模态案例研究

采用运行模态分析确定裂纹产生原因

Marc Marroquin, Brüel & Kjær 北美公司

就在几年之前，模态分析领域还是十分稳定和众所周知的。确定模态振型和阻尼值的方法定义明确，已被各界广泛接受，即采用力锤或激振器对结构进行激励，测量多个位置的响应，计算频率响应函数FRF，最后进行曲线拟合。这一过程基于多个假设条件，需要相当长的系统设置时间和较高的操作技能。

如今出现了一项崭新的、有望取代原来传统模态试验的新技术。运行模态分析 (有时称作 '输出模态')是不需要测量输入（即力锤或激振器）力以及特殊边界条件，能准确识别共振、模态振型和阻尼值的一项技术。进行运行模态分析(简称OMA ), 所需要的是在几个点上输出响应的原始时间数据。以下是如何测量OMA的几个例子:

对于机翼 – 只需在机翼上安装一串加速度传感器并让飞机正常飞行。
对于汽车底盘 – 在汽车底盘上安装加速度传感器，让汽车在路上开。
对于发动机部件 – 将加速度传感器布置在部件上，正常启动发动机。
对于计算机硬盘 – 将加速度传感器安放在硬盘上，正常操作计算机。

运行模态实验以产品的自然激振作为共振的激励。采用专门的曲线拟合算法来提取共振频率并进行动画展示。工作模态分析OMA技术不需要专门的边界条件，免除了精细的系统设置，简化了费时的过程，就能够在保持结构原来位置的自然边界条件下进行运行模态分析(如以上几例所示)。

最近，我为一家汽车配件制造厂进行了运行模态分析试验。电机安装在一个箱形的基座之上，而基座装在两根支撑梁上，梁又固装在一个大型构件的外壳上。在耐久试验中，基座有时会沿着底部出现应力裂纹,可能要损害到相邻元件的外壳。为防止产品实际装运时可能出现的问题，很重要的是确认是否会激起共振及模态振型如何，如图1所示。

测量实际安装情况下的真实模态振型相当重要，因为基座支撑的电机较重(超过 100 磅)，且连接在支承梁的几个位置上，电机的重量和基座的安装会明显改变模态振型和共振频率，因此简单地测量基座在自由状态条件下的共振频率是不够的。更复杂的是, 电机布置在一个不易靠近的位置，不能用力锤或激振器进行普通的模态分析试验，OMA 是进行分析的唯一选择。

试验包括:

14个位置点的测量
使用2个三轴向加速度传感器(一个保持在固定位置，另一个穿梭于其它13个点位)
激励力为实际电机5秒内从1300 RPM 加速到2400 RPM

使用的仪器包括:

7通道Bruel & Kjær PULSE™ 系统(3560C)
Bruel & Kjær 模态测试顾问（Modal Test Consultant™ ）软件--PULSE套件 (7753)
Bruel & Kjær 运行模态分析软件(7760)
两个三轴向加速度传感器

在模态测试顾问的导引下，测试进行了约一个小时。

试验数据由PULSE传给OMA并进行曲线拟合。数据运算完成以后，识别出三个模态 – 44.6 Hz, 55.2 Hz 和 95.3 Hz。很快就认识到44.6 Hz 模态是问题模态，因为电机的正常工作是在2600 到 2700 RPM之间。观察实际模态振型也很清楚地看出应力裂纹出现在底部的原因(见图2)。

正如这个简要的案例研究所示，OMA 是十分有价值的工具。采用产品的正常运转作为激励，简单记录原位数据，就能得到准确的结果，向用户揭示出部件破坏的原因。所有这些都是在没有专门系统设置，无需测量实际激励力的情况下实现的，真令人叫绝!

如果有兴趣了解 OMA的更多内容，请与贵处的Brüel & Kjær 销售工程师联系。