模态空间系列文章结束前给大家的十项建议（一）
Peter Avitabile著，董书伟译
在结束这个模态空间系列之前，你能提供最后一些建议吗？当然，…这里是最重要的十项。
嗯，当你投身于模态分析项目时，如果你回顾所有的文章，有大量的信息会帮助你要细心谨慎，不管它是解析的还是试验的。但可以肯定的是，当从事这个行业时，有一些非常重要的事项，你需要知道。尽管有很多项可以列出，但我将要列出最重要的十项（因为十看上去像是能挑出的一个吉利数字）。所以让我们从大到小列出这些项，它们是我挑出的一些值得注意的“最重要”事项。
那么用大卫.莱特曼的风格讲“我们开始吧”。
为什么问为什么？
嗯，这是因为它是要问的最重要的问题…
所以让我稍加详细地说明这个问题。很多时候，我们进行试验，因为有人相信试验会解决某个问题或者它是一个试验，有人“认为”它会解决一个问题。
做试验我毫无问题，但很多时候，人们确实没有意识到试验可以提供什么和不可以提供什么。这是我总是问“为什么”你要做这个试验的原因。有操作问题吗？从试验中期望得到什么额外的内容吗？实际感兴趣的是什么频率范围？实际关心多少阶模态？等等。所以在你进行试验之前，尽你所能找出更多问题是非常重要的，以保证在试验会提供什么这点上，所有人的“意见一致”。
我那么说，因为我见到过很多很多的例子，其中人们“声称”懂得试验，顽固坚持于他们想从试验中得到的东西，并且对他们想要得到的东西也已很清楚。但是，下面一旦提供了试验结果，就有很多问题，是关于为什么试验没有解决感兴趣的问题的。并且这种不搭嘎的发生是因为有时候我们使用的词语对不同的人可能意味着不同的事情。所以通常我总是非常专门地问人们想要知道什么？对他们已经从试验中得到的每件事情，我专门问他们是什么意思？
举个例子，我记得汽车工业中的一群青年工程师想要“学习”如何做模态试验，如何对一个简单的刹车盘结构的有限元模型“做相关分析”。所有的正确问题都问到了，像是花了很大气力去试图理解非常基本的材料，在着手从事更为复杂的系统之前，学习如何一步一步地理解所需要的东西。很好，所以看上去像是做了所有正确的讨论，考虑到了每件事情。
但是在项目开始之前，这群年青工程师想要给他们的管理层做个报告，关于他们将要干什么的报告。再者，这是一件非常好的事情，让每个人“接受”这个项目。所有事情仍然看上去进展顺利，直到他们用这种方式介绍项目。
“大家好。这是一个项目，将要在刹车盘上进行试验，对有限元模型进行相关分析。这个项目的结果将解决我们的制动啸叫问题”。并且那是他们头一次提到制动啸叫。所以我只想说，啸叫问题和原来要讨论的东西毫无关联。
所以为什么问为什么？这正是原因所在！
我经常看到人们开始模态试验，他们上足发条般地选择所有测点，生成详尽的结构文件，列出所有的坐标，但他们还没有进行一个测试。
在你沉迷于生成结构之前，走出去，做个测试先。实际上做一些测试，检查不同的测点位置以及在不同的方向进行测试。这很重要，特别是你真的不知道所有的系统模态可能什么样。选择所有的测点没有意义，直到你对系统的全部模态什么样有点想法为止。
经常地，那些你认为需要测量的点，实际上根据系统模态可能不是最优的位置。不知怎么地，在我脑海里，我认为频响FRF会告诉你关于结构和频率的很多内容，你真的需要首先关心它。
接着可能仅仅测量少许几个结果，以保证你确实了解结构的模态振型可能什么样。一旦你肯定你知道所有的模态振型可能什么样，那么你可以选择更多的测点，不过是在理解振型什么样的条件下做的。我经常看到人们标识出100到150个测点，进行模态试验，拟合数据，接下来，所有人都坐下来观察模态振型，不料却意识到他们将所有的测点都布置在结构的一个部分区域了，实际上它们与结构感兴趣的模态关系不大。
另外，也要保证频响FRF测量的参考点位置处于一个位置（或多个位置），在这里你确认你能观察到大多数模态。无疑，如果不能观察到所有模态，那么就必须使用额外的参考点。当进行锤击试验时，总是建议使用尽可能多的参考点。
如果你有4通道系统，那么你应该有一个通道用于力锤，有三个参考点置于结构之上。它们没有必要朝向X，Y，Z三个方向中的每个方向。但是你想要保证它们所处的位置都能观察到尽可能多的系统模态。
如果你有一个8通道系统，如果你做漫游锤击试验，那么用7个参考点。你可能认为这过头了，但是那确实没有花很多的气力去采集数据，数据再多也无妨。
另外你认为在7个参考点的情况下，你能得到所有阶模态。嗯，多数情况下，你可能会这么认为。但是我能回想起在一个大型对称复合材料板结构上的一次试验，那里用了9个参考加速度计进行试验。但实际上最终结果是丢失了一个高阶模态，因为所有9个加速度计最终位于那个高阶模态的节点上了。谁能猜到你会那么不幸呢。（我劝这个家伙永远不要到拉斯维加斯赌博，因为他的运气显然糟糕透了。）高阶模态及9个加速度计的测点位置如图1中所示。
图1 9个参考点位置全都布置在这阶模态的节点上
现在，新手有时会对选择合适的锤头有困惑。总的来讲，你想要做的是保证你选了一个锤头，它激起一个频率范围，与结构在运行中被激起的频率范围一样。当然这意味着你必须对什么频率范围特别重要有所了解。我记得很多年前，当我们开始在棒球棒上做模态试验时，关于什么会是最合适使用的锤头，有一个长时间的讨论。我解释到，你需要有一个锤头，它能激起跟实际球击到棒球棒上所激起的频率相同的频率范围。第二天，当我到实验室时，学生们已经拿了一个棒球，在棒球上装了一个10-32的螺栓，接下来把它拧到力锤上。当然，这是一个绝妙的主意，因为它接近于我们能够得到的棒球击打球棒的实际冲击情形。
但是你同时也必须记住，锤头并不是支配输入力谱的唯一因素。对模态测试，结构的局部柔度在输入到结构中的实际力谱中也起着关键作用。所以你确实需要仔细观察这点。另外顺便说一句，你可以拿到这些公布的曲线，它们是你从力锤制造商那里得到的，就将它们抛到一边吧，因为它们都是通过冲击一个非常大型的，刚硬的金属块产生的，它们跟我们进行模态试验时实际上所得到的完全不是一回事儿。
冲击试验中另外一个经常忽视的关键事项是，对每次测量，力锤必须一致地在同一个点沿同一个方向冲击结构。如果不这样做，那么在每次测量之间，FRF将会带有某些差异，它会导致相干变小。在大型结构上，这也许不难做到。但是，在更小结构上，这就难了。高尔夫球杆头的一次试验使用了一个独特的三脚架/力锤组合，来一致地在每次测试中沿同一个方向冲击同一个点，如图2所示。
图2 锤击法测试装置
嗯，关于这个问题，已经有一些文章。最重要的是要认识到，你的试验对象实际上是你的结构加上所有的仪器设备和支撑条件。结构的有限元模型可以建模成自由的，但实际情况是，有些软弹簧确实需要在模型中包含进来，来恰当地解释结构的支撑系统，以及加上所有的仪器设备。很多时候，这不会影响整体测试，但是很多情况下，在结构分析中包含它们实际上是非常重要的。
但是你真正想要的是，结构的刚体模态从弹性体模态中合理完好地分离出来，刚体模态和弹性体模态之间较少模态重叠或耦合。尽管说起来这很容易，但这常常没那么容易实现。很多时候我建议有限元模型中包含支撑结构的影响，以便对试验设置与试验对象之间如何相互影响有个清楚的认识。尽管有限元模型可能不完美，但模型是学习支撑结构刚度改变的影响，以及对系统总体弹性体模态的相应影响的一个很好办法。
但是如果没有模型，那么当设置试验时，需要检查这点，来准确地确定试验布置可能有什么相互影响。这可能需要做点额外的努力，但它是试验设置的关键部分，需要做记录并弄清楚。
那么进行导弹试验时，试验在什么地方是个问题？很难让它们进入到一个自由-自由的状态。所以我们最多能做的是，从台架上吊起导弹来测试导弹，在导弹支撑在第一阶弹性体模态的节点位置上的条件下，对导弹进行试验；那么支撑条件并非强制性的，因为它支撑在模态的节点。图3展示了一次典型的导弹布置，这里呆伯特正在做锤击试验；图3b展示了一个更小型化的导弹，在做激振器模态试验。
图3a 对悬挂点接近第一阶弯曲模态节点的导弹进行锤击法测试
图3b对悬挂点接近第一阶弯曲模态节点的导弹进行激振器法测试
总有些极其简单的事情常被忽视，这些是简单的完整性检查，以保证所有事情都设置好了。
确保所有电缆都是好的，没有打褶或弯曲。确保所有接头都牢靠地连接着。虚假信号，特别是在冲击力锤情况下，可能常常是因为松动的电缆连接造成的。
当然要确保所有的信号调理器都打开了。也确保你了解传感器是电压型的还是ICP型的。我见过很多次试验，其中ICP型加速度计被设置为电压型传感器，测量结果基本上是无用的。但如果你进行测量，假设你有一个非常复杂的、非线性的、大阻尼系统，那么你会预料测量结果看上去不会好。
当然如果测量系统设置不当，测量结果看起来也不会好，于是你可能认为这是你能做到的最好结果了，即使你的测量结果完全错误。
同时你也必须认识到，如果你仅有一把力锤，那并不意味着它对你要进行的所有试验都有用。我曾见过人们带一把力锤在大型结构上顿足捶胸涕泪流，显然对激起结构，它太小了，不足以进行试验。（另外相信我，我曾见过一些锤头，看上去像是遭过了核爆炸，破损如此严重，以致不能再用。）拿一把适当大小的力锤去做你要进行的试验，要好于你用不合适的力锤去凑合。
另一个重要的注意事项与使用的加速度计大小有关。附加质量是一个重要的考虑因素。已经写了很多文章来理解这些影响。这需要重点说明和记录下来。就是因为，即使你拥有最小的加速度计也并不意味着附加质量没有关系。它不仅仅只是加速度计质量相对于测试结构的总体质量，而是相对于安装位置的结构有效质量。在结构上，加速度计在一个非常刚硬/结实的位置，跟同一个加速度计安装在同一个结构的轻薄板上，所施加的重量影响是不一样的。
另一个更重要的事项是你需要确保加速度计没有饱和，饱和情况下它们将不能提供有效的测量结果。我曾参与过这样的试验，其中人们已经买了非常灵敏的传感器，因为他们认为它们“更好”，但接下来没有想到会发现他们的结构反应非常灵敏，响应使传感器饱和了。
Peter Avitabile教授是美国麻省大学洛威尔校区UMass Lowell机械工程系模态分析和控制实验室的主任。模态空间系列文章的英文原文链接：http://sdasl.uml.edu/umlspace/mspace.html。
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