模态空间是Peter Avitabile教授发表的系列模态解读文章。Peter Avitabile教授是美国麻省大学洛威尔校区UMASS Lowell机械工程系结构动力学和声学系统实验室的副主任，以及模态分析和控制实验室的主任。Peter Avitabile教授以略带口语化、生动而又幽默的语言，在每篇文章中集中介绍试验模态分析的一个主题，是非常好的试验模态分析的入门文章。它涉及到了试验模态分析的方方面面，是模态试验新手的入门材料，学习它有助于理解什么是试验模态，以及取得高质量的模态参数。
在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译，得到了Peter Avitabile教授的书面授权，Peter Avitabile教授拥有文章全部权利，北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译，请保留本段的描述信息。
模态空间系列（九十二）趣味解读模态空间-如果试验和模型之间的频率很接近，那么模型是相关的吗？
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如果试验和模型之间的频率很接近，那么模型是相关的吗？
你真的一定要观察模态振型吗？这很重要，要讨论。
这是另一个人们还经常感到困惑的地方。所以人们常常建立有限元模型，希望确保模型是合理的。为了这个唯yi的目的，有时特别进行试验模态测试 – 以提供模型的合理性检查。
有限元模型是根据很多不同的假设建立的，并且很多地方有问题，例如：
– 结构如何建模
– 用什么材料特性
– 结合面和连接点如何建模
– 等等
这是因为有限元模型是一种近似，它是一种建模工具，我们用来确保设计方案是合理的，适合于特定应用中的预期用途。模型包含许多近似，对于大多数的设计，它们可能都是合理的。幸好在设计上，我们建立安全、应力限值和其它准则等因子来补偿那些我们不知道或不理解的部分。
很多时候，在有限元模型中，有“惩罚因子”或者“低限值因子”可以加到模型上去，因为我们只是不确定用于模型的属性，认为可能由于所用的制造工艺或者由于加工技术可能附加载荷并造成结构的一般属性变糟等。
有限元模型是近似。在我们设计和制造的系统中，我们用模型来建立一个“舒适因子”，以对我们的设计有更大的信心。但重要的是，我们建立的有限元模态无论如何并不完美。希望它们是系统的良好近似，我们z尽力建立这个系统的动力学特性，但是…在建立这个模型过程中，有时我们忘记了近似。
例如，我们建立非常复杂的模型，而有时复杂性是关注的焦点可能指向的地方。但作为错误的可能来源，关于杨氏模量是什么，材料密度的简单问题常常会让人感到惊讶。但还没有人时常对试验对象称重，看看模型重量是否跟实际部件重量一样。另外，我们总是接受作为公开数值的杨氏模量，没有想过可能预料到的变化，以及该如何对它进行检查。
另外，有时CAD模型用于模型的几何形状生成，没有实际考虑过，实际的几何形状可能是什么样、实际频率和模态振型可能会如何改变。一个非常重要的例子是板的平面度，它包含在有限元模型中。模型可能把板建模为平整的，但板的实际翘曲度可能会对总体频率预测产生极大的影响。图1显示了板的几个扫描形状，板被声明为是平整的，并且模型中也是这么建模的，但是对频率和振型的确定，这些偏离产生了非常重要的作用。
图1 – “假设”平板的变形的几何形状
在这个特殊的例子中，模型频率跟实测的很多频率相匹配，但是振型显的几乎完全不相关 – 所以仅仅频率匹配并不一定意味着模型没有问题。
总是引起问题的一个特别难题是当试验模态测试是在夹紧或固支条件下进行时。在这里，有限元模型可以很容易地预计一个固支或夹紧的条件，而在试验模态测试设置中要完成这个就非常困难了 – 但人们总是试图按照这种方法进行测试。
一种例子涉及到一个复合材料板，板是用某种新型纤维制成的，而复合材料板的特性受到质疑。平板用一个夹具进行设置，试图得到一种固支条件，尽管我们清楚地知道，可能非常难以实现这种边界条件。
遗憾的是，分析小组向大家保证夹具绰绰有余。另外他们明确地声称，它“又刚”“又硬”而且“模拟测试的固支条件绰绰有余”。
那么这里对测试唯yi能说的就是，“是什么就是什么”，并且无论测得了什么都将确定试验设置的实际情况。测得复合材料板的前几阶模态，并进行有限元模型的相关分析研究。但是，记住，zui初的有限元模型的纤维特性还不清楚，而试验的目的就是帮助确定纤维特性。当然，进行的第1次相关分析显示出试验和模型之间的明显差别。预期会很大，因为纤维未知。频率显示出相当大的差别，而认为振型相关程度是合理的，如表1所示。作为参考，三个模态振型对如图2所示。
显然，模型所具有的纤维特性没有代表复合材料中纤维的实际刚度。因而通过微调纤维特性的方法，调整模型，得到的频率显示出了极大的改善。接下来确定模型的频率，显示出有很大的改善，如表2 所示。
但是如果你观察表2，会注意到，没有显示MAC值。由于时间和预算限制，对“调整后的”的有限元模型，没有进行另外的相关分析研究。大家感觉到因为频率对比有了极大的改善，所以没有必要进一步验证模型了 – 可以说，频率都很接近，所以“到此为止吧”。
表1 – 复合材料板模型和试验数据的相关分析
图2 – 第1组相关的模态对偶
表2 – “调整后的”符合材料板模型和试验数据的相关分析
但稍后进行了几个补充相关分析，并且事实证明，参照zui初，振型相关程度严重地退化了，对2阶和3阶模态，MAC值比之前低了很多。尽管看上去频率非常接近，大家乐于使用调整后模型的修正特性。后来实际情况表明，所谓的固支或夹紧的边界条件具有非常重要的影响。频率确实跟实测频率更近了，但是调整了的模型的纤维参数对前3阶模态的振型有重要的影响 – 但作为模型调整的部分这一点从来没有被检查过。实际上，夹具的边界条件并不像分析工程师预期的那样刚硬，这对于振型的相关程度有巨大的影响。
所以重要的是，很显然相关分析需要比较频率和振型。如果只考虑频率，那么模型可以按照差不多任意的方法进行调整，以得到“匹配的”频率。非常重要的是，振型应该作为相关分析过程的部分进行验证，以进一步证明和证实模型跟实测数据的相关分析是有道理的。
已经有很多的实例证实这一点，并且总是建议，模型与试验的相关分析包括频率比较，也包括振型比较。MAC是振型相关分析过程的第1步，但是对于模型确认，同样也需要正交性检查。（仅利用MAC作为向量相关分析工具的一些注意事项，将在后面的文章中进行讨论。）如果你有关于模态分析的任何其他问题，尽管问我好了。
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模态激励全新的解决方案-WaveHitMAX自动脉冲锤
实验模态分析中必不可少的一环就是模态激励，昊量光电新推出的这款智能冲击锤的发明为结构动力学应用提供了机械激励的新途径。智能意味着设备内部处理信号。模态锤WaveHitMAX保证了测试对象的全自动、可重复和高精度激励，而没有双重打击。用户可以根据不同的阻尼/延迟时间，设置撞击次数、冲击力和撞击之间的延迟时间。所有的预置，如零点或冲击力搜索，都是由锤子自动完成的。用户不再需要手动调整。
针对全自动冲击锤的研制，WaveHitMAX采用包括整个运动控制的闭环控制方法解决了这一问题。
图1. 用于脉冲锤内部运动控制的传感器-执行器控制回路示意图
对新型冲脉冲锤WaveHitMAX的系统设计进行了改进，使传感器信号作为运动控制单元的主要输入参数。这样，脉冲锤的手臂可以向上移动到试件的命中点，在那里，通过力传感器信号中的特征变化检测到接触事件，手臂的移动方向可以反转。
与半自动冲击锤相比，WaveHitMAX自动脉冲锤具有新的功能。内部信号处理的优点有:
• 全自动单击
• 自动搜索用户自定义的冲击力
• 自动零点搜索
• 确认对质量保证的影响
• 更改锤头与测试对象之间的位置，无需重新设置
WaveHitMAX自动模态力锤可以通过以太网在Windows设备(PC或平板电脑)上通过包含的软件快速、轻松地操作。
自动模态脉冲锤特点：
• 自动零点搜索
• 可重复的单击激发
• 内部传感器评估和过程控制
• 自动搜索和调整冲击力
• 位置的变化是自动预测的
• 通过附件配置脉冲特性
• 通过远程控制或集成到客户系统中来触发功能
• 在德国设计和组装
• CE认证
1.确保单次激发
双重撞击激励可以在时域和频域检测到
2.丰富的配件支持
不同的传感器-尖端-配重的组合。
综述上文介绍WaveHitMAX - 一款用于全自动冲击测试的智能脉冲锤，在全新的AI智能脉冲领域实现真正意义上的全自动智能脉冲锤！
如果您对WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣，请访问上海昊量光电的官方网页：
https://www.auniontech.com/details-1495.html
关于Gfai tech
Gfai tech GmbH一直在生产和销售"德国制造"的声音和振动测量和分析创新产品超过15年。作为应用计算机科学促进会（GFai）的100%子公司，它始终以行业为导向和以应用为导向。
Gfai tech以模块化和灵活的声学摄像机而闻名，用于声源的定位，可视化和分析。如今，该产品组合还包括实验模态分析的创新以及用于监测、分析和评估声学测量数据的完整软件解决方案。我们的测量解决方案应用于汽车、工业、空中交通、火车交通和研发领域的降噪、错误检测和声音设计。
上海昊量光电作为gfai tech公司在中国大陆地区的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。对于WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。
更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电
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上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。
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