振动测试及有限元仿真计算

1. 振动测试

1.1 定义与目的

通过实验手段测量结构在激励下的振动响应（位移、速度、加速度等），用于：

• 确定固有频率、阻尼比、振型等模态参数。

• 验证仿真模型的准确性。

• 检测结构缺陷或异常（如裂纹、松动）。

• 评估产品是否符合振动标准（如ISO、MIL-STD）。

1.2 常用方法

• 锤击法（瞬态激励）：用力锤施加脉冲激励，测量频响函数（FRF）。

• 扫频正弦/随机振动：通过振动台施加可控激励，适用于线性系统。

• 工作模态分析（OMA）：利用环境激励（如风、交通载荷），无需人工激励。

1.3 关键设备

• 加速度计/激光测振仪

• 力锤或振动台

• 数据采集系统（如LMS Test.Lab、NI LabVIEW）

• 信号处理软件（如MATLAB、ME'scope）

1.4 优势与局限

• 优势：直接反映真实物理行为，无需简化假设。

• 局限：成本高（大型结构测试）、环境干扰、传感器质量影响结果。

2. 有限元仿真计算

2.1 定义与目的

通过数值模拟（如FEA）预测结构的振动特性，用于：

• 设计阶段优化结构刚度/质量分布。

• 模拟复杂边界条件或无法实验的工况（如极端载荷）。

• 参数化分析（如材料、几何变更的影响）。

2.2 关键步骤

1. 建模：几何简化、网格划分（注意网格密度对高频模态的影响）。

2. 材料属性：输入弹性模量、密度、阻尼（如Rayleigh阻尼）。

3. 边界条件：模拟实际约束（如固定、弹簧支撑）。

4. 求解：模态分析（固有频率、振型）、谐响应/瞬态分析。

5. 验证：与实验数据对比（如MAC模态置信准则）。

2.3 常用软件

• ANSYS、ABAQUS、COMSOL（通用FEA）

• MSC Nastran（航空航天领域）

• Altair HyperWorks（优化设计）

2.4 优势与局限

• 优势：低成本快速迭代、可视化振型、可模拟非线性。

• 局限：依赖模型准确性（如阻尼难以建模）、计算资源消耗大。

3. 两者协同应用

3.1 模型修正

通过测试数据修正有限元模型（如更新材料参数或边界条件），提高仿真精度。

3.2 典型流程

1. 初步仿真 → 设计测试方案 → 振动测试 → 数据对比 → 模型修正 → 最终验证。

3.3 应用场景

• 汽车行业：白车身模态测试与NVH优化。

• 风电行业：电机、齿轮箱以及结构减振和优化设计

• 航空航天：机翼颤振分析、发动机结构优化设计

• 电子设备：PCB板抗振性能评估。

• 建筑结构等：振动控制及减振降噪结构优化设计