模态分析的通俗解释

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分类: Rob-Automation |
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如果我们将频响函数叠加在时域波形之上,会发现时域波形幅值达到最大值时的激励力振动频率等于频响函数峰值处的频率。因此可以看出,既可以使用时域信号确定系统的固有频率,也可以使用频响函数确定这些固有频率。显然,频响函数更易于估计系统的固有频率。
许多人惊奇结构怎么会有这些固有特征,而更让人惊奇的是在不同的固有频率处,结构呈现的变形模式也不同,且这些变形模式依赖于激励力的频率。
现在让我们了解结构在每一个固有频率处的变形模式。在平板上均匀分布45个加速度计,用于测量平板在不同激励频率下的响应幅值。如果激励力在结构的每一个固有频率处驻留,会发现结构本身存在特定的变形模式。这个特征表明激励频率与系统的某一阶固有频率相等时,会导致结构产生相应的变形模式。我们注意到当激励频率在第一阶固有频率处驻留时,平板发生了第1阶弯曲变形,在图中用蓝色表示。在第2阶固有频率处驻留时,平板发生了第1阶扭转变形,在图中用红色表示。分别在结构的第3和第4阶固有频率处驻留时,平板发生了第2阶弯曲变形,在图中用绿色表示,和第2阶扭转变形,在图中用红紫红色表示。这些变形模式称为结构的模态振型。(从纯数学角度讲,这种叫法实际上不完全正确,但在这儿作为简单的讨论,从实际应用角度讲,这些变形模式非常接近模态振型。)
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我们设计的所有结构都具有各自的固有频率和模态振型。本质上,这些特性取决于确定结构固有频率和模态振型的结构质量和刚度分布。作为一名设计工程师,需要识别这些频率,并且当有外力激励结构时,应知道它们怎样影响结构的响应。理解模态振型和结构怎样振动有助于设计工程师设计更优的结构。模态分析有太多的需要讲解的地方,但这个例子仅仅是一个非常简单的解释。