制动盘锤击法模态试验报告

小组成员：。。。。。。。。。。。

指导老师：。。。。。 时间：2013.12

1. 试验目的

1）通过试验加深对模态理论知识的理解和掌握。 3）掌握试验测试系统及其仪器设备的设置与连接方式。

4）熟悉LMS Test.Lab软件的功能和设置，学习信号采集和分析方法。 5）熟悉模态试验的一般流程与方法。

6）测定并获取离合器操纵系统固定座的自由模态参数，包括固有频率与振型等，以及动态

振动特性。

7）对离合器操纵系统固定座的有限元模型进行验证，并为有限元模型的修改提供可靠依据。

2. 试验地点和日期

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试验地点：同济大学新能源汽车工程中心汽车实验室 试验日期：2013年12月27日

3. 试验对象

制动盘，如图1所示。

图1 制动盘

4. 试验人员

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王友、徐明：有限元预分析；确定激励点与响应点的位置。 沈嘉怡：LMS Test.Lab软件操作。

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余瑶：模态参数估计与模型验证的理论分析。

杨磊：边界条件的设置；传感器的布置；实验设备管理维护。

5. 有限元分析

在CATIA中进行建模，如图2所示。

图2 制动盘CATIA 建模

将模型文件导入ANSYS Workbench进行网格划分和模态分析。制动盘材料为复合材料，材料属性列出在表1中。

表1 材料属性

密度 7100(kg/m) 3杨氏模量 6.4e+10 泊松比 0.27 下表2为计算所得前五阶模态频率。

表2有限元模型模态频率

阶数 1 2 3 4 5 有限元模型各阶振型图如下所示。

频率（Hz） 881.4 886.21 1196.2 1568 1702.4

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

6. 试验分析

6.1. 试验测试系统与仪器设备

试验测量分析系统由三大部分组成：试验激振系统，响应采集系统，模态分析和处理系统。其中，试验激振系统包括：力锤；响应采集系统包括加速度传感器和智能采集系统；模态分析和处理系统主要是LMS模态分析软件Test.lab 11B。

测试系统结构简图如图3所示。 力锤 线控离合器制动盘 试验台架 加速度信号 电荷放大器 图3制动盘测试系统 力信号 电荷放大器 信号采集系统 模态分析处理系统 试验所需仪器设备如表3所示。

表3离合器操纵系统固定座模态试验仪器设备

编号 1 2 仪器名称 力锤 力传感器 数量 1 1 型号 江苏联能 ICP 3 4 5 加速度传感器 智能信号发生与数据采集系统 数据分析处理软件 5 1 1 ICP LMS SCADASⅢ316w Test.Lab 11B

图4试验工具——冲击锤

6.2. 模态分析方法和测量过程

6.2.1. 激励方法

从频响函数的物理意义可知，若知道激励和响应，就可推知系统的特性。从这个意义上来说，有两种激励方法可供选择，其一是对结构上某点激励，测得所有点的响应，即单点激励的方法。其二是对结构某些点同时激励，测得各点的响应，即通常所说的多点激励方法。

单点激励的优点是在模态试验中，只要同时测量记录激励和响应的信号，再经数字信号处理，可获得与响应激励自由度对应的频响函数，简单易行。单点激励的缺点是能量有限，在大型复杂结构的模态试验中，响应信号信噪比差，有时难于激励出所关心的整体模态，当试验结构的模态比较密集且阻尼又比较大时，难于激出结构的纯模态。

多点激励的优点是可以激发出试验结构的纯模态，对大型结构尤其有效。而且多点激振可以解决系统存在重根的问题，但是多点激励也存在不足，其缺点是需要采用几套激振器激励。模态试验中，各激振器的激励信号应互不相关，输入力的大小和相位要反复调试，比较费时，加上设备昂贵，目前，尚未普遍推广。

在进行模态试验时，试件采用单点激励还是多点激励方法取决于试件被整体激振的难度。如果单点激励就可以测得试件上任意点的响应，且响应幅度足够大，则采用单点激振即可，否则需要对试件进行多点激振。

本试验研究的是制动盘的模态参数，属于小件试件，总体比较容易被激振，这里采用单点激振。

6.2.2. 结构安装方法

一种经常采用的自由状态。使试验对象不与地面相连接，自由地悬浮在空中。如放在很软的泡沫塑料上；或用很长的柔性绳索将结构吊起而在水平方向激振，可认为在水平方面处于自由状态。另一种是地面支承状态，结构上有一点或若干点与地面固结。

如果在我们所关心的实际情况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行试验。但最好还是自由支承为佳。因为自由状态具有更多的自由度。

本试验采用自由支撑的方式固定试件。

6.3. 试验方案与步骤

6.3.1. 确定坐标系

制动盘坐标系以工作面为xy平面，圆心为原点（0,0,0），过圆心垂直于工作面方向为z轴正方向，建立坐标系。

6.3.2. 支撑方式

被测制动盘采用橡胶绳悬吊安装，使其处于自由状态下进行试验。具体悬挂位置应选在模态节点处，本次试验中将橡胶绳穿过制动盘中间的轴孔，将制动盘竖直悬挂。

图5自由支撑固定扭转减振器

说明：在水平和竖直的两种悬挂方式上的选择，考虑力锤敲击的便利，以及自由振动的频率问题，综合考虑下，选择了竖直放置。如果水平放置，将绳子从左右的两孔穿过，则束缚的刚度过大，不符合模态实验的先决自由状态的条件，会对实验结果造成一定的不良影响。并且很难达到真正水平放置。所以，采取竖直悬挂方法，并且未考虑水平放置。

6.3.3. 测点和激振点布置

在制动盘外圈均匀布置4个加速度传感器，在内圈突出面上布置1个加速度传感器，使其能尽量表示制动盘形状并避开模态节点，同时应尽量减少加速度传感器数量，以避免加速度传感器质量对试验对象的影响。

输出测点的确定原则：

a.反映被测部件的基本外形和特征。

b.注意和关心的部位多布点，点要密些，其他部位少些。 c.注意规则部件要尽量左右对称。

d.测点选择尽量避开节点（在实际操作中难度较大）。

激振点位置选取在制动盘内圈突出面上。测点（红色）和激振点（蓝色）位置如下图。

图6图7

6.3.4. 激振方式

采用单点激振多点拾振的方法。

6.3.5. 连接仪器设备

将加速度传感器用502胶粘贴到定子外壳上。将力锤及其力传感器、加速度传感器、数据采集器等与电脑连接，搭建起模态测试系统。

6.3.6. 参数设置与采样

1) 建立几何模型

试验时，除激振点外，在制动盘上布置了5个点，对这些测点进行Z轴方向振动加速度的信号采集。启动 LMS软件，选择模态分析按钮，进入模态分析界面。分别完成测点模型的建立，在LMS软件中，在之前建立的坐标系的基础上，输入测点的坐标即可。

表4测点坐标 1 2 3 4 5

s:1 s:2 s:3 s:4 s:5 -0.113 0 0.113 0 -0.049 0 -0.113 0 0.113 -0.033 0.048 0.048 0.048 0.048 0

图8LMS Test.Lab Geometry创建几何模型

2) 通道设置

在通道设置中设置传感器类型、传感器灵敏度、总测点数和原点导纳位置等，力锤激励点为参考信号点。

图9通道设置

3) 锤击量程

用力锤击激振点测点，观察有无波形，如果有一个或两个通道无波形或波形不正常，就要检查仪器是否连接正确、导线是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等等，直至示波波形正确为止。设置测试的量程范围，以保证更精确的测试结果。期间可进行多次锤击，尽量保持所施加力的大小基本一致，以保证系统确定一个合适的量程范围。

图10锤击量程设置

4) 锤击设置

在采样参数设置中选定采样频率，使用适当的敲击力敲击各测点，调节放大器的放大倍数和INV 的程控倍数，直到力的波形和响应的波形即不过载也不过小。为采样程序参数设置表中输入各通道的工程单位和标定值。选定采样时自动增加测点号，准备采样。

下面一系列图就是进行锤击测试设置的步骤，即触发级、带宽、窗及锤击点选取等。

图11锤击设置——触发

图12锤击设置——带宽

图13锤击设置——加窗

图14锤击设置——驱动点

5) 采集数据

图15测量

各测点的传递函数试验数据处理与试验数据的采集同步进行，每采好一批信号，当场观察响应和激励之间的相干性，剔除相干函数不理想、锤击质量不佳的测试数据，以提高激励信号的信噪比。确保相干系数（除去节点或反节点外）在0.8以上，对符合要求的信号马上进行传递函数的处理，这样可以提高试验数据的准确率，避免数据不合要求后的重复试验。由上图可知，相干函数较理想，实验数据有效，可以进行后续的分析验证。

6.3.7. 试验数据处理和试验模态分析

1) 数据显示

打开LMS TestLab 模态分析模块，可以查看采集到的数据结果。如下图为所得到的瀑布图，可以同时查看时域和频域内的实验结果。

图16瀑布图

2) 模态分析

使用LMS PolyMAX进行模态定阶和拟合工作。根据有限元分析的结果，选择带宽700—2000Hz。

图17选择带宽

模态参数识别得到稳态图。在稳态图中，o表示机电不稳定；f表示频率稳定；v表示极点向量稳定；d表示阻尼和频率稳定；s表示三种参数都稳定。只有稳定地标注s的频率，才能确定是真实的稳定模态。稳态图清楚地反映了各阶模态，易于确定其模态位置。

图18稳态图

分析所得的模态参数如下表所示：

表5 制动盘模态参数 阶数 1 2 3 4 5 频率（Hz） 885.936 902.499 1213.114 1650.614 1708.275

制动盘各阶模态振型如下图所示：

阻尼比 0.12% 0.04% 0.10% 0.03% 0.32%

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

图19制动盘各阶模态振型

3) 模态参数辨识的准确性分析

在数据的采集和分析过程中严格按照模态试验的有关规范进行操作，例如数据的加窗截断、平滑处理以及模态识别算法的选择等，保证了模态试验结果的准确度和可靠性。使用LMS Polymax方法进行模态提取，并根据获得的模态参数进行各测量点传递函数的拟合计算，得到模态综合模拟图，其结果与实际测量的结果相比较，相关性在85％之上，说明所提取的模态阶数较为完整，并具有较高的准确度。

图20制动盘模态综合模拟图

对各阶模态进行MAC（modal assurance criterion）计算，其各阶模态的相关度绝大多数都在35 ％之内，说明各阶模态具有较高的正交性，见下图。其中第一阶、第二阶模态MAC值较高，然而其振型并不相同，且在有限元分析结果中有相近的两阶模态，所以同时保留。

表6

（%） Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Mode 5

Mode 1 100 64.751 1.688 1.267 2.041 Mode 2 64.751 100 31.367 30.112 18.351 Mode 3 1.688 31.367 100 13.524 63.889 Mode 4 1.267 30.112 13.524 100 0.093 Mode 5 2.041 18.351 63.889 0.093 100

图21

综上所述，此次扭转减振器的模态试验结果具有较高的准确度和精确度，满足工程实际应用的要求。

7. 分析总结

经大量的信号数据采集，从信号的相干性及各振型连续性分析说明本次模态试验数据是可靠，效果良好，完整地反应了减振器的动态特性，可以为有限元分析计算模型的修改提供可靠试验依据。

将试验结果与有限元软件分析结果进行对比，频率对比结果如下表所示。可知，两种方法结果非常相近，误差最大只有5%左右。

表7试验分析结果与有限元分析结果对比 阶数 1 2 3 4 5 试验分析结果（Hz） 有限元分析结果（Hz） 885.936 881.4 902.499 1213.114 1650.614 1708.275 886.21 1190.2 1568 1702.4 误差 0.51% 1.84% 1.92% 5.27% 0.35% 存在误差的原因可能有： 1) 制动盘材料为复合材料，在有限元软件中材料属性较为理想，而实际中会存在误差。 2) 在实际试验中，环境中可能存在一些噪声，会对加速度传感器的精度产生影响，并且在

信号传输的过程中会产生误差，这两者最终都会造成结果误差。

3) 试验和软件仿真的误差是不可避免的。但是，通过上述比较，两者误差很小，所以我们

可以结合两种方法分析制动盘的模态，两种方法都具有参考性。