1.3试验模态分析在机床结构分析中的应用

试验模态分析技术的应用是指用模态试验和模态分析的结果去解决工程技术 实践中遇到的多种动力学问题。试验模态分析技术早在三十年代就提出来了，应用于航空、造船、航天和建筑行业中，近年已应用于机械制造、生物力学等 领域。实验模态分析技术通过系统辨识理论、模态分析理论把理论分析和动态测 试结合起来，是一种很有实用价值的技术。五十年代出现了测量机械阻抗的专用 传感器（阻抗头）。六十年代中期，随着跟踪滤波技术的突破，出现了以跟踪滤波 技术为基础的“传递函数分析仪”和以数字相关技术为基础的“频率特性分析仪”， 使稳态正弦激振的测试技术得到了解决。随着Cooly和Tukey提出的快速傅里叶 计算方法和计算机技术的发展，时序分析技术、相关分析技术和功率谱分析技术 的应用^[1°^]，出现了许多种性能不断完善的动态分析系统，如FFT分析仪、数据处 理机以及在软件和硬件方面都扩展了功能的计算机辅助模态分析系统。相继产生 了各种随机和瞬态的激振试验方法，并且基本上解决了瞬态、随机激振的测试及 数据处理问题。测试技术的发展为实验模态分析技术的发展和应用创造了条件。

在试验模态分析技术的理论分析方面，由于引进了控制理论中的传递函数的 概念，建立了描述系统动态特性的传递函数和模态参数解析的统一理论基础，使 得模态分析理论自七十年代以来发展很快。从实模态理论发展到复模态理论，出 现了许多种模态参数的识别方法。模态参数的识别是在频域内以图解的方法 识别，而后发展为计算机优化识别，并且从频域识别发展到时域识别，在这一方 面很多学者做了大量的工作。A.Klosterman，A.Berman 和 W.G.Glannely ,N.Miramand等创造了许多种在频域内识别模态参数的方法。

R. Potter ,M.Richardson, H.GD.Goyder等提出了频域内的复模态参数识别方法。

S. R.Ibrahim等在时域内识别系统模态参数方面做了大量的研究工作^[11]，于1977 年将其推广到多自由度系统，用以获得平衡随机激振下的多自由系统的自由响应， 1985年又提出了省时的节约时域法STD，在1987年又通过试验表明该法节省了 计算机的内存，减少了机时，并且减少了用户的参数选择。八十年代以来，新的 识别方法不断出现，时域法发展较快，改变了七十年代中期Ibrahim法独树一帜 的局面，整体模态参数识别方法的研究有了发展^[12],出现了 “多点随机激振与多 参考点复指数识别法”，“嫡估计法”，“多基准法”等新的模态参数识别方法。

模态分析技术在结构动力分析和动力设计中具有十分$要的作用，日益受到 广泛的重视。目前主要应用于三个方面：改善产品的抗振性能，试验与理论分析相 结合的组合结构分析以及结构动力修改。模态分析技术的发展推动了由试验数据 建立系统动力学模型的方法的发展。试验建模的方法可以分为两类^[13]:—类是以 模态参数为基础的办法；一类是根据动态测试数据直接识别振动结构的物理参数， 建立起系统的动力学模型。目前，应用较多的是以模态参数为基础的方法，它主 要分为两个步骤，首先根据试验数据识别出机床结构的模态参数，然后采用坐标 变换法，识别出结构的物理参数模型。

现代机床正向着高速度、高精度、高生产率方向发展，这就要求机床结构必 须具有良好的动态特性。机床结构的试验模态分析对于研究机床结构的动态特性、 了解结构的薄弱环节、对结构进行优化设计具有重要的意义。尽管已经有不少大 型商业化有限元软件可供选用于对机床进行动态设计^[14]，但由于机床结构本身是 一个包含多个零部件的复杂装配体，内部包含了许多零件间的结合面，以至单纯 凭借理论分析方法还是很难准确建立机床整体结构的动态特性，试验模态分析技 术恰好可以克服这些理论分析带来的不便，了解机床整体的动态特性。现代信号 测试与分析技术的发展以及计算机软硬件水平的不断提高，促进了试验模态分析 方法在机床动态特性研究方面的广泛应用。通过对机床结构进行模态试验，并应 用的计算机辅助测试与分析的手段可以获得精确的结构动态特性参数，如结 构的各阶固有频率、模态振型^[13]。在获得这些动态特性参数的基础上，能够直观 发现结构的薄弱环节，为设计人员提供结构修改建议、指导结构优化设计的方向， 并且在进行了模态分析的基础上还可进行进一步的结构响应分析。

1976年，J.Tluety等人利用前一种方法建立了五自由度的立铣动力学模型，

模型的分析结果与试验数据能够较好地一致^[16]。但是，由于受到激振实验中能够 激起的振动模态较少的影响，试验建立的机床动力学模型的阶数相应较小，因而 利用低阶的动力学模型是很难真实地模拟理论上具有无限自由度的机床实际结构。 即使模拟结果真实，低阶动力学模型的优化结果也不容易分配到由较多零部件组 成的机床具体结构中。对于完整模态，可用坐标变换法识别出物理参数，这种方 法的精度取决于模态参数的识别精度和矩阵求逆的误差。1974年，R.M.Mains 和WE.Noonan首先提出了不利用模态参数，直接用测试得到的传递函数来识别系 统的物理参数，这个方法比较简单，但当自由度数较大时，对于测量数据的误差 十分敏感，较小的测量误差就会导致很大的识别误差，虽然可对测量数据作平滑 处理和调整，使识别精度得到提高，但是还需要进一步的完善，随着结构复杂性 的增加，一般从试验数据得到的复模态更是难以识别^[17]。S. Ibrahim在1982年提 出了一个从复模态中识别主模态，进而根据主模态识别出结构的物理参数方法^[18]。

机床动态特性的试验研究包括^[13][2°^][21]:动态测试、模态分析、确定薄弱环节 以及切削试验等，根据需要采取相应措施用以实现结构动态特性优化，是理论分 析和动态试验密切结合的过程。机床动态特性中起主要作用的是少数低阶模态， 只要能精确地测试和识别出这些模态的参数，就可较精确地反映机床结构的动态 特性。试验模态分析技术通过对结构进行动态试验，识别结构的模态参数，建立 模态模型，用图形显示结构振动形态，根据结构的实际使用情况，找出薄弱的环 节，为结构动力修改提供可靠的信息。其分析结果主要依赖于实际的测试数据和 分析手段选择的合理性。

本文采摘自“VMC1060型立式加工中心试验模态分析”，因为编辑困难导致有些函数、表格、图片、内容无法显示，有需要者可以在网络中查找相关文章！本文由伯特利数控整理发表文章均来自网络仅供学习参考，转载请注明！