分析数值计算结合试验测定模态阻尼法

张海伦

【摘要】模态阻尼是结构系统达到每一阶模态振型时所表现出来的一种系统阻尼，从实际应用情况来看，模态阻尼研究结构系统动力学特性的一个重要参数。为此，文章在阐述模态阻尼概念的基础上，就模态阻尼法的数值计算和试验测定问题进行探究。

【关键词】模态阻尼比;数值计算;试验测定

阻尼作為一项动力指标，对结构在共振区的响应影响十分明显，阻尼参数的取值需要通过试验来确定。模态阻尼比是多自由度系统动力分析中应用模态叠加方式来解决响应问题的重要参数，在设备和环境的不同影响下，获取的模态阻尼比往往具备较大的差异。文章就此提出一种数值计算结合试验测定模态阻尼比的方式，借助程序中关于模态截断语言的指定响应分析，通过分离叠加模态得到纯模态响应，进而了解实验数据峰值和数值分离时频响峰值谱线关系，为模态阻尼比的修正提供重要参考支持。

一、模态阻尼概念

模态是结构系统的固有振动特性，线性系统的自由振动被解耦合是N个正交的单自由度振动系统对应系统的N个模态。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。阻尼是结构系统动力学研究的一个重要概念，在阻尼的作用下，结构系统模态呈现出多样化、复杂化的特点。不同的阻尼拥有不同的机理构成，难以应用一个统一的规律来对其进行分析。从运动角度来看，阻尼起到阻碍运动的作用，阻尼的力作用方向和运动方向相反。从能力角度来看，阻尼是一种消耗结构系统的能量。

二、试验设计

文章主要是对典型板单元结构进行阻尼比的测试，按照规定，在有限元建模时板壳网络尺寸常一个纵骨间隔距离进行划分，打造典型的板单元阻尼比测试模型，如图一所示。

（1是螺栓;2是压条;3是板单元试件;4是基座;5是支撑加强结构）

三、数据分析

（一）有限元模型的建立和分析

实验操作应用正交各向异性负荷材料，在具体计算的时候要考虑纤维铺层方向、角度、厚度，在数值计算的时候需要对试验模型进行整体有限元建模，模拟空气中的振动情况，模拟试件采用板单元、传感器进行设计。数值计算时要对四块板进行模态分析，得到八阶振型和固有频率，各板振型相似，固有频率结果被控制在较小的范围内，由此充分验证试验模型和仿真模型的较高匹配度。

（二）共振激励计算单一模态响应

对比各个板单元试验和数据计算的振型、固有频率结果相一致，在一致之后开展共振激励计算。针对各个阶段振型的特点，按照试验响应的数据开展瞬态分析，实现对频率范围内数据信息的有效转换。试验过程中采集激振、拾振点信号后按照力幅进行统一规划分析，得到最终的频率响应函数，在数值计算的时候为单位额外增加共振激振力、激振情况符合实际情况。在应用模态叠加法进行总体响应分析。

四、试验结果

（一）共振驻留试验响应分析对比

按照试验顺序分步使用力锤施加脉冲激励、激振器施加谐振激励，采集指定测点的加速度时序信号。第一，取3次力锤敲击下激励一响应点频响曲线的平均值;第二，取激振器作用下形成稳态共振响应信号后一段时长数据的频响曲线结果并进行平均计算。在经过比较分析之后发现，两个数值所获得的共振峰值存在较大的差异。

半功率法与衰减法识别出的阻尼比在比较的时候存在一定的偏差，在模态混叠影响作用下频域下的半功率带宽较“纯模态”计算下有偏差，导致部分阶次识别阻尼比偏大。同时，从修正阻尼比来看，受模态混叠影响较小，半功率法可以获得更为精准的结果。

（二）宽频带激励下阻尼比数值验证

结合四块脉冲激励试验所得宽频带响应结果，与该频段内数值计算（取修正后的阻尼比）频响进行对比。根据对比结果绘制阿尼修正理论、阻尼比数值计算频响曲线，在对曲线数据信息进行综合比对之后，发现曲线在峰值大小、分布情况上和试验结果匹配。

结语

综上所述，从当前实践操作实际情况来看，系统模态阻尼比的获取和分析依赖试验操作，但是当前所具备的实验测试方式在被应用到实际工程的时候具备一定的应用局限，无法获取满足需要的精准阻尼比。文章结合模态阻尼概念和基本特性，对常用的信号处理局限进行分析，明确导致阻尼比误差的主要原因，之后应用数值计算和试验分析方式，在模态选择语句的作用下来对模态进行截断处理，计算出纯模态的响应情况，实现对叠加模态的分离处理，达到了理性的效果。