基于MFC多文档模态参数辨识系统开发

侯兴龙，岳林

(南京航空航天大学, 江苏 南京 210016)

0 引言

随着科学技术的飞速发展，机械设备在工作状态下的振动和动力学问题逐渐突出，尤其大型复杂机械或工程。例如，在风的作用下会引起过激振动，导致结构破坏，甚至损毁；车辆在行驶过程中产生的过激振动、噪声会给人带来极大不适；机床设备运转过程中的振动会影响所加工产品的质量；飞机的飞行颤振甚至会影响飞行人员的生命安全等[1]。

机械结构模态参数识别在结构健康监测、优化设计、振动降噪、故障分析等方面都有重要的应用。尤其故障分析，由于结构振动模态参数对不同损伤有很高的敏感性，通过对模态参数的监测，可以在机械设备发生重大事故之前，提前预测出结构的故障，从而可以及时发现问题并处理[2]。有效避免故障扩大，做到防患于未然。因此，对机械结构在工作状态下振动问题和动力学特性的研究具有重要的工程意义和现实需求。

1 系统需求及功能

系统需求分析是确定系统基本功能的基础。基于MFC多文档模态参数识别系统要求可以对多通道数据进行分析并保存，实现显示各通道数据时间波形图、幅频相频图；可实现图形拷贝保存、框选放大局部图形、曲线平移以及对数坐标线性坐标转换；多参考点频域主分量分析并输出显示结果；能够读取不同格式的数据文件数据。根据以上需求以及对市场上同类软件的调查分析，确定模态参数识别系统的功能需求如下[3]：

1) 读取不同存储数据文件的格式，比如：mat(Matlab)格式、txt(文本文件)格式，对不满足指定数据格式的文件给出警告和提示，显示具体信息，能够保存数据分析的最终结果。

2) 数据基本参数设置，通过设置数据的采样率对原始数据进行采样，设置开始、结束时间，显示数据采样后的时域信号。

3) 数据频域分析，设置频域分析的基本参数，对数据加窗处理获得更精确的每一通道频响函数，并显示其中一个通道。

4) 频域分析后得到每一通道的频响函数组成频响矩阵，运用频域多参考点主分量分析法得到结构的模态参数、模态频率与阻尼比。

5) 对显示的时间波形图和幅频相频图可局部图形放大、图形平移、坐标值改变以及对数坐标和线性坐标转换。系统流程图如图1所示。

图1 软件功能流程图

2 系统设计过程

2.1 系统主界面设计

根据模态参数分析系统的需求以及MFC多文档编程的特点，设计出如图2所示的软件界面。

菜单栏主要功能:数据加载及保存、基本参数配置、信号的时域分析、信号频域分析以及频域多参考点主分量分析。

通道选择：选择在信号显示窗口显示的通道信号，通过鼠标点击即可显示任一通道信号。

结果输出：输出相应数据加载、参数设置、信号分析的信息及结果。

鼠标左击菜单：在不同视图显示是可以选择图形局部放大、平移、坐标转换以及拷贝保存视图。

图2 软件主体界面

2.2 主要功能模块

a) 时域波形图分析显示模块

原始数据是机械结构振动的幅值随着时间变化的图形，在显示时域波形图之前，需要对原始数据进行处理。例如采样率的选择是模态参数识别中一个关键性参数。时域分析参数设置如图3所示，波形显示如图4所示。

图3 时域参数设置

图4 时域波形图

b) 频域波形图分析显示模块

频域分析可以对时域信号进行FFT变换而获得信号的频谱图。频谱图可以反映机械结构的频率特征，为接下来模态参数识别做铺垫。图5是FFT变换时获取结构频响函数的参数设置，图6是频谱分析图。

图6 频谱分析幅频图和相频图

c) 频域多参考点主分量分析

对机械结构采集到的振动信号进行模态参数识别，识别流程如图7所示。运用频域多参考点主分量分析技术可以有效提取结构振动的特征信号，识别结构的模态频率，阻尼比[4-5]。并将分析结果与局部曲线拟合图显示，如图8所示。具体实现步骤如下：

图7 机械结构模态参数识别流程图

图8 频响拟合图与模态参数分析结果

1) 根据实测振动信号数据，选择一种有效的频响函数估计方法，估计每一通道的频响函数，并构成频响函数矩阵H(jω)；

2) 计算协方差矩阵D，并对它进行奇异值分解，求出缩减系数矩阵K；

3) 根据协方差矩阵D，结合奇异值筛选标准，确定系统阶次；

5) 由系统矩阵求得系统特征值及特征向量；从而获得系统的模态频率、阻尼等模态参数。

3 实验验证

3.1 框架模型实例

采用多层框架模型结构作为实验对象，结构如图9所示，通过有限元法分析得到结构一阶模态频率为32.57Hz，阻尼比为1%。以有限元法得到的结果(默认真值)为标准，将本实验得到的结果与商业软件分析得到的结果分析对比，结果如表1、表2所示。

图9 多层框架模型

模态频率/Hz阻尼比/(%)拟合区间真 值仿真结果相对误差/(%)真 值仿真结果相对误差/(%)131.86～33.6232.5732.580.0310.99-1

表2 本文参数辨识结果

3.2 GARTEUR飞机模型算例

GARTEUR飞机模型作为标准仿真和试验件，在设计过程中强调了模拟真实飞机的动态特性，因而具有真实飞机的主要振动模态特征。识别GARTEUR飞机模型前两阶模态进行对比分析。分析结果如表3、表4所示。

表3 软件参数辨识结果

表4 某商业软件参数辨识结果

通过以上2个实验数据可以发现，模态频率、阻尼比识别与有限元法和商业软件相比误差很小，识别准确。在GARTEUR飞机模型中阻尼比识别误差较大，这主要是有限元法与本实验算法不同，但是仔细观察与商业软件阻尼比数据对比发现，误差还是很小的，基本可以认为识别结果是一样的。

4 结语

基于MFC多文档开发的模态参数识别软件，与一般的商业软件对比，除了具有显示、保存、分析数据功能外还有以下特点：

1) 依靠MFC类的封装，软件编写简洁，开发周期短，开发成本低。

2) 多文档编程的特点，将数据与显示分开处理，软件编写结构清晰，运行速度快。

3) 设计的模态参数识别软件可以有效识别一般机械结构的低阶模态频率，阻尼比。

4) 软件设计界面简洁，操作方便。

因此，该系统可以有效应用于一般机械结构低阶模态参数识别，为以后模态参数的研究提供了基于MFC多文档的软件支持。