虚拟式试验模态分析仪的设计与开发

摘要

本文在总结了国内外试验模态分析涉及的理论、软件等已有成果，分析了现有试验模态分析软件一些不足的基础上，根据虚拟仪器的思想，提出了一种面向图元对象的三维实体结构输入输出方法，建立了基于OpenGL图形工业标准的实体输入输出模型，实现了以结点、梁图元、三角形图元、四边形图元等为基础的三维图形的输入、编辑与动态输出等。在此基础上，完成了试验模态分析的结构输入、数据采集、频谱分析、参数识别、振型输出等功能，开发了面向中小型结构，易于使用的虚拟式试验模态分析仪。 虚拟式试验模态分析仪主要由以下四个子系统组成： (1)模型结构输入子系统(2)数据采集与处理子系统(3)数据分析与模态参数识别子系统(4)模态振型输出子系统 仪器在整合四个子系统的基础上，保留了它们的相对独立性。输入输出涉及的图形操作、文件结构等方面与有限元软件保持了高度一致，保证了同有限元结构文件的兼容性；数据采集模块与分析模块不仅可以协同工作，也可以独立进行的数据采集、在线和离线的数据分析与参数识别等。仪器为对中小型结构的试验模态分析提供了单模态参数识别与多模态参数识别等多种参数拟合方法，并预留了增加新的拟合分析算法的接口。 在仪器验证中，首先选择了一悬臂梁进行测试，并将测试结果与其理论解进行了比较，结果表明仪器能较好识别梁的固有频率，求得其模态振型，达到了预期目的；其次对—摩托车架进行了试验模态分析，试验表明仪器能较好地分析出车架的多阶模态，并显示出其模态振型。总之，虚拟式试验模态分析仪能方便地对中小型结构进行测试，具有性能好、精度高、易升级等优点。 本文着重于虚拟仪器思想在试验模态分析中的应用，为试验模态分析的虚拟仪器化提供了一个可以借鉴的思路，并给出了具体实践。论文在最后还指出了仪器有待完善的问题。

目录

文摘

英文文摘

1引言

1.1虚拟仪器技术

1.1.1虚拟仪器的概念

1.1.2虚拟仪器的分类

1.1.3虚拟仪器的发展趋势

1.2试验模态分析的出现与发展

1.2.1试验模态分析出现的背景

1.2.2试验模态分析的基本内容

1.3试验模态分析软件的发展

1.3.1国内外发展状况

1.3.2试验模态分析软件的发展趋势

1.4本文的目的与内容

2结构模型的输入

2.1引言

2.2面向图元对象的结构模型输入技术

2.3基于图元的结构模型输入输出方法的支撑技术

2.3.1面向对象的程序设计与C++

2.3.2三维图形处理库OpenGL

2.4结构模型输入中的图像处理技术

2.4.1图像变换

2.4.2图像的绘制与单元捕获

2.5结构模型输入子系统的定义与实现

2.5.1结构模型输入软件的定义

2.5.2数据结构的建立

2.5.3软件实现

3数据采集与信号处理

3.1测试信号分析概述

3.2数据采集

3.2.1数模(A/D)转换的机制

3.2.2激振方法与响应的测量

3.2.3低成本低相差采集技术

3.3数字信号分析

3.3.1相关运算

3.3.2频谱分析

3.4数据采集与处理的实现

3.4.1 FFT算法的一种高效实现

3.4.2数据分析函数的封装

3.4.3数据采集界面的实现

4数据分析与模态参数识别模块设计

4.1引言

4.2模态分析的理论基础

4.2.1振动系统的力学模型

4.2.2频响函数

4.3模态参数识别

4.3.1单模态识别

4.3.2多模态识别

4.4用户界面的设计

5基于实体模型的模态振型动态输出

5.1模态振型的规格化

5.2基于实体模型的模态振型显示

5.2.1 OpenGL的初始化

5.2.2光照的使用

5.2.3模态振型动态演示的实现

5.2.4显示涉及的其它技术

5.3模态输出子系统的用户界面设计

6系统的检验及应用

6.1悬臂梁的试验模态分析

6.2摩托车架的试验模态分析

7结论

致谢

参考文献