摘要：使用工作模态测试分析技术能够给结构系统的振动特点分析工作、振动故障的预报以及诊断工作、结构动力特征的设计优化带来一定的参考依据。这一技术已经通过国家验收标准，并且在水电工程当中获得了广泛的应用，也取得了良好的成果。本文针对这一技术在其工程检测当中的重要内容进行了如下分析。
关键词：模态测试分析；振动特性；故障诊断和预报
引言：
最近这几年我们国家的水利水电工程建设已经进入了一个高峰期，一般该类工程都是处在高山峡谷或者是水流湍急的河道，因此越来越多的现代化水利工程被建设起来，其金属结构也变得越来越多了，它在工作当中一般承受的荷载比较难进行测量。当下我国的水电站都是在建国初期完工的，随着时间的发展以及环境的变化，其金属结构的运行环境等也都需要进行改变，对此就要对其从动力学的特征上进行分析，并及时对新建的水电站中的大型设备实施测量，以此提升最终设计制造的质量。
工作模态测试技术主要对于这种大型复杂的模态测试有很大的优势，它能够直接使用响应的时域信号识别参数，也就是能够在保证基本测试准确性的同时有效减少现场的工作量，还不会给设备的正常使用带来影响。
一、模态概述
模态是整个结构系统当中固有的振动特点，其各个模态都具有自身比较特别的频率以及振型和阻尼。该技术主要进行结构动力特点与性质的研究，在现实生活当中也有很多有关模态分析的例子，例如小提琴其产生声音的原理就是将每一根具有不同模态的弦拉动，使琴身当中的空气借此产生与弦激励相对应的振动，最后发出声音。要是其中的某一根弦发生了松动，那么原先固定的模态就会发生变化，所以这时候调音师就要依照自身的经验对琴弦的松紧性进行调节，具体来说调音者利用耳朵对音准进行判定的这一过程当中就包含了模态分析技术。与之相同的还有很多，比如同时将两个款式一样的花瓶敲响，但是其中一个有裂痕一个没有裂痕，这时候两个花瓶所发出的声音也都是不同的，这也就是裂痕让其结构本身振动的特性，也就是模态产生了变化。
在当下的水利工程当中，其金属结构、施工机械以及水利旋转机械都需要进行振动测试分析，以此研究具体的动力学规律，使整个系统能够安全运行。在振动测试当中经常使用到的方式就是模态分析，主要就是充分利用系统动态信息。它在设备故障的诊断与监测、结构的振动等方面有着极为广泛的应用。
二、作用
实施该技术最主要的目的就是将系统当中的模态数据识别出来，将整个结构系统的振动性质与特点进行研析，并对其故障进行诊断和预报，最终给其结构动力特性的优化提供相应的参考依据。
该技术一般可以分为若干个主要方面，比如对现存结构系统的动态特征进行评价；在实施新产品设计的时候对其结构动态特征进行预估并对设计进行优化；对整体系统故障进行预报与诊断，识别系统荷载。
三、原理
在整个分析技术当中假定该系统是线性的，并且是稳定的线性以及定常线性不变系统。这时候大部分的振动结构都是能够被离散成为若干个有限自由度的多自由度的系统。因为整个时域信号是一个连续性的信号，所以一般在处理的时候极不方便，所以这时候就可以将其转换成为若干个小信号的叠加，这样就能够进行方程解析，也就是把时域函数进行变换，成为一个频域的函数。详情见图1.
图1 线性组合
再将每阶振型系数组合成为一个列向量，最终被称为是r阶模态振型。
四、问题的提出
该技术是最近几年国内外才开始流行起来的一种新型技术，通常都被称为在环境激励作用之下的模态分析，也就是在一定时间域当中所获取的一种随机激励的响应。在时间域中随机获取结构自由振动的响应，最终从其中获得每阶模态的参数。它主要是对于原先的试验模态测试技术来说的。对于传统的方式来说，其运动方程是需要已知振动输入与输出信号的大小，其激励力都是要在助力锤以及激振器的帮助下产生，并且还应该要将结构放到比较能够激振起来或者比较方便的工作环境之中，这对于一些大型的结构而言是极不容易的。因为该技术本身的测试结果都是从其结构实际所承受的振动工作环境当中直接得到的，所以其识别成果都更加符合真实状况。另外该技术能够克服传统试验方式当中的一些缺点，尤其是对于比较大型结构而言，它在运作之中所能够承受的荷载一般都是难以测量的，但是相关的响应信号却极易获得，因此直接对其响应信号进行参数识别具有极为重要的意义，也就是能够减少现场的工作量，但是却不会给设备的正常运行带来一定影响。
五、技术研究
（一）水工金属
该技术对于一些大型复杂以及在役设备进行模态测试之中具有极大的优势，它能够直接识别响应信号的参数，以此确保了测试的准确性，将现场的工作量减到最低，但是却不会影响到设备的正常工作情况。
（二）水工钢闸门
因为水利水电工程本身具有一定的特殊性，所以该技术一旦被运用到实际的测试过程当中还是要解决一些比较关键的问题。其中该结构在具体运作当中是一个边界约束，是一个结构以及水体等多体耦联的系统，它的结构工作状态一旦发生变化，其耦联的程度也会产生相应的变化，由此其动力学特性也会产生改变。当水工结构在泄流的时候要是水的流动速度非常大，就会给结构以及信号传输线带来振动，这样就会给数据信号带来一定的影响。
为了能够将其测试计划进一步完善和优化，就要对各种流固耦合状态下钢闸门的动力学基本特点实施有效的预先判定。在预先判定的时候能够将该振型进行观察，以此提升其参数的识别精准度，其测试信息具有一定程度的信噪比。要想直观地反映出结构振型，该测试一般的测点都相对比较多，在实际测试的时候经常会因为经费问题以及场地限制等等情况使其不能提供足量的传感器，这就要在实际测试之前先要对其动力学的基本特性进行有效判定。对该动力学特性进行预判时，一般使用的数学理论模型都是非常难解决的，所以这就要使用物理仿真模型。
（三）参数的识别与虚假模态的识别
在该技术当中经常会使用到随机子空间的方式获得模态的参数，这一方式是最近几年才发展起来的一种线性系统辨识技术，它能够从环境激励的结构响应当中获得相应的模态参数。因为它只需要给系统阶次仅仅一个参数，而且也不会出现不收敛的状况，所以得到了越来越多人的关注。但是该方式还是会产生一些虚假模态或者是模态被遗漏的情况，最终使得识别效果受到影响。
在具体的应用当中将虚假模态进行研析是极为关键的一项工作，项目当中的模态参数检测验证使用了各种极为精确的虚假模态排除方式，除了使用模态验证手法之外，还把最后测试研究出来的模态参数与相对应工作情况之下的物理模型当中实施仿真研究最终得出的流固耦合振型进行比对，剔除虚假模态。
六、结束语
使用该技术对水电工程实施检测能够直接使用响应的时域信号参数实施有效的识别，换句话来说就是能够在保证基本测试准确性的同时还能够有效减少现场的工作量，还不会给设备的正常使用带来影响。所以在今后的检测工作之中可以继续进行研究与推广。
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论文作者:丁海洋,郭亚妮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/15
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