基于有限元法的滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析與研究說明書

基于有限元法的滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析與研究說明書,基于,有限元,滾動(dòng)軸承,結(jié)構(gòu),以及,分析,研究,鉆研,說明書,仿單 模態(tài)分析可分為計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征矢量，即要知道結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件和材料特性，把結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布和阻尼分布分別用質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣表示出來，這樣就有足夠多的信息來確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型)。理論證明，這些模態(tài)參數(shù)可以完整地描述系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)方面，它是從測量結(jié)構(gòu)上某些點(diǎn)的動(dòng)態(tài)輸入力和輸出響應(yīng)開始，并且一般還要將測量得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻響函數(shù)。理論證明，這些頻響函數(shù)可以用模態(tài)參數(shù)表示，因此試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的第二步就是從測得的頻響函數(shù)來估計(jì)這些模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析是若干工程學(xué)科的綜合，涉及到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論、數(shù)字信號處理、系統(tǒng)辨識和測試技術(shù)等學(xué)科。隨著模態(tài)分析專題研究范圍的不斷擴(kuò)展，從系統(tǒng)識別到結(jié)構(gòu)靈敏度分析以及動(dòng)力修改等，模態(tài)分析技術(shù)已被廣義地理 解為包括力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的確定以及與其應(yīng)用有關(guān)的大部分領(lǐng)域。本章將從模態(tài)的計(jì)算分析和試驗(yàn)分析兩個(gè)角度來簡要介紹模態(tài)分析的基本理論。關(guān)于模態(tài)分析理論做以下三點(diǎn)基本假設(shè):1.線性假設(shè):結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是線性的，就是說任何輸入組合引起的輸出等于各自輸出的組合。2.時(shí)不變性假設(shè):結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)恃性不隨時(shí)間而變化，因而微分方程的系數(shù)是與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)。由于不得不安裝在結(jié)構(gòu)上的運(yùn)動(dòng)傳感器的附加質(zhì)量，可能出現(xiàn)典型的時(shí)不變性問題。3.可觀測性假設(shè):這意味著用以確定我們所關(guān)心的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性所需要的全部數(shù)據(jù)都是可以測量的。為了避免出現(xiàn)可觀測性問題，合理選擇響應(yīng)自由度是非常重要的。 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，又稱模態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)過程，是一種試驗(yàn)建模過程，屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的逆問題。首先，試驗(yàn)測得激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程，運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)求得頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）或脈沖響應(yīng)函數(shù)，得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型；其次，運(yùn)用參數(shù)識別方法，求得系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)；最后，如果有必要，進(jìn)一步確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。因此，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是采用實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法來識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼、振型）的過程[1,2]。模態(tài)參數(shù)識別是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的核心。 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法又稱模態(tài)分析的試驗(yàn)過程。是一個(gè)綜合運(yùn)用線性振動(dòng)理論、動(dòng)態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號技術(shù)處理和參數(shù)識別等手段，進(jìn)行系統(tǒng)識別的過程，是對結(jié)構(gòu)或系 統(tǒng)進(jìn)行分析的一種試驗(yàn)建模方法。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的目的是，通過試驗(yàn)測得激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程，運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)求得頻響函數(shù)(傳遞函數(shù))或脈沖響應(yīng)函數(shù)，然后進(jìn)行曲線擬合得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型;最后，運(yùn)用參數(shù)識別方法，計(jì)算出決定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而建立起結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型。為下一步的動(dòng)力響應(yīng)分析，理論計(jì)算模型的驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)的修改提供重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。 目前，頻響函數(shù)測試技術(shù)正沿著兩條道路發(fā)展。一條道路是單點(diǎn)激振多點(diǎn)測量(或一點(diǎn)測量，逐點(diǎn)激振)技術(shù);另一條道路是多點(diǎn)激振多點(diǎn)測量技術(shù)。多點(diǎn)激振技術(shù)適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如船體、機(jī)體或大型車輛結(jié)構(gòu)等。它采用多個(gè)激振器，以相同的頻率和不同的力幅和相位差，在結(jié)構(gòu)的多個(gè)選定點(diǎn)上，實(shí)施激勵(lì)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生接近于實(shí)際振動(dòng)烈度的振動(dòng)。它能夠激勵(lì)出系統(tǒng)的各階純模態(tài)來，從而提高了模態(tài)參數(shù)曲識別精度。但是這種技術(shù)要求配備復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備，測試周期也比較長。相比較而言，由于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的飛速發(fā)展，使得單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)這一頻率響應(yīng)函數(shù)測量技術(shù)有了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，并推動(dòng)了這種快速、簡單的測量方法在眾多工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。在頻響測量分析中，一般情況下，固有頻率被認(rèn)為是最能準(zhǔn)確得到的，因而頻響分析工作往往首先從尋求固有頻率開始，然后求得結(jié)構(gòu)阻尼。阻尼確定之后，接下去的工作便是求取剛度和質(zhì)量。對于多自由度系統(tǒng)來說，還要確定振型，并對振型進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w一化后，剛度和質(zhì)量參數(shù)才能確定。因此多自由度系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，除阻尼、剛度、質(zhì)量和模態(tài)頻率外，還有一個(gè)重要的參數(shù)，就是模態(tài)振型。 模態(tài)分析技術(shù)源于20世紀(jì)30年代提出的將機(jī)電進(jìn)行比擬的機(jī)械阻抗技術(shù)。由于當(dāng)時(shí)測試技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，它在很長時(shí)期內(nèi)發(fā)展非常緩慢。至20世紀(jì)50年代末，該技術(shù)僅限于離散穩(wěn)態(tài)正弦激振方法。60年代末，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計(jì)算技術(shù)出現(xiàn)了嶄新的面貌，為了適應(yīng)現(xiàn)代工程技術(shù)要求，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。70年代開始，隨著FFT數(shù)字式動(dòng)態(tài)測試技術(shù)的飛速發(fā)展，使得以單入單出及單入多出為基礎(chǔ)識別方式的模態(tài)分析技術(shù)普及到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，模態(tài)分析得到快速發(fā)展而日趨成熟。而到了80年代后期，多入多出隨機(jī)激振技術(shù)和識別技術(shù)得到了長足發(fā)展。從80年代中期至90年代，模態(tài)分析技術(shù)在各個(gè)工程領(lǐng)域得到普及和深層次應(yīng)用，尤其是在結(jié)構(gòu)性能評價(jià)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測以及聲控分析等方面的應(yīng)用研究異常活躍，取得了豐碩的研究成果。目前，模態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)成為一門重要的工程技術(shù)，而不僅僅是從事研究的理論課題。 模態(tài)分析的本質(zhì)在于將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程解禍，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理來識別實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型的過程，第一步是要求測量結(jié)構(gòu)上某些點(diǎn)的動(dòng)態(tài)輸入力和輸出響應(yīng)，并轉(zhuǎn)換為頻響函數(shù)，第二步就是用測得的頻響函數(shù)來識別估計(jì)這些模態(tài)參數(shù)。 面向試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的數(shù)據(jù)采集 針對模態(tài)分析的數(shù)據(jù)采集有其自身的特點(diǎn)，從模態(tài)分析激振的識別方式來看，主要分為單輸入單輸出（SISO）、單輸入多輸出（SIMO）和多輸入多輸出（MIMO）三種方法。SISO方法要求同時(shí)高速采集輸入與輸出兩個(gè)點(diǎn)的信號，用不斷移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)位置或響應(yīng)點(diǎn)位置的辦法取得振型數(shù)據(jù)。SIMO及MIMO的方法則要求大量通道數(shù)據(jù)的高速并行采集，因而數(shù)據(jù)采集工作量較大，管理數(shù)據(jù)困難。SISO方式的成本較低，數(shù)據(jù)采集工作量也較少，但是，在許多情況下，結(jié)構(gòu)常常因?yàn)檫^于巨大和笨重，以至于采用單點(diǎn)激振不能提供足夠的能量，將感興趣的模態(tài)都激勵(lì)出來，況且結(jié)構(gòu)在同一頻率時(shí)可能有多個(gè)模態(tài)，這樣單點(diǎn)激振就不能把它們分離出來，此外、單點(diǎn)激振要特別注意激振點(diǎn)的選取，以免丟失模態(tài)，同時(shí)在單點(diǎn)激勵(lì)下，對響應(yīng)信號的拾取往往要根據(jù)對象的結(jié)構(gòu)測點(diǎn)劃分，在不同節(jié)點(diǎn)需要同時(shí) 采集響應(yīng)信號。為了在這些情況下得到更好的振型數(shù)據(jù)結(jié)果，常常需要采用兩個(gè)甚至多個(gè)激勵(lì)來激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，同時(shí)也需要更多振動(dòng)測量傳感器和數(shù)據(jù)采集通道來滿足MIMO，SIMO的識別需求。這樣傳統(tǒng)的雙通道和四通道等通道數(shù)目較少的數(shù)據(jù)采集器就顯得捉襟見肘，本文中多通道數(shù)據(jù)采集器就是根據(jù)工程上模態(tài)分析的實(shí)際需要將多通道數(shù)據(jù)采集與工程化的數(shù)據(jù)管理思想結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 模態(tài)分析就是以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)，研究結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的一種近代分析方法，也是系統(tǒng)辨識方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。其經(jīng)典定義是:將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解禍，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)以及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析，作為一門交叉學(xué)科，得到了迅速的發(fā)展，在航空、航天、汽車、機(jī)床、發(fā)電設(shè)備及橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)控制、故障診斷和預(yù)報(bào)以及噪聲控制等方面有著十分廣泛的應(yīng)用，可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面:(l)評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性; (2)在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì); (3)診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障; (4)控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲; (5)識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。 根據(jù)研究模態(tài)分析的手段和方法不同，模態(tài)分析分為理論模態(tài)分析(或稱模態(tài)分析的理論過程)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析(或稱模態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)過程)。理論模態(tài)分析是以線性振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，研究激勵(lì)、系統(tǒng)、響應(yīng)三者的關(guān)系，通常將系統(tǒng)分為三種模型，即: (l)物理參數(shù)模型:以質(zhì)量、剛度、阻尼為特征參數(shù)的數(shù)學(xué)模型; (2)模態(tài)參數(shù)模型:以模態(tài)頻率、模態(tài)矢量(振型)和衰減系數(shù)為特征參數(shù)的數(shù)學(xué)模型和以模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼、模態(tài)矢量組成的另一類模態(tài)參數(shù)模型; (3)非參數(shù)模型:頻響函數(shù)與脈沖響應(yīng)函數(shù)是兩種反映振動(dòng)系統(tǒng)特征的非參數(shù)模型。