基于虚拟仪器技术的多通道试验模态分析系统研究

论文摘要

试验模态分析技术是识别结构动力学参数的重要方法,为结构的动态设计及故障诊断提供了重要依据。由传统仪器构成的试验模态分析系统存在价格高、功能单一、扩展性差等缺陷,难以满足普遍应用推广的需求。深入研究试验模态分析方法并开发基于虚拟仪器技术的多通道试验模态分析系统,不仅具有重要理论价值,同时具有重要的教学和工程应用价值。本文对模态参数识别算法、模态定阶和真伪模态辨识方法进行了较为深入的研究。在全面分析总体平均经验模式分解法（EEMD）与随机子空间法（SSI）的基础上,结合二者特点提出了EEMD-SSI方法。应用EEMD分解在时域范围内对采样信号进行预处理,将振动信号分解为若干个基本模式分量,再应用SSI方法进行模态参数识别。算例表明,该方法可以有效改进算法的识别精度,降低使用者识别真实模态的难度。本文应用虚拟仪器技术和模态分析技术理论,基于LabVIEW软件平台开发了一套多通道试验模态分析系统。该系统集成了模态参数识别法中的整体正交多项式拟合法、随机子空间法及EEMD-SSI方法,具有对测试数据进行实时采集、显示、储存、回读及模态分析的功能,可以完成包括结构模型输入和振型动画输出在内的锤击法试验模态分析及环境激励条件下试验模态分析的全过程。系统界面友好、性价比高且易于扩展。论文最后通过两个典型结构的应用实例,对本文研究提出的算法、系统软件和硬件进行了测试与验证。结果表明,系统运行稳定、可靠,软件算法正确、有效,可满足工程应用或实验教学对具体结构件试验模态分析的要求,同时也可作为深入研究试验模态分析技术理论的基础平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 模态分析技术
• 1.2.2 虚拟仪器技术
• 1.3 论文主要研究工作
• 第二章 模态分析技术
• 2.1 模态分析的概念
• 2.2 理论模态分析
• 2.3 试验模态分析
• 2.3.1 测试方案的确定
• 2.3.2 动态数据的采集
• 2.3.3 频响函数估计
• 2.3.4 频域模态参数识别法
• 2.3.5 时域模态参数识别法
• 2.4 本章小结
• 第三章 模态参数识别方法研究
• 3.1. 整体正交多项式拟合法（OP）
• 3.1.1 OP法的理论基础
• 3.1.2 OP法的LabVIEW实现
• 3.2 随机子空间法（SSI）
• 3.2.1 SSI方法理论基础
• 3.2.2 SSI方法实现过程
• 3.2.3 SSI方法的LabVIEW实现
• 3.3 EEMD-SSI方法
• 3.3.1 经验模态分解法（EMD）
• 3.3.2 EMD分解的LabVIEW实现
• 3.3.3 总体平均经验模式分解法（EEMD）
• 3.3.4 EEMD-SSI方法的LabVIEW实现
• 3.4 模态定阶与虚假模态剔除
• 3.4.1 模态定阶
• 3.4.2 虚假模态剔除
• 3.5 模态参数识别仿真算例
• 3.6 本章小结
• 第四章 多通道试验模态分析系统设计
• 4.1 需求分析与系统总体结构
• 4.1.1 需求分析
• 4.1.2 系统总体结构
• 4.2 硬件的选用
• 4.2.1 激振器与传感器
• 4.2.2 信号调理设备
• 4.2.3 数据采集卡
• 4.2.4 PC机的选用
• 4.3 软件总体设计
• 4.4 振动测试模块的实现
• 4.4.1 结构模型输入子模块
• 4.4.2 数据采集与显示子模块
• 4.4.3 频响函数计算子模块
• 4.4.4 数据管理子模块
• 4.4.5 Ⅵ Server技术
• 4.5 模态分析模块的实现
• 4.5.1 模态参数识别子模块
• 4.5.2 振型动画输出子模块
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验结果与验证
• 5.1 回形框实验
• 5.1.1 回形框锤击法试验模态分析
• 5.1.2 回形框环境激励状态下试验模态分析
• 5.1.3 回形框试验模态分析结果及振型动画显示
• 5.2 工形结构件实验
• 5.2.1 工形结构件锤击法试验模态分析
• 5.2.2 工形结构件环境激励状态下试验模态分析
• 5.2.3 工形结构件试验模态分析结果及振型动画显示
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 回形框及工形结构件试验模态分析实物构件安装图
• 附录2 工形结构件试验模态分析使用数据波形图
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参加科研项目、发表论文和获奖情况