分析數值計算結合試驗測定模態阻尼法

張海倫

【摘要】模態阻尼是結構系統達到每一階模態振型時所表現出來的一種系統阻尼，從實際應用情況來看，模態阻尼研究結構系統動力學特性的一個重要參數。為此，文章在闡述模態阻尼概念的基礎上，就模態阻尼法的數值計算和試驗測定問題進行探究。

【關鍵詞】模態阻尼比;數值計算;試驗測定

阻尼作為一項動力指標，對結構在共振區的響應影響十分明顯，阻尼參數的取值需要通過試驗來確定。模態阻尼比是多自由度系統動力分析中應用模態疊加方式來解決響應問題的重要參數，在設備和環境的不同影響下，獲取的模態阻尼比往往具備較大的差異。文章就此提出一種數值計算結合試驗測定模態阻尼比的方式，借助程序中關于模態截斷語言的指定響應分析，通過分離疊加模態得到純模態響應，進而了解實驗數據峰值和數值分離時頻響峰值譜線關系，為模態阻尼比的修正提供重要參考支持。

一、模態阻尼概念

模態是結構系統的固有振動特性，線性系統的自由振動被解耦合是N個正交的單自由度振動系統對應系統的N個模態。每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。阻尼是結構系統動力學研究的一個重要概念，在阻尼的作用下，結構系統模態呈現出多樣化、復雜化的特點。不同的阻尼擁有不同的機理構成，難以應用一個統一的規律來對其進行分析。從運動角度來看，阻尼起到阻礙運動的作用，阻尼的力作用方向和運動方向相反。從能力角度來看，阻尼是一種消耗結構系統的能量。

二、試驗設計

文章主要是對典型板單元結構進行阻尼比的測試，按照規定，在有限元建模時板殼網絡尺寸常一個縱骨間隔距離進行劃分，打造典型的板單元阻尼比測試模型，如圖一所示。

（1是螺栓;2是壓條;3是板單元試件;4是基座;5是支撐加強結構）

三、數據分析

（一）有限元模型的建立和分析

實驗操作應用正交各向異性負荷材料，在具體計算的時候要考慮纖維鋪層方向、角度、厚度，在數值計算的時候需要對試驗模型進行整體有限元建模，模擬空氣中的振動情況，模擬試件采用板單元、傳感器進行設計。數值計算時要對四塊板進行模態分析，得到八階振型和固有頻率，各板振型相似，固有頻率結果被控制在較小的范圍內，由此充分驗證試驗模型和仿真模型的較高匹配度。

（二）共振激勵計算單一模態響應

對比各個板單元試驗和數據計算的振型、固有頻率結果相一致，在一致之后開展共振激勵計算。針對各個階段振型的特點，按照試驗響應的數據開展瞬態分析，實現對頻率范圍內數據信息的有效轉換。試驗過程中采集激振、拾振點信號后按照力幅進行統一規劃分析，得到最終的頻率響應函數，在數值計算的時候為單位額外增加共振激振力、激振情況符合實際情況。在應用模態疊加法進行總體響應分析。

四、試驗結果

（一）共振駐留試驗響應分析對比

按照試驗順序分步使用力錘施加脈沖激勵、激振器施加諧振激勵，采集指定測點的加速度時序信號。第一，取3次力錘敲擊下激勵一響應點頻響曲線的平均值;第二，取激振器作用下形成穩態共振響應信號后一段時長數據的頻響曲線結果并進行平均計算。在經過比較分析之后發現，兩個數值所獲得的共振峰值存在較大的差異。

半功率法與衰減法識別出的阻尼比在比較的時候存在一定的偏差，在模態混疊影響作用下頻域下的半功率帶寬較“純模態”計算下有偏差，導致部分階次識別阻尼比偏大。同時，從修正阻尼比來看，受模態混疊影響較小，半功率法可以獲得更為精準的結果。

（二）寬頻帶激勵下阻尼比數值驗證

結合四塊脈沖激勵試驗所得寬頻帶響應結果，與該頻段內數值計算（取修正后的阻尼比）頻響進行對比。根據對比結果繪制阿尼修正理論、阻尼比數值計算頻響曲線，在對曲線數據信息進行綜合比對之后，發現曲線在峰值大小、分布情況上和試驗結果匹配。

結語

綜上所述，從當前實踐操作實際情況來看，系統模態阻尼比的獲取和分析依賴試驗操作，但是當前所具備的實驗測試方式在被應用到實際工程的時候具備一定的應用局限，無法獲取滿足需要的精準阻尼比。文章結合模態阻尼概念和基本特性，對常用的信號處理局限進行分析，明確導致阻尼比誤差的主要原因，之后應用數值計算和試驗分析方式，在模態選擇語句的作用下來對模態進行截斷處理，計算出純模態的響應情況，實現對疊加模態的分離處理，達到了理性的效果。