吕灵伟
（天津职业技术师范大学，中国 天津 300222）
【摘要】本文主要通过介绍模态分析的产生与发展以及实验模态的测试方法，进一步了解机械动力学研究与分析的基本内容和所要求解的结果。结合机床的优化设计过程，阐述了实验模态及模态分析在机床设计中的应用。
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关键词 模态分析；实验模态；机床设计
【Abstract】This paper mainly through the introduction of the basic principle of modal analysis and experiment modal test method, further understand the mechanical dynamics research and analysis of the solution of the basic content and the required results. In accordance with the process of the optimization design of machine tool, this paper expounds the experimental modal and modal analysis on the application of the machine tool design.
【Key words】Modal analysis; Experimental modal; Machine tool design
0 前言
随着国内重工业行业的不断发展，国内对与高精度、高效率的数控机床的需求也在不断增加。因此数控机床在设计阶段就要尽可能的减小其变形，进而要求设计者对设计模型要有准确的分析过程，为机床的生产和使用打下基础。而对于机床动力学性能的主要分析内容便是模态分析，机床的模态直接反映了机床的加工性能。随着理论的不断成熟，实验模态方法被广泛的应用于机床设计过程中。
1 模态分析起源与发展
模态分析是近年来出现的一种针对结构动力学问题进行研究的新方法，它的主要内容是将系统的辨别方法应用于工程振动的领域内。所谓模态是指机械结构在其固有振动中表现出来的特性，对于结构固有振动中的每个振动模态都有其一一对应的振动频率即固有频率、阻尼比以及其对用的振动方式即振型。通过大量的计算或者实验分析可以获取到结构的这些模态参数，而我们定义的模态实验指的就是这些计算或者实验分析过程，若是通过有限元计算的方法得到这些模态参数的，就将这个过程称为计算模态分析；除了计算模态分析还有实验模态分析，所谓实验模态分析是指模态参数的获得是通过实验获得的，实验过程中则通过实验参数的识别将采集的系统输入与输出信号进行分析获取。
实验模态技术源于20世纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。由于当时测试技术及计算机技术的限制，它在很长时期内发展非常缓慢。到20世纪50年代末，该技术仅限于离散稳态正弦激振方法。60年代末，计算机技术飞速发展使得实验数据梳理和数值计算技术出现了崭新的面貌，模态分析得到快速发展而日趋成熟。从80年代中期到90年代，模态分析技术在各个工程领域得到普及和深层次运用，尤其是在解耦股性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及声控分析等方面的应用研究异常活跃，取得了丰硕的研究成果。1947年KenDedy和Pancu在论文中提出了用来精确地确定航空结构的固有频率和阻尼比的叙述方法，此方法沿用多年，直到流失年代测量和分析技术的迅速发展，为更精密的测量和更有效且广泛的应用铺平了道路。1963年，毕晓普和克拉德威尔的论文中描述了实验模态原理的现状，其理论大大超出了当时的实验水平。同时期，salter所著的书中从完全不同的观点提出用非解析方法来处理测量数据。到1970年，传感器、电子学和数学分析等方法都有了重要的发展，从而建立了目前的实验模态分析技术。目前，模态分析技术已经成为一门重要的工程技术。
2 模态测试技术
模态分析技术得以进行时依赖于测试技术的发展。一般来说，振动测量方法可分为两类。第一类是仅测量响应电平，这种方法有一个缺陷，即不能判断出大响应电平的产生原因，其产生可能是由于大激励力或者力矩，也有可能由结构共振所致。第二种方法是同时测量输入输出。在振动测试中，频响函数的测试方法一般可分为单点激励和多点激励两种，前者是对结构的某一点激励，同时测量所有点的响应；后者是对结构的某些点激励，同时测量各点的响应。振动测试系统一般由以下三部分组成：激振部分、拾振部分、分析、显示、记录部分。激振系统包括了信号源，功率放大器和激振器。常用的激励信号有正弦、随机、瞬态和周期等。信号源产生的信号十分微弱，所以需要用功率放大器来放大激励信号，激振器是用来产生激励的装置。常用的激励方式有两种：锤击激励法和激振器激振法。锤击激励的方法是对被测结构用力锤施加一个已知的输入力，该力锤带有力传感器，使用加速度传感器测量出各个测点的响应，利用软件的频响函数分析模块计算频响函数数据，并且利用一定的模态参数识别方法得到结构的模态参数。锤击激励法又有两种方法：单点激励法和单点拾振法。锤击激励法的优点是不给待测结构附加任何质量不会影响结构的动特性；适用于质量较轻、比较刚硬的结构；实验操作简单。
3 实验模态在机床设计中的应用与过程
模态分析所寻求的最终目标在于改变按机械结构系统有经验、类比和静态设计方法为动态优化设计方法，对系统结构进行是识别、分析和评价，找出问题，并进行优化设计。随着现代工业对工艺的要求越来越高，高速高精度高生产率成为现代机床的普遍要求。实现这一要求，就必须保证机床结构具有良好的动态特性。实验模态分析技术是研究结构动力特性的一种近代方法，他通过模态分析理论、系统辨识理论把理论分析与动态测试结合起来，具有很高的使用价值。
实验模态分析技术应用于机床行业，主要目的是改进机床的动态性能及为优化设计提供客观的实验数据，其应用主要有以下三个方面：
（1）改善产品的抗振性能；
（2）实验模态与理论模态分析相结合的组合结构分析；
（3）结构动力修改。
实验模态经常使用的实验模态分析系统是LMS Test. Lab 。LMS Test. Lab是一整套的振动噪声实验解决方案，是高速多通道数据采集与实验、分析、电子报告工具的完美结合。LMS Test. Lab在模态实验上的应用十分成熟，LMS的模态分析解决方案还支持LMS Poly MAX模态识别技术，以及自动模态参数选择（AMPS）功能，可以在数分钟内自动地提取高品质模态模型。AMPS功能可以系统地确保独立于用户的分析结果，并且与其它方法相比较能够更快地提取模态模型参数。这样极大地提高了模态分析的可靠性、整体质量和分析速度。一般进行实验模态分析的步骤主要如下：
（1）了解机床的结构特点和存在的问题，并进行实验前的分析；
（2）确定实验方案，选择测点的位置；
（3）根据确定的测点位置进行实验模态建模；
（4）测试完毕后根据测试结果，对测试不好的结果进行补测。
模态实验中的激振方法主要有力锤激振法和激振器激振法，机床的模态实验常用的激励方法是力锤激励法，使用的拾振方式是单输入多输出方式，即一点锤击激励、多点拾振的方法。而测点（或响应点）的布置要注意以下几点：
（1）基本反映机床结构轮廓；
（2）在结合面处的两个部件都应该布置测点；
（3）在能够反映机床结构轮廓的前提下，尽量选择能够在XYZ三个方向都容易安装传感器的点；
（4）保证所关心的结构点（如在结合面处的点）在所选的测点之中。
4 结论
本文通过对模态分析的基本原理及其发展过程的介绍，结合实验模态的原理及其分析应用系统，主要说明了机床设计过程中模态分析的内容及实验模态分析过程中的基本步骤及需要注意的问题，为机床设计过程中必要的动力学分析及测试提供了理论基础。
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参考文献
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［责任编辑：杨玉洁］