基于有限元法的滾動軸承結構和模態(tài)分析與研究說明書

基于有限元法的滾動軸承結構和模態(tài)分析與研究說明書,基于,有限元,滾動軸承,結構,以及,分析,研究,鉆研,說明書,仿單 模態(tài)分析可分為計算模態(tài)和試驗模態(tài)分析，其結構動態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學上，模態(tài)參數(shù)是力學系統(tǒng)運動微分方程的特征值和特征矢量，即要知道結構的幾何形狀、邊界條件和材料特性，把結構的質量分布、剛度分布和阻尼分布分別用質量矩陣、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)的動力學特性。實驗方面，它是從測量結構上某些點的動態(tài)輸入力和輸出響應開始，并且一般還要將測量得到的數(shù)據(jù)轉換成頻響函數(shù)。理論證明，這些頻響函數(shù)可以用模態(tài)參數(shù)表示，因此試驗模態(tài)分析的第二步就是從測得的頻響函數(shù)來估計這些模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析是若干工程學科的綜合，涉及到結構動力學理論、數(shù)字信號處理、系統(tǒng)辨識和測試技術等學科。隨著模態(tài)分析專題研究范圍的不斷擴展，從系統(tǒng)識別到結構靈敏度分析以及動力修改等，模態(tài)分析技術已被廣義地理解為包括力學系統(tǒng)動態(tài)特性的確定以及與其應用有關的大部分領域。本章將從模態(tài)的計算分析和試驗分析兩個角度來簡要介紹模態(tài)分析的基本理論。關于模態(tài)分析理論做以下三點基本假設:1.線性假設:結構的動態(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.時不變性假設:結構的動態(tài)恃性不隨時間而變化，因而微分方程的系數(shù)是與時間無關的常數(shù)。由于不得不安裝在結構上的運動傳感器的附加質量，可能出現(xiàn)典型的時不變性問題。3.可觀測性假設:這意味著用以確定我們所關心的系統(tǒng)動態(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，合理選擇響應自由度是非常重要的。試驗模態(tài)分析，又稱模態(tài)分析的實驗過程，是一種試驗建模過程，屬于結構動力學的逆問題。首先，試驗測得激勵和響應的時間歷程，運用數(shù)字信號處理技術求得頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）或脈沖響應函數(shù)，得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型；其次，運用參數(shù)識別方法，求得系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)；最后，如果有必要，進一步確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。因此，試驗模態(tài)分析是采用實驗與理論分析相結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)識別是試驗模態(tài)分析的核心。試驗模態(tài)分析方法又稱模態(tài)分析的試驗過程。是一個綜合運用線性振動理論、動態(tài)測試技術、數(shù)字信號技術處理和參數(shù)識別等手段，進行系統(tǒng)識別的過程，是對結構或系統(tǒng)進行分析的一種試驗建模方法。試驗模態(tài)分析的目的是，通過試驗測得激勵和響應的時間歷程，運用數(shù)字信號處理技術求得頻響函數(shù)(傳遞函數(shù))或脈沖響應函數(shù)，然后進行曲線擬合得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型;最后，運用參數(shù)識別方法，計算出決定結構系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，進而建立起結構動態(tài)模型。為下一步的動力響應分析，理論計算模型的驗證和結構的修改提供重要的技術數(shù)據(jù)。目前，頻響函數(shù)測試技術正沿著兩條道路發(fā)展。一條道路是單點激振多點測量(或一點測量，逐點激振)技術;另一條道路是多點激振多點測量技術。多點激振技術適用于大型復雜結構，如船體、機體或大型車輛結構等。它采用多個激振器，以相同的頻率和不同的力幅和相位差，在結構的多個選定點上，實施激勵，使結構發(fā)生接近于實際振動烈度的振動。它能夠激勵出系統(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。但是這種技術要求配備復雜昂貴的儀器設備，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，使得單點激勵多點響應這一頻率響應函數(shù)測量技術有了堅實的物質基礎，并推動了這種快速、簡單的測量方法在眾多工程實際中的廣泛應用。在頻響測量分析中，一般情況下，固有頻率被認為是最能準確得到的，因而頻響分析工作往往首先從尋求固有頻率開始，然后求得結構阻尼。阻尼確定之后，接下去的工作便是求取剛度和質量。對于多自由度系統(tǒng)來說，還要確定振型，并對振型進行適當?shù)臍w一化后，剛度和質量參數(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、質量和模態(tài)頻率外，還有一個重要的參數(shù)，就是模態(tài)振型。模態(tài)分析技術源于20世紀30年代提出的將機電進行比擬的機械阻抗技術。由于當時測試技術及計算機技術的限制，它在很長時期內發(fā)展非常緩慢。至20世紀50年代末，該技術僅限于離散穩(wěn)態(tài)正弦激振方法。60年代末，計算機技術飛速發(fā)展使得實驗數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計算技術出現(xiàn)了嶄新的面貌，為了適應現(xiàn)代工程技術要求，試驗模態(tài)分析技術應運而生。70年代開始，隨著FFT數(shù)字式動態(tài)測試技術的飛速發(fā)展，使得以單入單出及單入多出為基礎識別方式的模態(tài)分析技術普及到各個工業(yè)領域，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，多入多出隨機激振技術和識別技術得到了長足發(fā)展。從80年代中期至90年代，模態(tài)分析技術在各個工程領域得到普及和深層次應用，尤其是在結構性能評價、結構動態(tài)修改和動態(tài)設計、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測以及聲控分析等方面的應用研究異?；钴S，取得了豐碩的研究成果。目前，模態(tài)分析技術已經(jīng)成為一門重要的工程技術，而不僅僅是從事研究的理論課題。模態(tài)分析的本質在于將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程解禍，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標變換的矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。試驗模態(tài)分析是通過試驗及數(shù)據(jù)處理來識別實際結構的動力學模型的過程，第一步是要求測量結構上某些點的動態(tài)輸入力和輸出響應，并轉換為頻響函數(shù)，第二步就是用測得的頻響函數(shù)來識別估計這些模態(tài)參數(shù)。面向試驗模態(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，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方法要求同時高速采集輸入與輸出兩個點的信號，用不斷移動激勵點位置或響應點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，結構常常因為過于巨大和笨重，以至于采用單點激振不能提供足夠的能量，將感興趣的模態(tài)都激勵出來，況且結構在同一頻率時可能有多個模態(tài)，這樣單點激振就不能把它們分離出來，此外、單點激振要特別注意激振點的選取，以免丟失模態(tài)，同時在單點激勵下，對響應信號的拾取往往要根據(jù)對象的結構測點劃分，在不同節(jié)點需要同時采集響應信號。為了在這些情況下得到更好的振型數(shù)據(jù)結果，常常需要采用兩個甚至多個激勵來激發(fā)結構的振動，同時也需要更多振動測量傳感器和數(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)管理思想結合起來進行設計的。模態(tài)分析就是以振動理論為基礎、以模態(tài)參數(shù)為目標，研究結構動態(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領域中的應用。其經(jīng)典定義是:將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程組解禍，成為一組以模態(tài)坐標以及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析，作為一門交叉學科，得到了迅速的發(fā)展，在航空、航天、汽車、機床、發(fā)電設備及橋梁結構的振動特性分析、振動控制、故障診斷和預報以及噪聲控制等方面有著十分廣泛的應用，可歸結為以下幾個方面:(l)評價現(xiàn)有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性;(2)在新產(chǎn)品設計中進行結構動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設計;(3)診斷及預報結構系統(tǒng)的故障;(4)控制結構的輻射噪聲;(5)識別結構系統(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)和試驗模態(tài)分析(或稱模態(tài)分析的實驗過程)。理論模態(tài)分析是以線性振動理論為基礎，研究激勵、系統(tǒng)、響應三者的關系，通常將系統(tǒng)分為三種模型，即:(l)物理參數(shù)模型:以質量、剛度、阻尼為特征參數(shù)的數(shù)學模型;(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)學模型和以模態(tài)質量、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)與脈沖響應函數(shù)是兩種反映振動系統(tǒng)特征的非參數(shù)模型。