有限元模型验证-仿真模型和模态试验数据比对

有限元(FE)模型可以在计算机上完成,大幅度减少原型制作,因此可以大大减少开发时间和成本。 但问题关键是这些有限元模型必须预测“真实”装置的特性。 FEM验证是将模拟数值与实际试验(即所谓的试验模态测试)的测得数据进行对比。 在大多数实际情况下,需要将有限元模型与试验数据进行核对,以获得可靠的验证模型,然后将其用于预测装置在负载下或进行小修改后的振动特性。 如果某个模型的仿真数据与试验数据不相符,那么该模型的设计就失去意义。

有限元模型验证的典型试验装置

为进行有限元模型验证,需要进行相应的振动试验。先安装样品,然后在特定的位置以特定的方式对样品进行激励,该激励覆盖感兴趣的频率范围。这种方法可能不同于数值有限元模拟,后者只考虑样品的固有特性。而试验求解的是在假定的材料性质和边界条件下的一组运动微分方程。因此,严格地说,试验结果是样品在特定激励和边界条件下的响应,再通过曲线拟合从试验结果中提取模态,这是后处理的一部分。

基于扫描式激光测振仪的FE有限元验证

这个试验可信度高吗?在安装模态试验装置时,应复制有限元模型的边界条件,以便将有限元仿真和实测结果进行比较。测量参数(如频率带宽和所选测点)需要与任务相匹配。在建模过程中应避免或考虑到附加质量或钢化效应。扫描式激光测振仪,作为一种非接触式光学传感器,可为模态验证提供更有效输入。系统采用软件定义测点,具有超高的空间测试分辨率,全自动完成扫描测试,并迅速输出直观的2D/3D 振型。这也可以帮助减少后期数据评估和处理时可能出现的理解歧义。测点越多则更有利于数据后处理时进行曲线拟合,及对局部参数偏差的识别,如局部阻尼或质量分布的局部变化。

与仿真模型的有限元相关:频率、阻尼和MAC值

有限元模型和实测数据对比两个参数:通过求解模型中的运动微分方程所得到的特征值和特征向量,它们对应振动测试的共振频率和模态振型。最简单的方法是比较共振频率,视觉上比较特征向量和模态振型。MAC(模态置信准则)通常用于说明有限元模态分析的模态振型和实测模态振型的相关性,MAC的输入是模态振型而不是工作模态(ODS),然后通过曲线拟合实测数据中提取出来,这是数据后处理的一部分。

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视频:为什么使用激光测振仪来验证有限元模型

对于简单的样品如铸造金属板,如果有限元模型选择合理,就可以非常准确地预测出其振动模态和共振频率。但是当组件和建模结构比较复杂时,情况就不同了。当存在多个部件,彼此通过关节进行连接,或者它们是由复合材料制成,那么仿真模型在设计初始并不可信,而是需要实测数据来进行验证。只有在所需的工作条件范围内正确地预测出模型的试验数据,改模型才可被称为已获得验证。因此,在大多数实际情况下,需要将有限元模型与试验数据进行核对,以获得可靠的验证模型,然后将其用于预测装置在负载下或进行小修改后的振动特性。 如果某个模型的仿真数据与试验数据不相符,那么该模型的设计就失去意义。

MEMS结构:激光测振仪如何验证FE模型

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