MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD
模态空间 – 在我们自己的小世界中 Pete Avitabile(著) KSI科尚仪器董书伟（译）
模态试验中人常犯的一些主要错误是什么？这样我不再重蹈覆辙。
那我们讨论一下它们。
2014年01月06日 发布 ver1.0
嗯，过去的很多年中我经历了很多事情，是人们在模态试验和分析过程中所犯的大的错误。有些实际上非常可笑，有些相当严重。所以来谈一谈在过去几十年的模态试验中我所见到的，称之为“模态测试趣闻”的东东。
锤击试验和相干 — 很多很多年之前（如同就在几个月前）我看到一个模态试验，其中工程师对每个测量位置只取了一次平均。问为什么时，他们非常明确地声称因为相干是1，为什么还要费劲多做测量呢 — 他们干得多么好啊！我看到过很多人掉进这个陷阱。相干是一个函数，只能对平均测量结果来求。只有一次平均，相对于仅有的这个测量结果没有变化。那么相干只能是1 — 但它一定不是测量结果可以接受的指示。你只能用相干函数来评估一组平均函数的变化。要平均！
参考点位于某阶模态节点上 — 为了进行一次模态勘查，参考点位置（对锤击测试是逐点锤击试验中的固定响应点，对激振器试验是固定不动的输入位置）一定不能位于某阶模态的节点上。节点是一个零响应的位置。如果没有响应，那么怎么可能得到一个好的频响。我记得多年前，一个小组正在测量一个大的悬臂类型的结构，他们只是将注意力集中到一些非常昂贵的低频加速度传感器上了。考虑到设备可能从结构上掉落下来，参考加速度计安装到悬臂结构的基础位置 — 那么当然测不到响应，毋庸置言频响很差。另有一个肋-板机箱结构试验，所有的测量位置位于大多数的刚硬的肋交叉点位置，结构面板部分没有布置任何加速度计。对于这个特殊的结构，结果表明感兴趣的模态主要跟面板响应相关。全部的加速度计基本上位于所有的模态节点位置。很不幸，在寻求指导和帮助之前，有人按这种方式干了几个月的活，采集了很多组无用的数据。需要在有响应可测的位置进行测量。避开模态节点!
质量载荷影响 — 在其他文章中已经对质量载荷的影响进行了探讨。仪器质量对所测的频响有影响，并会给出错误的系统固有频率表示。如果有，一点当心确定质量的载荷影响什么。这个影响可能很大也可能相对不那么严重。但我有一个质量载荷的故事难以忘记。回到1980年代早期，我那时进行潜艇推进系统隔振部件的阻抗测试。需要评估新的设计，用一种新方法，那时称为数字步进正弦，在5KHz范围内进行阻抗测试；进行每次测试大约花3个小时。每种设置要进行多次试验、要评价很多种提出的原型，并且只有两通道分析仪，在这种条件下，为了完成紧张安排的试验计划，试验按照7天24小时连轴转进行。试验设置包括一组支撑在气囊上的2吨混凝土块，用隔振系统隔开。有一个特别实习生（大约6英尺5英寸高，大约350磅重），他会进行一些第三班的试验。试验计划完成3个月之后，评价数据的分析工程师遇到了一些问题，好几组数据好像在质量上有400磅的差别，偏离了频率范围。他们的评论让我脊背发凉，我记起来每天早晨进入到车间组装区，试验进行的地方，在混凝土块上看到了一个枕头和一张毯子。经过一段长时间的讨论之后，确定了一旦试验开始之后，那个实习生就爬到气囊支撑的混凝土块上打个盹，彼时试验正在进行！！！你能够想象解释这个独特的试验问题是多么的艰难。结果是，对于所有试验保留了非常好的试验记录，很容易确定那个实习生参与了哪个试验，额外检查了其他的测量结果，有些确定为不适合于用。没人喜欢保留准确的试验记录，但这是一次信息无比宝贵的例子。现在那个质量载荷影响，我不认为每个人都将它放在第一位上。当心质量载荷！
双击和力窗 — 很多时候进行锤击试验时，双击不可避免。有很多次我看到试验工程师用力窗来消除双击中的第2个冲击影响。他们的思路是因为我真的不想要双击，何不将第2个不想要的冲击影响置零化处理。乍一想，这好像有道理，但真实情况是结构确确实实地经受到了双击。所以，加力窗试图在分析上去掉第2次冲击的影响是完全错误的。基于受到实际施加的双击结构进行实际响应。永远不要试图通过施加力窗来去掉双击的影响。
每次平均利用不同的点进行 — 这个你不得不感到发笑，完全不信。我很早以前见到一个试验，其中一个非常简单结构的结果模态振型看上去毫无意义。经过检查可能出错的基本情况后，进行了一次长时间的讨论来确定为什么一个简单结构采集了25次平均结果，测量结果的相干还是这么的糟糕。结果是，采集的测点有25个。试验工程师对模态试验的每个测点进行了25次平均。不幸的是，每个单独的测量结果通过锤击测试得到，构成所有25次测量结果的和，其中对于全部25个测量结果，结构上的每个单独的测点是在不同的位置进行冲击。基本上讲，25次平均的每个平均频响来自于在结构上对全部独立的25个测点进行冲击。这个平均函数标识为被测结构的一个测点。这个过程重复25次，直到全部测点测量完毕。显然这是完全错误的。对每次平均，结构上指定测点的平均频响必须来自于在同一个测点进行冲击所测的函数。我还是不相信那个错误。
坐标系和点/方向信息 — 对模态试验正确的标识测点和方向是一个非常简单的过程 — 但是有时错误就源自于这个信息的不正确的定义。一个简单的补救方法是在试验设置时清楚地标识坐标系。我通常在地面上放置清楚标识x、y和z方向的条带。在这个过程中很多人在背后笑话我，但对于模态试验，我从来没有搞混点方向信息而其他很多人常常搞混。所以我猜想这是“谁笑在最后，谁笑得最好”，我仍然对曾经看到的一些错误感到好笑。我记得一次安装系统上的发动机组模态试验。测试主要用于识别在安装系统上的发动机刚体模态 — 通常这些是非常低频的模态。一天我接到了一个电话，有个问题，模态试验表明发动机组的弹性体模态在10Hz范围内。这极其不可能，我对所有测量位置的点和方向信息的正确标识表示怀疑。测试试验室的人很唐突地声称他们是经验丰富的模态测试工程师，完全知道如何标识这些基本信息。不想惹恼他们，我要求检查数据。对其数据仔细观察之下，情况变得非常明了，再明显不过了，发动机组的一个面上的所有X方向的传感器错误地标识了180度反相（实际上它们指向模态软件包中指定方向的相反方向）。有关测点的相位修正之后，发动机组的刚体模态看上去跟期望的完全一致了。点和方向信息是非常简单直观的过程 — 在这个几何结构生成的重要步骤中，需要仔细耐心。
有限元模态并不总是正确 — 现在这是一个不怀好意的说法。很多人曾经听过这个说法“除了试验工程师人人都相信试验，除了分析工程师没人相信模型”。大约十年前测试了一个很大的卫星结构，对模态试验，花了很多心血来精确地确定激振器的位置，利用有限元模型进行了非常精细的预试验分析。模型确定了几个激振器沿着这个连接到巨大惯性质量上的长悬臂结构布置 — 但仅仅只在与悬臂卫星结构的长度方向垂直的其中一个方向上布置了两个激振器。当对在另一个垂直方向上缺少激振器提出疑问时，分析工程师坚定地回答道其他的水平方向无需激振器，因为进行了大量的预试验分析，在所选的激励方向上能够完全激出结构的所有模态。嗯，结果是模型并不完全正确（实际上在模型中定义了很多不正确的阻尼质量单元）。由于有限元模型中的错误造成预试验分析有偏差，故而得到了不准确的信息。参考点的位置选择不是件容易的事情。有限元模型，如果有，是帮助进行参考点选择的很棒的工具。但应该加以小心，不要太过于相信没有经过验证的模型（这实际上是进行测试的意义所在）。
底线 — 大多数模态试验的底线是你需要仔细考虑测试过程的每一个步骤以确保得到正确的频响。当人们停止思考他们将要干什么时，最坏的情况发生了。当走进试验室，看到试验在进行，而对正在测量什么没有理解时，我感到不安。很多时候，相关人员的反应是“这是我们一贯的做法，它必然正确，因为这么多年来我们一直是这么干的”。测试按照一套流程来做是完全正确的，但是，每个人都理解，用来采集FRF数据的方法背后的逻辑和理由，是非常有必要的。经常要做的第一件事是质疑假设，以确保每个人都知道事情为什么按照某种方法进行。下一件事我总是说，思考不是可有可无的，而是必须！这不是如同汉堡包店那样的按下按钮就成的技术，在那里选择简单 — 汉堡、薯条、苏打，4.52美元，谢谢。模态测试在过去的25年取得了很大的进展，但迄今为止我们仍然没有完全达到自动化模态测试。
我希望这些故事带给你一丝笑容，但要确保你不会重蹈覆辙！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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延伸阅读[new]： 《振动：解析与试验模态分析》辛辛那提大学教授Randall J. Allemang博士 编著 KSI科尚仪器 董书伟 翻译…