模态试验分析技术的最新发展与应用 张教授 南航

### 模态试验分析技术的最新发展与应用 模态分析技术作为一种重要的黑盒模型分析手段，广泛应用于振动工程领域，对于理解结构的动力学特性至关重要。该技术通过向被测对象施加已知激励，观测其输出响应，进而构建系统的传递函数模型。本文将详细介绍模态试验分析技术的最新进展及其在不同领域的应用。 #### 模态分析技术概述 模态分析技术的核心是通过实验手段来获取结构的固有频率、阻尼比以及模态形状等关键参数，这些参数对于评估结构动力学性能、进行结构优化设计等方面具有重要意义。根据不同的应用场景和技术特点，模态分析技术可以分为三大类：试验模态分析（EMA）、运行模态分析（OMA）及运行响应模态（ODS）。 #### 试验模态分析 (EMA) 试验模态分析是一种常见的模态分析方法，主要用于实验室环境下的结构模态测试。它可以根据不同的激励方式进一步细分为几种技术： 1. **激振器激励EMA技术**：采用激振器作为激励源，通过改变激振频率，观察结构响应的变化，从而确定结构的模态参数。这种方法适用于大多数实验室环境下的测试需求。 2. **力锤激励EMA技术**： - **单点激励多点测量技术（SIMO）**：利用单一的力锤激励点和多个响应测量点进行测试。常用的激励信号包括正弦扫频或宽带随机信号。SIMO技术的一个优势是能够通过随机激励使得弱非线性环节趋于线性化，这对于结构振动特性的测试非常有利。 - **多点激励多点测量技术（MIMO）**：相较于SIMO，MIMO技术使用多个激振器同时作用于结构的不同位置，并通过多个响应点进行测量。这种方法能够更好地模拟结构的实际工作条件，提高测试数据的一致性，特别适合处理密集模态和重频模态的问题。 - **单参考点锤击技术（SRIT）**与**多参考点锤击技术（MRIT）**：这两种技术都是基于力锤激励，但MRIT通过设置多个参考点来改善模态识别的效果，特别是在处理复杂结构时更为有效。 #### 运行模态分析 (OMA) 与EMA相比，OMA不需要额外的人工激励，而是直接利用结构在自然状态下的振动来进行模态参数的识别。这种技术的优点在于： - **无需人工激励**：这不仅节省了激励设备的投资成本，也使得OMA非常适合在无法实施人工激励的现场环境中使用。 - **简化振动试验**：OMA将传统的“振动试验”简化为“响应测量”，并且可以直接应用于机械设备的状态监测和结构健康监测中。 - **适应性广**：由于无需特定的激励装置，OMA更易于在各种环境下对大型结构系统进行模态分析。 - **MIMO特性**：OMA同样具备MIMO的特点，能够更好地处理密集模态问题，适用于复杂结构的模态识别。 #### 运行响应模态 (ODS) 运行响应模态（Operational Deflection Shape，ODS）是一种通过记录结构在正常工作条件下的位移响应来可视化结构的动态行为的技术。ODS不仅可以提供直观的模态形状信息，还能帮助工程师诊断结构中的潜在问题。 #### 最新进展 近年来，随着传感器技术和数据分析算法的进步，模态分析技术也在不断发展中。例如，新型传感器的出现使得在更加复杂的环境中进行精确测量成为可能；而机器学习等高级算法的应用则进一步提高了模态识别的准确性和效率。 #### 应用案例 模态分析技术在多个行业中都有广泛的应用，例如航空、汽车、桥梁建设等领域。通过对关键结构进行模态测试，工程师们能够更好地了解结构的动力学特性，从而优化设计、提升安全性。 模态分析技术作为一项核心的振动测试技术，在不断发展和完善的过程中，其应用范围和效果也在不断提升。未来，随着相关技术的进步，模态分析将在更多的领域发挥重要作用。