与实验
学术交流会论文集，下册，p.836.1988.
[3](比利时)沃德·海伦等著。白化同、郭继忠译模态分析理论与试验北京理工大学出版
社，2001.6.
[4]F1adungw，BrownD.MultiPleRefereneeImPaetTesting.ProceedingsodISMA17，Leuven，
Belgium，SePtember，1992，PP.257-272.
[5]Park，H.M.，Lee，M.W.AnefficientmethodofsolvingthenavierZstokesequationsforflowe
controlJ.InternationalJournalforNumeriealMethodsinEngineering，1998，41(6):1133-1151.
[6]ImregunM，VisserW.Areviewofmode1updatingtechniques.ShockandV1bration，Vol.23，
No.11990
[7](日)大久保信行著尹传家译机械模态分析上海交通大学出版社1985
[8](西德)H.C.纳特克著，范宗喜，吴祖玉译时间序列和模态分析的理论与实践导论弹性
机械振动系统的识别电子工业出版社出版1988
[9]Ew1nsDJ.modalTesting:TheoryandPractiee.ResearehstudiesPressLtd，England，
ISBN0863800173，1984
[10]陈塑寰著随机参数结构的振动理论-吉林:吉林科学技术出版社，1991.2
[11]徐凌，王德海.利用动态分析技术对机体改进设计的研究[J].内燃机工程.1998(1).
41-47
[12]刀魏涛，刘涛等.多缸柴油机机体结构有限元模态分析.内燃机与动力装置田.2伽叹4)
6-10
[13]晋兵营，周志立等.YT4135z柴油机机体有限元模态分析团.河南科技大学学报(自然科
学版).2003(9):51-53
[14]杜发荣，姬芬竹等.内燃机机体有限元模态分析闭.《柴油机·DieselEngine.2003(3)》
40-42
[15]HongSW.Identificationoflinearisedjointstructuralparametersbycombineduseof
measuredandcomputedfrequencyresponses[C].MechanicalSystemsandSignalProcessing.1991,5(4):267-277
[16]GontierC,BensaibiM.Timedomainidentificationofasubstructurefromin
situanalysisofthewholestructure[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,1995,9(4):379-396
[17]邓晓龙.内燃机主要部件结构噪声预测及优化控制研究.华中科技大学博士学位
论文,2004年9月
批阅教师意见
经综合评价，论文得分为：
批阅教师签名：批阅日期：