模态综合（精选9篇）
模态综合 篇1
对于结构的动力分析, 采用模态综合技术既能缩减结构分析的规模, 又能保证完整结构的主要动力特性。自由界面模态综合法由于其计算效率高以及综合精度高等优点, 已成功地应用于航天、航空、机械等多个领域的动力分析和优化计算, 但目前在工程结构上的应用研究并不广泛[1,2,3]。
1 自由界面模态综合方法的理论基础
自由界面模态综合方法的基本思想是: 按照工程的观点或者结构的几何轮廓, 并且遵循特定原则的要求, 将整体结构进行人为的划分, 形成若干个子结构。然后对每个子结构的模态进行分析, 接着根据综合方法的不同, 将子结构综合成整体系统, 通过整合的整体系统基本方程计算得到原结构的动力特性。下面将详细的介绍自由界面模态综合理论[4], 为了方便叙述设定了前提条件, 即假设整体结构分隔成两个子结构 ( 子结构a和子结构b) , 基于此划分条件进行分析, 双协调自由界面模态综合法也采用此前提条件。
1. 1 子结构模态分析
一般土木工程结构的动力学基本方程为
其中为整体结构的位移矢量, 速度矢量, 加速度矢量, [M]为结构的质量矩阵, [C]为阻尼矩阵, [K]为刚度矩阵, { f} 为结构所受外力。在进行结构分析时, 认为阻尼对频率、振型等模态信息的影响较小, 可以忽略不计。此时, 假设结构做自由振动的情况下, 结构的特征方程为
其中[Φ]为实特征向量矩阵, [Ω]为实特征值矩阵, 也就是工程上的振型和频率。首先以子结构a为例, 分析整体结构在自由振动时, 子结构的动态信息。子结构a的振动方程为
求解上式可得子结构a的各阶特征对, 取前q阶主模态组成模态矩阵[ ( a) Φ], 将子结构a的物理坐标系下的位移矢量{ ( a) x} 进行第一次坐标变换, { ( a) p} 为模态坐标。
再将上式按照对接界面和非对接界面, 写成分块形式
其中下标I和J分别表示非对接界面和对接界面。再将公式 ( 4) 带入公式 ( 3) 并且左乘[ ( a) Φ]T可得
为说明方便, 假设全部子结构都按质量归一化, 则模态坐标{ ( a) p} 的支配方程转换为
其中, [ ( a) Ω]= diag ( ( a) λ1, ( a) λ2, … ( a) λq) 为自由界面子结构的特征值, 按照对角线排列所组成的对角矩阵, { ( a) f} 是作用在子结构a上的对接力列阵。
1. 2 对接截面协调条件
假设子结构a和子结构b分别有n和m个自由界面主模态投入综合, J是两个子结构的对接界面的自由度数, 则两子结构对接界面处位移协调条件为
利用坐标变换公式把上式转换到模态坐标系中, 可得
要求子结构的主模态数要大于对接界面的自由度数J, 即n, m > J, [ ( a) ΦJ]可分块为
其中[ (a) ΦJS]是必然能从[ (a) ΦJ]中选出的任意一个非奇异对接模态方阵 (列数等于界面自由度数) , 而[ (a) ΦJR]中包括其余的模态组成的矩阵。将 (10) 带入 (9) 即可得
不独立的那部分模态坐标{ ( a) pJS} 可用{ ( a) pJR} 、{ ( b) p}表示成如下形式
由此可得
其中
这里[I]为单位矩阵, { p} 是全部子结构的保留主模态坐标, [T]就是第二次坐标变换的转换矩阵, { q} 是总系统 ( 全部子结构) 保留自由度的全部独立广义坐标。
1. 3 用模态综合法建立系统方程
利用 (7) 式把两个独立的子结构a和子结构b的运动方程写在一起, 表示为
将第二次坐标变换式 (13) 作用于 (14) , 并且 (16) 的两端同时左乘[T]T, 同时根据内力{ (a) fJ}+{ (b) fJ}=0, 则可得综合的总体系统运动方程
其中
[M*]=[T]T[T], [K*]=[T]Tdiag ( ( a) Ω, ( b) Ω) [T]
求解总体系统特征方程 ( 15) , 可以得到它的特征对[Ω]和{ q} , 其中的特征值即为整体结构的特征值[Ω]= diag ( λ1, λ2, …) , 再对{ q} 进行逆变换, 得到在原始物理坐标系下的模态表达式, 最后求得的特征对[Ω]和特征向量{ x} 即为整体结构的频率和振型。
1. 4 自由界面模态截取准则
首先将每一子结构的频率和模态按升序排列, 然后按照每个子结构选取的模态数目的不同进行分群, 每个群中子结构所保留主模态随着群号的增加而增加, 即群号越大, 群中子结构的保留模态越多。用所有子结构第1 群模态开始综合, 由于系统所有的特征值之和是一个定量, 把综合得到的前面t阶特征值加起来, 命名为前t阶特征值之和C1。
使用各子结构的后续各群依次进行模态综合, 计算i次后, 即可得到第i个群中的子结构综合后所得的前t阶特征值之和Ci
然后计算每个群的收敛系数Ki, 即第i + 1 群中各个子结构增加保留模态对第i个群精度的影响, 表达式如下
利用特征值之和C和收敛系数E作为误差指示选择子结构模态, 探讨在满足精度的前提下, 自由界面模态综合法中每个子结构截取模态的准则。再利用频率相对误差和模态置信因子MAC ( Modal Assurance Criterion) 作为模态综合后精度依据。
本文提出自由界面模态综合法的模态截取准则如下: 当收敛系数Ei趋于平缓时, 就认为每个子结构的保留模态达到精度要求, 继续再增加子结构的保留模态数目, 收敛系数Ei的改变量若小于10- 2, 此时认为增加子结构的保留模态数目只会造成系统规模的增加, 并不会对综合精度有很大改善。
2 自由界面模态综合方法的数值仿真
某11 层平面框架结构如图1 所示, 跨度为6m, 每层层高为3m。整体结构有24 个节点, 1、2 节点为固定端, 共66 个自由度, 33 个单元。
首先用MATLAB来建立模型, 编写11 层框架各节点的坐标和各单元的信息, 接下来, 将所有单元的刚度矩阵和质量矩阵组装成整体结构的刚度矩阵和质量矩阵, 再引入结构的固定条件, 消除刚体位移。最后, 通过动力学方程计算出整体结构的频率和振型。假设我们要研究系统最低8阶模态, 对应的整体结构频率为:1.0353, 3.3614, 4.3592, 6.3489, 7.0573, 10.147, 11.536, 14.253。
应用自由界面模态综合法来计算11 框架, 采用均匀划分的原则划分子结构, 如图2 所示, 将11 层框架结构分成2 个子结构, 2 个子结构在对接边界处无约束。从结构的第1 层到第5 层为子结构1, 有12 个节点, 其中1、2 节点为固定端, 共30 个自由度和15 个单元; 从结构的第6 层到第11 层为子结构2, 为自由悬浮体, 有14 个节点, 共42 个自由度和18 个单元。接着求取每个子结构的模态信息, 用MATLAB分别编写2 个独立子结构的刚度矩阵和质量矩阵, 计算2 个子结构的频率和模态。
节点11 和节点12 ( 如图1) 为子结构1 和子结构2 共有的边界节点, 称为边界1 ( 如图2) , 共6 个自由度。对子结构的主模态按照内部节点和边界节点自由度进行分块, 生成转置矩阵T后进行坐标的转换, 整理成整体系统再进行第二次坐标变换, 最后由公式 ( 15) 求得自由界面模态综合方法的频率, 由公式 ( 16) 转换为原整体结构物理坐标下的振型。
按照2 个子结构频率的大小以递升阶次各自排列各子结构的模态 ( 如表1) , 然后将2 个子结构的模态 ( 包括刚体模态) 分群 ( 如表2) , 第1 群中子结构1 取前6 阶模态, 子结构2取前12 阶模态, 随群号增加, 群中每个子结构较前一个群的子结构保留模态增加2 阶模态, 直至最后一个群为2 个子结构全模态。
取第1 群中的2 个子结构模态进行综合。结果产生总系统的12 阶最低主模态, 此时我们仅取前8 阶特征值, 所对应的特征值为44. 892, 561. 110, 1132. 900, 1789. 000, 2173. 400, 5719. 200, 5755. 000, 9683. 200, 从而可以得到前8 阶特征值之和如下。
然后再按群号2 中子结构的模态进行综合, 结果产生总体系统的最低前16 阶模态, 同样只取最低8 阶, 将其求和。
这样便得到第1 个收敛系数
表3 表示各群号下的综合结果, 包括特征值之和C及收敛系数E。直接进行整体结构计算的前8 阶特征值之和C =22135。
将11 层框架各个模态群的收敛系数E列出柱状图形式 ( 如图3) , 从图中可以发现群号1 至群号3 的收敛系数E相对较大, 而在群号4 后收敛系数则趋于平缓, 群号5 收敛系数与群号4 收敛系数E的差值为0. 67 × 10- 2, 小于10- 2, 满足自由界面模态截取准则。
在本算例中, 根据自由界面模态截取准则, 认为当取群号1 至群号3 时, 即子结构1 的保留模态少于12 阶, 子结构2 的保留模态少于18 阶时, 自由界面模态综合法的综合精度不高, 当取群号4 及其以后, 即子结构1 的保留模态大于等于12 阶, 子结构2 的保留模态大于等于18 阶时, 自由界面模态综合法可以取得良好的精度。而在群号4 后, 随着群号的增加, 各子结构的保留模态数目增加, 综合系统的规模越来越大, 可是收敛系数并没有很大, 即产生的综合精度的改善甚小。
为了证实收敛系数的指示性, 选择收敛系数稍有突变的群号3 和收敛系数趋于平缓的群号4, 分别按照2 个群号中子结构的保留模态进行综合, 探讨综合后精度的问题。
表4 分别列出了按群号3 中子结构1 和子结构2 分别保留前10 阶和前16 阶主模态参加综合时所求解得到的综合结果, 以及按群号4 中子结构1 和子结构2 分别保留前12 阶主模态和前18 阶主模态参加综合时求得的综合结果。并与整体结构计算结果相比较, 分析其频率的相对误差及MAC。
从上表中可看出, 按群号3得到的综合结果, 第3阶和第6阶频率的相对误差高达15.1%和9.7%, 第6阶和第8阶的MAC均小于0.9, 综合后求解的结果不能准确反应整体结构的振动特性, 即按群号3截取各子结构的模态综合效果不理想。按群号4进行模态综合时, 其综合的频率误差都在5%以下, MAC值全在0.95以上, 达到了良好的综合精度。为进一步研究, 分别画出整体计算和按群号4进行模态综合计算的前8阶振型图 (如图4至图11) 。
图4至图11分别为11层框架结构第1至8阶振型图, 图中对比了整体结构计算结果和自由界面模态综合方法计算结果。通过振型的对比, 可以看出综合后的前8阶振型基本与整体结构计算相一致, 可以满足精度要求。
3 结论
本文详细介绍了自由界面模态综合方法, 并将其应用于11层框架结构中进行分析, 得出了以下结论:
(1) 通过应用自由截面模态综合方法于11层框架结构的计算, 其结果表明应用该方法所得的计算精度较高, 同时与整体计算结构相比结果误差很小。
(2) 通过对比不同群号下的模态综合结果, 可以验证本文提出的自由界面模态截取准则的正确性及精确性。
(3) 通过对比整体结构计算和自由界面模态综合方法计算的振型, 更一步明确了自由界面模态综合方法的计算结果能够准确的反应整体结构的振动特性, 从而证实了其在框架结构上应用的可行性。
参考文献
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[2]夏益霖.有效载荷/运载火箭耦合分析的子结构模态综合法[J].强度与环境, 1996 (4) :46-52.
[3]谭志勇, 邱吉宝.试验模态综合理论及在航天器型号中的应用[J].振动与冲击, 1995, 14 (1) :56-59.
[4]王永岩.动态子结构方法理论及应用[M].北京:科学出版社, 1999.
弹道相机跟踪架模态分析 篇2
关键词：弹道相机；跟踪架；有限元分析；谐振频率
中图分类号：O315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00
1 引言
弹道相机是集现代光学、精密机械、电子和计算机等最新技术集成的光学测量仪器，在国防领域有着非常好的发展前途，对弹道相机的技术指标、研制周期、重量和体积提出很高的要求[1-2]，为了满足上述要求，弹道相机的每一部分必须经过精心设计。
弹道相机光机结构的关键部分之一是跟踪架，它对弹道相机的测量精度起着非常关键的作用。本文根据弹道相机跟踪架的特点做了有限元分析，分别在自由状态和约束状态下分析计算了跟踪架的谐振频率。
2 跟踪架组成
跟踪架是由底座、调平机构、垂直轴系、水平轴系等组成，可实现方位和俯仰的精密角度测量。水平轴系是由转台、左右立柱、四通、左轴、右轴、编码器、力矩电机、手动-机动切换机构和缓冲机构等组成。垂直轴系是由垂直轴、编码器、力矩电机、调平机构、底座等组成。
3 有限元分析
3.1模态分析
分别计算在自由状态、约束状态下跟踪架前三阶模态。
3.2跟踪架的有限元模型
根据工作原理，有限元模型规模为7，847单元，12，744节点，单元类型组成情况如表1所示。结构约束对其进行约束模态分析和静力变形分析时，需要对模型进行约束处理。约束是通过对基座底部每个凸台三点进行6自由度全约束实现的。
3.3.1自由模态分析
对结构进行自由模型分析，前3阶结果如表2所示。
图3（a）自由状态1阶振型图图3（b）自由状态2阶振型图图3（c） 自由状态3阶振型图
3.4.2 约束模态分析
对结构进行约束模态分析，前3阶结果如表3所示。
图4（a） 约束状态1阶振型图图4（b） 约束状态2阶振型图图4（c） 约束状态3阶振型图
3结论
本文介绍了弹道相机的跟踪架的组成，通过有限元分析计算了跟踪架在自由状态和约束状态下的谐振频率。通过实际应用表明，该跟踪架可以满足弹道相机的高精度测量指标要求。
参考文献：
[1]赵贤森.经纬仪[M].北京：中国计量出版社，2002.
[2]王涛，唐杰，丛俊峰. 基于标准轴承的经纬仪俯仰轴系设计[J].长春理工大学学报，2011，34（3）：39-41..
模态综合 篇3
切割器是甘蔗收割机的主要工作部件之一,其性能好坏直接影响到切割质量和功率消耗等。由于甘蔗收割机在田间作业时,各工作部件性能、收割状态、机器前进速度及地面地形状况等是随机变化的,所以不可避免地会发生振动冲击。另外,在收割作业时,收割机切割器高速旋转切入甘蔗根部,切割器承受很大的冲击载荷,所以要求切割器应具有良好的动态特性。
以往研究大多数采用固定界面模态综合方法,对收割系统进行近似计算,但是固定界面模态综合法很难与实验方法相结合。为了克服其不足,Goladman[1]和Hou[2]提出了自由界面模态综合法,它将整体结构人为地化分为几个子结构,连接界面完全释放为自由界面,但其计算方法相当繁琐。刘瑞岩、王文亮[3,4]等人进一步完善了模态综合法,提出双协调子结构方法。就目前而言,对于动态子结构的研究,绝大部分是根据动力学的基本定律,运用振型叠加法或其它类似方法求得。总的来说,自由界面模态综合法更符合当前动态测试要求,便于和实验方法、结合面参数测试等手段相结合。
ANSYS是ANALYSIS SYSTEM的简写,是美国Swanson公司推出的一种工程分析软件。ANSYS能够高效地求解各种复杂结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、断裂力学等问题[5,7]。因而是计算机辅助工程(CAE)、工程数值分析和仿真的有效工具。
1 模型的建立
1.1 自由界面模态综合法模型的建立
把系统分割为两个子结构后,解除连接面之间的全部约束,使界面上的自由度除外界以外全都是自由的。式(1)是子结构位移向量,即
其中,{XaB}和{XbB}为子结构分割界面(B点所在截面)位移向量;{XaI}和{XbI}为子结构内部位移向量。特征方程分别为
模态矩阵分别为
经过模态坐标变换,子结构的运动方程可以表示成以下形式
因为两个子结构连接界面的位移是相互联系的,所以应该满足连续条件,即
把式(1)进行模态坐标变换,得
{q}与{q}的关系为
即得到了综合后的系统运动学方程
1.2 切割系统运动学方程的建立
建立模型,由于切割器由转轴和刀盘组成,在实际工作过程中,刀盘主要受切向力的作用,刀盘设计较厚,其弯曲刚度远大于转轴的弯曲刚度。在切割器的动态特性分析中,视刀盘为刚体,刀盘的作用仅仅相当于在转轴上附加了集中质量和转动惯量。把转轴离散为梁单元,自由界面是B点所示的截面,如图1所示。基于此简化模型计算出系统的运动学方程,根据系统的运动学方程可求得整体系统的动态特性及切割器在整体系统中的动态特性。这样就可以对其结构进行优化,提高整车的动态性能。
1.切割器2.机架3.扶蔗器
整体系统的运动学方程为
式中[mr]—模态质量阵;
[cr]态阻尼阵;
[kr]模态刚度阵;
[q]—模态坐标向量;
[ϕ]—系统固有振型矩阵,且。
2 切割系统模态计算及模型的建立
2.1 切割系统模态计算
已知柴油机总动力为16.17k W,额定转速不少于2000r/min,频率经过实验测量为36.43Hz而刀盘的工作转速为650r/min,频率为15.58Hz,其具体的尺寸如表1所示。根据以上参数可以计算出切割系统的前5阶固有频率。具体值如表2所示。
2.2 模型的建立
切割系统半径R,取0.45m;刀盘半径iR取0.3m,刀片数z取4,刀盘倾角ϕ取10°,刀刃倾角α取30°。具体参数如表1所示。
因为用Pro/ENGINEER软件参数化建模比ANSYS建模要更方便、快捷,可以提建立实体模型的效率,所以就在Pro/ENGINEER中建好三维模型后再导入ANSYS中,具体操作是建成后点击File→Save a Copy,在Type项选中IGES(*.igs),这样就可以把Part(*.prt)文件转化为IGES(*.igs)文件,然后在ANSYS中输入(import)文件就可以看到模型。材料采用我国65#钢,力学试验认为刀片材料硬度为HRC43.0~46.0。
导入到有限元分析软件ANSYS中,三维图网格划分后生成有限元模型的三维图,如图2所示。
经计算切割系统的前5阶固有频率分别为:3.58Hz,38.56Hz,49.12Hz,63.37Hz,92.26Hz。
3 分析
3.1 两次结果进行比较
由理论计算和运用ANSYS计算的结果进行比较,可知其结果非常接近,且两次计算切割系统第2阶固有频率(分别为37.83Hz和38.56Hz)非常接近柴油机的工作频率(36.43Hz);而第二阶振型主要表现为刀杆的弯曲振动,如图3所示。
由于上面已经提到对于此模型理论计算的数值和ANSYS分析的结果较为吻合,所以在接下来的切割系统结构优化中就可以避免繁琐的计算而直接运用ANSYS进行分析,来改善系统的动态性能。
3.2 优化分析
进行结构修改,重新设计转轴,将转轴结构改为空心轴,空心处的内径为25mm。重新用ANSYS计算系统的前5阶固有频率,结果如表3所示。
由表3可知,把实心刀杆变为空心刀杆的设计使得切割系统第2阶固有频率变为40.28Hz,从而避开了柴油机的工作频率,大大提高了整个小型甘蔗收割机动态性能。
另外当刀盘的转速为650r/min时,整个切割系统的速度及加速度(垂直于刀盘方向)如图4和图5所示。
由运动曲线图可知,在650r/min时,速度波动较小,加速度较小,切割系统运行平稳。这也说明了利用ANSYS建立切割系统的优化较为合理,根据所建的试验模型,这基本与实际相符合。
4 结论
使用模态综合法对切割系统进行动力分析,可以缩减方程的自由度数目,通过解若干小尺寸的模态矩阵问题来代替直接解大型结构矩阵问题,可以对切割系统的结构进行优化,提高其动态性能。但是在本文中如果用ANSYS优化系统的动态性能同样可以达到较高的计算精度。因此,对于一些重要结构,采用ANSYS来对结构进行模态分析,可以在精度和计算速度上得到较好的结果。
另外,由于田间作物生长态势和地面状况比较复杂,所以在虚拟样机的建立、模型验证等方面难免存在着一些误差。今后还需多进行生产考核性试验,进一步改进和提高模型精度,以适应农业生产的实际需求。
摘要：划分小型甘蔗收割机主子结构,建立了子结构的运动方程并进行子结构的模态分析;综合主子结构与刀盘结构,建立了广义坐标下的整体系统动力学模型。同时,基于此模型对甘蔗收割机切割器进行了模态分析,讨论利用ANSYS在改善系统动态性能和优化结构上的可行性,从而达到快速求解、提高切割器动态性能的目的。
关键词：农业工程,切割器,应用,模态模型,有限元模型,结构动态设计,ANSYS
参考文献
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[8]Kroes S,Harris H D.A kinematic model of the dual basecutter of a sugarcane harvester[J].Journal of Agricultural Engineering Research,1995,62:163-172.
[9]杨坚,梁兆新.甘蔗切割器切割质量影响因素的试验研究[J].农业工程学报,2005,21(5):60-64.
筒状焊接结构的模态分析 篇4
关键词：裂纹；ANSYS；模态分析
中图分类号： TG404 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-172-2
1概述
模态分析[1]常应用在工程振动领域中，最终目的是识别出系统的模态参数，从而为系统的故障诊断提供依据[2]。
2 建实体模型
本文采用ANSYS软件建模。该结构的材料选用为灰铸铁，结构尺寸为250mm*250mm*750mm，密度为7200kg/m3；弹性模量1.2E11Pa；泊松比：0.25，实体模型如下图1所示。
本文裂纹选在高度方向上，在裂纹长度方向上取了6个数值（分别为l=135mm、170mm、225mm、345mm、445mm、645mm）。裂纹单元类型和网格划分方式的选取，均同没有裂纹的情况相同。
3 加载
工作时，将该筒状结构的底部与底座利用6个螺栓连接，然后对其进行施加约束。
4 结果
为了进一步研究裂纹对结构动力学特性的影响，主要针对不同裂纹长度的模态分析，并且均提取了前6阶固有频率。
从表1中明显可以看出，随着裂纹长度的逐渐增加，各阶固有频率均逐渐减小。
为了进一步分析各阶固有频率随着裂纹长度变化的下降程度，在表1 的基础上，建立直角坐标系[3]（横坐标为裂纹长度，纵坐标为固有频率的减少量），如图2所示。从图2可以明显地看出：前3阶固有频率下降的幅度小，后3阶固有频率下降的幅度相对大。
5 结束语
通过对产生前后裂纹的结构进行模态分析比较，可以得出产生裂纹后的固有频率比没有裂纹产生时要小。随着裂纹长度的增加，各阶固有频率值都呈下降趋势。但各阶固有频率的下降幅度不同：高阶固有频率下降的幅度相对大，低阶固有频率下降的幅度比较小。
参 考 文 献
[1] 张洪才，何波.有限元——ANSYS 13.0从入门到实践[M].北京：机械工业出版社，2011，124-130.
[2] 徐可君，江龙平.裂纹叶片对固有频率影响的分析[J].推进技术，2009，18（6）：68-71.
模态综合 篇5
1 多模态与多模态教学
模态是指构建意义的各种符号资源, 包括空间、手势、凝视、身势、移动、声音、腔调、音乐、三维事物、口语、书面语、图形、表格、图画、动画等 (Jewitt, 2009:14) 。Kress和Van Leeu⁃wen (2001) 指出, 多模态是符号产品或符号事件的设计中几种符号模态的使用及其整合的方式。顾曰国 (2007) 则将多模态定义为用两个以上感官 (视觉、听觉等) 来跟外部环境进行互动。而张德禄 (2009) 具体阐释了多模态话语, 即运用听觉、视觉、触觉等多种感觉, 并通过语言、图像、动作、声音等多种手段和符号资源进行交际的现象。多模态自20世纪90年代开始得到语言学界的关注, 但国外多模态研究的主要切入点为语篇和语类分析, 如Kress和van Leeuwen (1996;2001) 的研究等。虽然也有部分学者如Royce (2007) 的研究涉及第二语言课堂教学中多模态的协同性, 但仍以理论论述为主。国内的多模态研究始于李战子 (2003) 对多模态话语分析理论的引介以及对多模态话语分析的教学意义的初步探讨。近年来, 计算机辅助教学的发展让英语课堂的教学话语由单一的语言模态演变为图像、音频、视频和语言相结合的多模态话语, 多模态话语分析理论在国内除了被应用到语篇分析方面, 也在一定程度上促进了外语教学改革的发展和改变了课堂教学模式 (张德禄、张时倩, 2014:1) 。传统的英语教学手段相对单一, 学生缺乏主观能动性, 进而影响学习效果的状况引发了语言学工作者和教育者的思考。朱永生 (2007) 结合多元读写研究案例探讨多模态对教学改革的启示, 并提出多模态教学模式不是多种模态的简单结合, 而是多种模态与多媒体设备、学生与教师的有机结合。张德禄 (2009) 指出教学话语的多模态性成为有待深入研究的重要领域。尽管在外语教学中运用多模态手段已成为课堂教学的新趋势 (张德禄、丁肇芬, 2014:39) , 现有的多模态教学研究多数是关于运用视频、音频、口语等模态的结合探讨多模态视听说教学模式对学习者听说能力发展的影响, 而对读写课堂的关注不多, 且实证分析较少;同时关于教师在大学英语课堂中应如何合理地选择模态, 减少模态间的冗余或排斥, 真正通过多模态教学模式的实践和教学模态的选择配合, 增强教学活动效果的研究也不多, 虽然张德禄 (2010) , 张德禄、王璐 (2010) 和张德禄、李玉香 (2012) 的文章都提出了课堂话语中模态之间应相互配合, 但也都将重点放在了理论分析层面。
2 新视野读写课堂中的多模态教学模式设计
围绕培养学生的多元识读能力和多模态交际能力的教学目的, 根据教学实际需要, 笔者结合张德禄、李玉香 (2012) 和张德禄、王璐 (2010) 研究中提到的各类模态, 以及张德禄 (2010) 提出的模态选择的有效、适配、经济三大原则, 在新视野大学英语读写课堂中设计了一个融合教师的立体化形象, 口语、手势、语调、表情字体、图像、视频、音频及其他直观教具的教学模式。具体的教学设计和流程包含以下几个部分 (见表1) 。
3 新视野读写课堂中的多模态教学实证研究
3.1 实验目的
实验拟通过教学实践, 在多模态理论指导下, 检验新视野读写课堂中的多模态教学模式的可行性, 为大学英语课堂教学提供一个具有启发意义和可操作性的多模态教学模式。具体探讨以下问题: (1) 多模态教学模式能否提高学生的学习成绩? (2) 多模态教学模式能否提高学生的自信心与学习兴趣? (3) 在教学过程中 (如词汇教学) 多种模态之间的配合和干扰情况如何?
3.2 实验对象、方法与工具
实验选取华侨大学本科生一年级 (下) B类的同一名任课老师授课的两个教学班中随机抽取的各40名学生形成实验组和对比组。实验组和对比组的学生年龄、教育背景等因素基本相同, 且两组的入学分级考试和第一学期的期末考试成绩不存在显著性差异。
实验主要采取定性和定量分析的研究方法, 通过教学前后实验组和对比组的综合测试成绩对比、实验组学习过程中的抽样成绩分析来完成研究目的。主要运用的工具有SPSS19.0统计软件、调查问卷和访谈等。
3.3 实验过程与结果分析
实验组和对比组由同一名任课老师授课, 实验组采用多模态教学模式 (表1所示) , 对比组采用运用多媒体设备的普通教学模式, 进行12周的教学实验。实验前后分别进行一次综合测试, 题型包括阅读理解、词汇、翻译和写作, 内容均与教材主题相关。在实验结束后对两组学生进行问卷调查, 调查他们对自己12周学习情况的自我评价和对教学方式的评价。为了检验实验组教学中模态配合的情况, 笔者还对实验组的学生进行了分堂学习情况检测和访谈。
实验数据分析表明, 如表2和表3所示, 两组在教学实验前的测试成绩没有显著性差异, 即实验组和对比组在一年级 (上) 采用同样授课方式的情况下, 学习成绩不存在显著性差异。但是在结束12周教学实验后进行的测试中, 两组的成绩出现了显著性差异 (见表4和表5) 。这说明实验中所采用的结合多种模态的教学模式有效地提高了学生在新视野读写课的学习成绩。实验所设计的教学模式具有可操作性和现实依据。
实验后对两组学生进行的学习情况自我评价和教学效果的调查问卷结果也显示了差异性。实验组学生在兴趣提高、自信心增强、自觉性加强、课堂活动参与度提高、词汇量增加、阅读速度增快方面给出肯定选择的比例分别是77.5%、65%、52.5%、60%、52.5%、47.5%, 而对比组的相应数值仅为35%、30%、27.5%、42.5%、27.5%和20%。实验组有85%的学生表示喜欢多模态的教学模式, 对比组有72.5%的学生表示希望课堂教学活动能有更丰富的形式。数据表明, 多模态教学模式有利于提高学生的兴趣和课堂参与度。
为了检验实验中的教学模式的模态选择的有效原则和适配原则以及经济原则, 即实现最优化与最简化的结合, 笔者抽取了实验组四次词汇随堂测试的结果进行分析。词汇测试包含单词记忆、意义理解搭配和选词填空。分析结果显示, 学生对于使用不同模态组合讲授的单词的掌握情况有较大差异。如表6所示, 口语与文字和图片的组合以及口语与文字和视频的组合对学生的词汇掌握较为有效, 而音频模态与其他模态的组合效果则略为欠缺。与学生的访谈也进一步证明了一些模态之间的配合会优于其他形式。85%的学生表示口语+文字+视频模态能够让他们更直观地理解单词使用语境, 增强记忆;而77.5%的学生表示音频在词汇学习中一定程度上干扰了他们对文字解说的关注, 进而影响了词汇的记忆, 而使用强调字体能帮助改善这一问题。62.5%的学生指出表情和动作模态与文字和口语的配合也能让他们加深印象。
4 结语
当前社会交流的多媒体化与社会文化的多模态化, 给大学英语教学带来新的挑战。多模态教学能充分运用口语、书面语、图像、图表、空间、手势、动作等用来构建意义的各种符号资源, 突破传统单一模态学习的局限性。实验证明, 新视野读写课堂中的多模态教学模式能有效激发学生的学习兴趣, 提高学生积极性和学习成绩。但在教学过程中必须注意避免出现过于依赖多媒体资源, 在教学过程中大量使用视觉和听觉模态的反复叠加, 从而产生了模态干扰。模态选择虽然会受到现实教学条件的限制, 但仍要注意因地制宜, 尽量符合模态调用原则, 最大限度地促成模态协同并提高教学效果。
摘要：该文主要通过实证研究, 探讨新视野大学英语读写课堂中的多模态教学模式对学生英语水平的有效提高;同时通过对词汇教学中的模态配合与干扰分析, 对大学英语读写课堂教学中合理选择模态, 促进模态配合提出建议。
模态综合 篇6
新读写 (New Literacies) 或多元读写 (Multiliteracies) 研究发端于20世纪90年代中期, 这一概念是针对多元文化趋势和信息技术发展给英语等语言读写教育带来的新变化而提出的 (New London Group 1996;朱永生2008) 。近十多年来, 学者们主要沿两条主线展开新读写研究:一是关注在多元文化影响下产生的各种语言变体, 二是研究语言以外的意义资源, 即“语言文化的多元”和“交际手段的多元”。
目前对多元化交际手段、意义资源的多模态研究进行得如火如荼, 吸引了大批语言学、教育学、符号学领域研究者的关注。由澳大利亚新英格兰大学Len Unsworth主编的《新读写与英语课程:多模态视角》反映了这一研究潮流的新近发展, 2008年由Continuum出版社出版。该书汇聚了众多名家的精品, 同时也不乏新近学人的力作, 探讨了与新读写教学密切相关的实际问题, 包括早期读写教育、图文并茂的读写教学材料、多媒体创作和叙述体的数码化以及对英语测试的重新考量等方面。
二、内容概览
全书共分为六大部分, 由十五章组成。第一部分 (即第一章) 勾勒了英语国家新读写教学的现状和全书结构, 第二、三章考察“早期读写学习中的多模态特征”, 第四至七章探讨“社会符号学视野中的文学类图文读物”, 第八、九章讨论“网络时代的中学生新英语”, 第十、十一章阐述“对中学生英语回应语篇的重新思考”, 第十二至十五章则关注“英语课程测试面临的挑战”。下面介绍各章关注的重点问题和主要观点。
第一章“英语教学中的新读写”由Len Unsworth教授撰写, 他指出, 目前一些英语国家 (如英格兰和澳大利亚) 已将新读写明确列入政府颁布的教学大纲和课程设置, 信息交流技术 (ICT) (Andrew 2004) 已成为英语课堂教学中的必要组成部分。他指出, 对“新读写”存在两种理解, 即“同化” (assimilation) 和“调适” (accommodation) 2。前者立足传统、常规的读写教育, 试图让新读写为现存的课程设置和教学实践服务;后者则更具革新精神, 认为应该从根本上重新审视新读写给教育教学带来的变化。同化观只关注语言以外制造意义的新方式, 而调适观还研究新的意义潜势和意义系统。作者还对全书的研究对象进行了定位, 即考察印刷体和电子语篇中的语言和图像在当前读写教育中的角色, 及其对读写教学的启示。
第二章“图文阅读中的文化知识互动设计”由悉尼大学教育学教授兼研究员Peter Freebody和昆士兰大学Bette Zhang Bin博士合作, 他们首先从符号学、认识论和互动分析等角度分析我国小学一年级《语文》课本中的文字和图像资源在传授课本知识、构建文化关系中的作用, 指出教学中的图文设计具有“知识组织”和“课堂活动组织”双重导向。此外, 作者还对比了中西教育语境 (Baker&Freebody 1989) 中的“机构/公共—家庭”关系, 认为阅读学习为读者提供了“可读的”经验, 同时也为意识形态服务。
第三章“多模态语篇与幼儿读写能力的出现”是澳大利亚麦考瑞大学副教授Jane Torr的研究论文, 同样关注早期读写教育。正如需要学习阅读文字一样, 图像阅读同样也需要学习 (Doonan 1993) 。Torr考察了24名儿童在与母亲或老师一起阅读图文读物时双方的对话互动, 包括叙述体中的情态变化、图像的显著性、儿童的情绪反应等方面。研究发现, 成人和儿童对图像意义的解读会存在不一致的现象, 这在阅读寓意深远的故事中尤其明显, 儿童阅读图像的方法反映了视觉“语法”意识的出现。图书本身和关于图书的对话都有助于语言发展和“视觉读写 (visual literacy) ”能力的培养。
建立一套能系统描述文字、图像、声音等多种符号及其相互关系的元语言 (metalanguage) (New London Group 1996) 一直是多元读写研究者追求的目标, 多年来语言学者和符号学者为此做了不少重要尝试和不懈努力。本书第四至七章关注多模态话语的社会符号学研究, 正体现了新读写多模态研究中这一语法观 (Kress&van Leeuwen 2006) 趋向。
第四章“多模态儿童生态话语中的人类中心说和自然存在论”为长期从事儿童文学研究的麦考瑞大学英语系教授John Stephens所作。长久以来, 关于生态环境的儿童读物大多以人类为中心, 故事中的自然物只为故事人物的生存发展服务。Stephens运用社会符号学理论, 分析了从以人类为中心向以生态为中心转变的多模态图书和环境保护短片的概念和人际意义特征。作者发现, 提倡环境保护的多模态语篇也具有强烈的“理解”和“关爱”的人性化主题特征, 语篇中不同模态的汇聚形成视觉衔接, 通过人的感知和对自然的关怀行动赋予自然价值。
第五章“儿童图书中色彩的作用:情调氛围的选择”一文由新南威尔士大学高级讲师Clare Painter博士所著, 文章关注的是图文并茂的儿童故事书中色彩选择的可能性, 尤其是在营造情调氛围方面的作用。基于对50多本面向各个年龄段儿童叙事图书的分析, Painter建立了关于色彩的“情调氛围”符号系统网络, 发展出“明快”、“温暖”、“熟悉”等次系统, 并详细讨论了Piggybook故事中语篇展开时对情调氛围的选择, 指出色彩的运用不仅表达了某些概念意义, 从人际意义上看还体现了特定的情调氛围, 对读者在阅读过程中的情感回应有引导作用。
第六章“模态间关系与和解信息:双方的合力”由悉尼大学语言学教授J.R.Martin撰写, 文章运用社会符号学方法分析读物中的语言和图像资源如何抓住 (bonding) 读者、表达语篇主旨。Martin指出图文模态具有互补的特征, 比如语言中的主位推进等格律特征与图像中参与者的显著性和框线互补, 语言中的作格与图像中的矢量互补, 表达态度的语言资源与图像中人物情感的体现、色彩渲染互补, 投射、介入等语言特征与视觉聚焦互补, 等等。Martin指出, 必须联系语篇体裁来解读模态间关系, 社会符号学面临的挑战之一, 就是要归纳出各种语篇体裁中模态间的互补方式。文章还论述了通过具有象征意义的“图标化” (iconization) , 可以物化特定社会团体共享的价值观, 从而粘合 (bonding) 社会群体。
第七章“精明的混血儿:评价图标”由新英格兰大学Corinne Buckland博士与Andrew Simpson合作, 分析对象是被指具有种族歧视倾向的文学作品The Story of Little Black Sambo, 作者运用评价理论 (Martin 2000) 对比分析了该故事的纯文字版本、最初的插图版 (1976/1899) 和新近的插图版 (2003) 中语言和图像在价值观表达等方面的异同, 并讨论如何在课堂教学中使用不同的版本来进行文体、文化等方面的批判性读写教学。
随着信息技术的发展和网络的普及, 当前青少年在课堂外可以通过博客、个人网页、视频短片等形式进行网上多媒体创作。第八、九章考察了网络环境中的读写教学。第八章“引擎电影 (machinima) :多媒体3D叙述”由悉尼大学Angela Thomas博士撰写, 研究对象“Machinima”由“Mechanical Cinema”合并而成, 指的是运用游戏引擎制作的3D动画。Thomas考察了澳大利亚青少年使用3D动画制作工具Kahootz制作叙述体3D动画的情况, 重点放在符际共现、多模态密度以及两种符号意义不一致等情况, 认为符际不一致也是衔接的一种手段, 某种模态被前景化会产生多模态密度。
第九章“文学数码化表现形式的对比与创作:多媒体写作和元交际知识”是Len Unsworth的研究论文, 提出了“元交际知识” (meta-communicative knowledge) 和“批判的多媒体创作能力” (critical multimedia literacy) 两个概念, 认为数码化文学作品是发展儿童元交际知识的一种重要资源。文章通过对数码化文学作品的符号学分析, 认为虽然青少年在电脑软件操作方面也许比他们的老师更熟练, 但在英语课堂教学中学生与老师可以一起共同探讨数码化的文学形式和传统的书面文学作品, 并将两者进行对比。这有利于学生发展元交际知识, 即掌握多种符号系统的意义潜势、并培养策略性地运用这些符号系统的能力, 进而尝试对其他书面文学作品进行数码化再现, 从而发展批判的多媒体创作能力。
在当前的读写课堂教学中, 学生经常要对图文并茂的多模态语篇、电影等进行命题作文, 这反映了文章开头提到的新读写中的“同化”现象, 即把对多模态语篇的理解置于现有的常规读写教学之中。第十章“高中英语及其目标:让‘旅途’变得有意义”由墨尔本大学、悉尼大学教育系教授Frances Christie与Sally Humphrey博士合作, 文章指出, 可以从语言学角度入手解决学生对学习任务、教师对如何引导学生存在的困惑。作者对理想语篇的纲要性结构和价值取向进行了语言学分析, 认为通过考察、归纳成功语篇的语言学特点, 能帮助学生掌握目标语篇体裁的要点, 从而减少写作任务的神秘感, 具有重要的教学意义。
第十一章“散文小说的网上欣赏与解读”由墨尔本大学教育系副教授Kristina Love所作, 文章注意到, 网上论坛作为欣赏、解读文学作品的一种形式和途径正越来越得到普及。这类论坛或由政府教育部门统筹, 或由学校机构设计和发展, 或具有明显的商业性质。这种方式是对课堂面对面讨论的补充, 并能超越地域的界限, 让世界各地的学生一起分享对同一部作品的阅读体会。作者认为, 有必要从语言学角度分析网上论坛的结构潜势、论证方法、如何评价各种形式的论坛等。通过对“塔斯马尼亚学生论坛”和“哈利·波特迷官方网站论坛”的具体分析, 作者指出教师在指导网上讨论时, 应明确其目的是欣赏还是解读, 如果是以解读为目的, 就应强调思路的清晰程度而不是情感的过多表达。该研究反映了新读写朝“调适”方向发展的一种尝试。
功能语言学者和符号学者认为, 阅读理解应该被视为语言、图像等符号系统共同构建语篇意义的过程 (Unsworth 2008:13) 。本书第十二章“小组测试中图像对阅读理解影响的评估”由新南威尔士州教育及培训署Kate O’Donnell与新英格兰大学Ann Daly博士合作, 在功能语言学逻辑语义关系研究的基础上, 归纳出阅读理解测试多模态语篇中的“详述” (图文内容对应、相符) 、“扩展” (图文内容不相同, 包括互补和相反) 以及“增强” (一种模态为另一种模态提供时间、地点、原因等环境成分) 等图文关系, 并总结出学生在回答阅读理解问题时使用的一系列策略。
第十三章“多元读写与‘基本技能’”为新英格兰大学副教授Mary Macken-Horarik所著, 作者注意到在命题写作教学中, 不少题目是开放性的, 除了语言之外, 题目中还含有图像、图表等模态, 但学生的回答通常是单模态文本。Macken-Horarik通过分析三、七、十二年级学生面对的“多模态问题”和他们较成功的“单模态回答”, 考察了描述文写作中详述、强调、词汇衔接等策略的使用, 指出多元读写所要求的基本技能不仅包括阅读多模态语篇的能力, 还包括掌握成功回应语篇的修辞写作技巧。
第十四章“高中英语、读写考试与态度意义:运用评价理论来解读图文关系”由澳大利亚体育学院副院长David Baxter与新英格兰大学Andrew Simpson合作, 文章指出, 成功的命题写作与对题目评价取向的正确把握以及写作者正确的评价立场有关。运用评价理论对语篇进行态度分析, 弄清评价意义在语篇中的构建方式, 有助于学生把握语篇的主旨和价值观。文章认为, 语言和图像共同构建了语篇的主旨, 在读写教学中, 如果能加强这方面的明确指导和有效训练, 就有利于学生辨认并掌握表达态度等评价意义的资源, 从而写出在人际意义上符合要求的语篇。
新的信息交流技术 (ICT) 在为我们服务的同时, 也在改变着我们的生活、工作和学习方式 (Unsworth 2008:328) 。第十五章“数码读写的评估:还是一样的评估吗?”由布里斯班女子语法学校Kay Kimber和格里菲思大学教授Claire Wyatt-Smith合作, 文章提到, 许多中小学英语老师已将数码电子语篇融入读写教学环境, 但很少研究探讨由学生自己设计创作的多模态语篇。作者认为, 多模态语篇的创作包括网络熟练程度 (e-proficiency) 、衔接、内容、设计等方面, 并提出一个“标准-引用框架” (criterion-referenced framework) 来考查学生创作的数码语篇, 指出英语课堂教学中的“超模态” (transmodalilty) 现象挑战着传统对“知识”的理解和评估。该研究更接近于新读写研究中的“调适”趋向。
三、简评
综观全书的选文涵盖了语言学、符号学、教育学等多个领域, 从多个角度展示了新读写研究的最新动态和研究成果, 内容翔实新颖。该书的学术价值和亮点包括:
首先, 对语言学、符号学的完善和发展有显著的理论价值。书中提出了一些新的理论观点, 比如联系语篇体裁的特征来解读模态间关系、关于色彩符号系统网络的建立等, 这些新观点关注的都是当前多模态研究的热点问题。
其次, 书中不少选文是语言学、教育学、符号学理论研究者与语言教学的实践者 (如中小学一线教师) 合作的研究成果, 内容涉及早期读写教育、图文并茂的读写教学材料、多媒体和网络创作、学生写作、英语测试等多个方面, 语料真实、生动, 对教学实践具有重要的指导意义。
此外, 该书论述较为中肯、辨证, 讨论的方面既包括新读写中的“同化”思潮, 也包括“调适”趋向, 既分析多模态读写材料等输入语篇, 也考查学生写作、网络多媒体创作等输出语篇。
该书也存在一些不足, 比如书中的研究大多从语篇分析的角度, 在功能语言学、社会符号学的理论框架内进行分析和讨论, 较少对大样本语料库的统计分析和实验研究。尽管该书有一定局限性, 但其研究目标明确, 无论从语言学、符号学多模态研究方法论的角度, 还是从课堂新读写教学研究的角度, 都具有很高的学术和实用价值。
参考文献
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碟形弹簧模态分析 篇7
碟形弹簧作为一种非线性减振元件,能在很小的变形条件下,承受范围很大的载荷。为了降低石油钻井过程中轴向振动和冲击对井下工具的影响,可以采用碟形弹簧来对井下工具进行减振处理。
目前对于碟形弹簧的研究,大部分是针对单片弹簧的特性,对于组合碟形弹簧的研究比较少。碟形弹簧本身具有几何非线性,组合碟形弹簧还具有接触非线性,因此组合碟形弹簧的计算非常复杂。随着计算机技术和计算方法的发展,复杂的工程问题可以采用数值计算方法并借助计算机来处理。为了提高碟簧的减振效果,可以采用多片组合碟簧来进行减振。本文采用四片复合组合碟簧对井下工具进行减振,其安装示意图如图1。
在钻井过程中,钻柱的主要工作方式是旋转钻进,正常钻速200r/min以下,钻进产生的激励频率也在4Hz以下,而钻柱主要有轴向振动、横向振动和扭转振动。结合图1的四片复合组合碟簧安装示意图,我们主要考虑组合碟簧能否对钻柱轴向振动引起的井下工具的轴向振动进行减振。根据以往的研究,2000m以内长度钻柱的固有频率可以表1数据做参考,只要在钻井过程中,激励频率避开钻柱固有频率,钻柱就是安全的。因此,只要组合碟簧的固有频率能够避开激励频率,组合碟簧就不会失效,从而起到对井下工具减振的效果。
本文是利用Solid Works软件建立碟形弹簧和组合碟形弹簧模型,并运用有限元分析软件COSMOSworks对碟形弹簧和组合碟形弹簧进行模态分析,通过将分析计算结果与钻柱固有频率及激励频率对比,为碟形弹簧的结构设计提供参考依据。
2 静态分析
在碟形弹簧和组合碟形弹簧模型建立后,运用COSMOSWorks有限元软件来进行模态分析,步骤如图1。
在COSMOSWorks中强度分析的第一步是对模型进行前处理,需要建立一个静态算例。算例是由一系列参数所定义,这些参数完整表述了该物理问题的有限元模型。一个算例需要定义的参数包括以下几个方面:(1)分析类型及选项;(2)定义模型材料;(3)模型边界条件(施加的各项约束);(4)网格划分。
建立的碟形弹簧和组合碟形弹簧模型有四种:单片、两片叠合组合、两片对合组合,四片复合组合。先对四种碟簧及碟簧组合进行固有频率分析,再对四片复合组合碟簧受实际约束时进行模态分析,四种碟簧及碟簧组和模型如图3所示。
碟形弹簧和组合碟形弹簧的材料为60Si2Mn,在进行固有频率分析时,均未施加任何约束条件。
频率分析中Cosmosworks解算器选择“自动”,频率数为“12”,划分网格后就可以开始分析计算。由于Cosmosworks采用独有的快速有限元技术和精确计算技术,其分析计算的速度比较快。单片、两片叠合组合、两片对合组合和四片复合组合碟簧的频率如下:
从表4、表5、和表7的数据可以看出,单片、两片叠合组合、两片对合组合,四片复合组合碟簧这四种情况,前6阶固有频率值非常小,近似为零,从第7阶开始固有频率逐渐增大,第7阶和第8阶、第9阶和第10阶,第11阶和第12阶固有频率值一样。对比单片碟簧和组合碟簧的固有频率可以发现,组合碟簧的固有频率要比同阶的单片碟簧的大,这是由于组合碟簧之间产生了摩擦,增大了碟簧的刚度。对比表5和表6可以发现,两片对合组合碟簧固有频率从第5阶开始明显增大,且同阶的固有频率也比两片叠合组合碟簧大。而且通过表7的数据可以看出,从第7阶固有频率开始,四片复合组合碟簧比两片组合碟簧同阶固有频率大。
四片复合组合碟簧的实际工作情况是:底部受支座支撑,上部被预压缩2mm,对其前处理如表8。
材料机械性能同表3。
频率分析中Cosmosworks解算器选择“自动”,频率数为“12”,划分网格后就可以开始分析计算。对四片复合组合碟簧共振频率的计算结果如表8所示。
从表9的数据可以看出,四片复合组合碟簧受约束后,其共振频率显著提高,并且其第一阶共振频率就达到11886Hz,从这就可以得出:要想避免碟簧因低频共振失效,可以对其进行预压缩,使其共振频率显著提高。从表9的数据而且还可以看出其第2阶和第3阶、第4阶和第5阶、第6阶和第7阶第8阶和第9阶、第10阶和第11阶共振频率基本相同。从表10的四片复合组合碟簧受约束后各阶主振型图可以看出:四片复合组合碟簧既有轴向振动也有径向振动,但是轴向振动是主要的;第2阶和第3阶主振型产生一个波,振动相位不同;第4阶和第5阶主振型产生两个波,振动相位不同;第6阶和第7阶主振型产生三个波,振动相位不同;第8阶和第9阶主振型产生四个波,振动相位不同、第10阶和第11阶主振型产生五个波,振动相位不同。
3 结论
在完成对碟簧固有频率及四片复合组合碟簧受约束时其共振频率的分析后,通过与钻井过程中激励频率与钻柱固有频率对比,可以得出:(1)组合碟簧固有频率大于单片碟簧固有频率;(2)四片复合组合碟簧固有频率大于两片组合碟簧固有频率;(3)四片复合组合碟簧受约束后,能显著提高其共振频率值,且远大于钻柱固有频率和激励频率。
因此,在钻井过程中,采用多片碟簧组成碟簧组对井下工具进行减振处理,并对碟簧组进行预压缩,能有效提高碟簧组的共振频率值,从而能够避开钻柱固有频率和激励频率,保证碟簧组不会因钻柱振动而失效,使其起到对井下工具的减振作用。本文采用的四片复合组合碟簧组设计是合理的,能够满足对井下工具减振的要求。
摘要：在石油钻井中,钻头在破岩过程中会产生非常大的振动,如果没有做好减振措施,就会使井下工具承受巨大的轴向振动,从而导致井下工具破坏和失效。为了降低轴向振动对井下工具的影响,需要采用碟形弹簧减振。文中利用SolidWorks软件建立碟形弹簧模型,并运用有限元分析软件COSMOSworks对碟形弹簧进行模态分析,通过对比模态分析结果与钻柱振动数据,为碟形弹簧的结构设计提供参考依据。
关键词：碟形弹簧,轴向振动,固有频率,COSMOSWorks
参考文献
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模态综合 篇8
齿轮箱是一个多自由度的振动系统[1], 作为动车组的驱动部件, 也是动车组的关键部件, 其运转状况直接影响到整车的正常运行。而且其工作环境恶劣, 在工作时会受到外部激励[2], 产生振动, 承受较大的载荷[3]。同时, 齿轮作为齿轮箱的重要组成零件, 其在啮合过程中也会产生冲击[4], 冲击力通过轴及轴承最终传递到齿轮箱体上[5], 从而引起箱体的剧烈振动[6]。一旦啮合频率与齿轮箱箱体的固有频率吻合或接近, 齿轮箱就会产生共振效应[7], 这不仅影响齿轮的对中性[8], 也会加速齿轮箱的疲劳破坏[9], 故在设计齿轮箱时应避开共振效应。
模态分析技术是工程结构系统进行动力学分析的现代方法和手段[10,11]。对齿轮箱进行模态分析可为齿轮箱的动态特性、结构设计和性能评估提供一个强有力的工具;同时, 根据模态分析的结果可进行模态参数识别, 从而确定系统的模态固有频率、模态阻尼比及振型等。本研究以此对某型号的动车齿轮箱进行试验模态分析与有限元模态分析。
1 有限元模态分析原理
模态是机械结构的固有振动特性[12], 每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[13]。模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标, 然后解耦方程组得出结果[14]。齿轮箱箱体是一个连续的弹性体, 为典型的线性定常系统, 可视为小阻尼多自由度系统, 其振动微分方程为:
式中:M—质量矩阵, C—阻尼矩阵, K—刚度矩阵;
式 (1) 为有阻尼的n自由度系统的强迫振动微分方程, 阻尼对结构的固有频率和振型影响不大, 可以忽略阻尼作用, 无外力作用时, 则式 (1) 变为:
有非零解的充分必要条件是系数矩阵行列式等于零, 即特征方程:
求解特征方程, 即可得到系统的固有频率。
模态分析的目标是识别出系统的模态参数, 为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
2 有限元模态分析结果
由于笔者研究的是表征结构整体特性的结构模态特性, 故齿轮箱模型中的局部小特征对其影响较小, 因此, 在建立有限元模态分析模型时, 对某型号齿轮箱模型进行必要的简化。忽略齿轮箱箱体结合处的影响, 忽略箱体的倒角、圆角、进油孔、放油孔、螺栓孔等影响微小的局部区域结构。这样简化的建模过程不仅符合有限元建模的要求, 也不会对箱体重量和结构整体刚度产生大的影响, 同时也可以减少计算机的计算时间和计算耗费资源。
本研究采用三维软件Solid Edge建立齿轮箱三维实体模型, 进行必要的简化以后将模型导入到有限元分析软件ANSYS14.0 Workbench中, 利用其中的Modal模块对齿轮箱进行模态有限元分析, 得出其前12阶模态参数, 齿轮箱前口阶自由模态如表1所示。
从第7阶开始为箱体结构模态, 振型如图1 (a~f) 所示, 其中第1阶振型为箱体轴向振动, 第2阶振型为箱体弯曲振动, 第3阶振型为箱体轴向振动, 第4阶振型为箱体摆动, 第5阶振型为箱体膨胀, 第6阶振型为箱体膨胀扭转耦合。
3 试验模态原理
试验采用测量频响函数的方法来识别结构的模态参数, 即:在敲击激励下, 通过测量激励力f (t) 和系统的响应输出x (t) , 从而得到系统的频响函数:
式中:H () —频响函数;力与响应的互功率谱;力激励的自功率谱。
对于任意的粘性阻尼的多自由度系统, 其动力学微分方程为:
进行拉普拉斯变换得:
式中:
当s=j时, 系统的频响函数可表示为:
式中:槡1-ξi2;;模态阻尼比;固有频率;振型。
由式 (4) 得到的实测频响函数和式 (8) 频响函数的理论公式就可以确定结构的固有频率、阻尼比和振型。
4 试验模态过程
4.1 试验方案
本研究采用悬挂式锤击法, 用力锤提供脉冲激励, 采用单点激励多点响应的方式获取频响函数。具体测试模型如图2所示。
该实验用软绳吊起试件, 软绳的伸缩频率在20 Hz以下, 基本满足低于所测最低频率十分之一的要求, 可认为试件处于自由状态。
试验通过敲击法获得其频响函数, 共布置6个测点, 在试件径向布置4个加速度传感器, 轴向布置2个加速度传感器, 利用获得的频响函数对试件的模态参数进行识别。
4.2 激励点的选择
激励点的选择至关重要, 它关系到试验件模态振型的好坏。在试验前应对齿轮箱作动态特性的预分析, 预估试验件振型及固有频率, 根据分析结构、激励方式、模态试验方法和试验人员的经验来选择激励位置。
该试验激励按51个不同位置和不同方向的激励点分别进行, 激励点示意图如图3所示, 对每个激励点敲击2次。采集参数设置:分析频率2 048 Hz, 每帧点数2 048。
5 试验模态结果
经多种识别方法对比分析, 并排除局部模态影响, 最终给出该型号齿轮箱六阶模态参数如表2所示。
各阶模态振型如图4 (a~f) 所示。
其中, 第1阶振型为箱体轴向振动, 第2阶振型为箱体弯曲振动, 第3阶振型为箱体轴向振动, 第4阶振型为箱体摆动, 第5阶振型为箱体膨胀, 第6阶振型为箱体膨胀扭转耦合。与有限元模态分析结果是一致的。
6 有限元模态分析与试验模态分析结果
本研究对模态有限元分析方法结果与试验模态分析方法结果进行了对比, 其结果如表3所示。
7 结束语
本研究通过对某型号的动车齿轮箱进行试验模态分析和有限元模态分析, 得到如下结论:
(1) 通过箱体有限元模态分析的振型以及试验实测分析出的振型, 可以看出该型齿轮箱箱体的动态特性, 为之后其结构的改进优化提供了理论依据。
(2) 通过该型齿轮箱的有限元模态分析及试验模态分析的对比, 发现有限元模态分析方法的结果与试验模态分析方法的结果非常相近, 此举印证了有限元模态分析方法的可靠性, 为之后的分析工作提供了实验基础及依据。
摘要：针对动车组齿轮箱未达到强度破坏极限就已损坏的问题, 对动车组的驱动部件也是关键部件的齿轮箱进行有限元模态分析及试验模态分析, 提出基于试验模态分析方法上的有限元模态分析, 建立了试验模态分析方法的理论模型, 并利用齿轮箱的试验模态分析结果来验证齿轮箱有限元模态分析结果的可靠性。研究结果表明, 试验模态分析方法与有限元模态分析方法得出的结果非常相近, 印证了有限元模态分析方法的可靠性, 为掌握该型号齿轮箱的动态特性及优化该型号齿轮箱提供了理论及实验依据。
机床模态测试技术的应用 篇9
模态测试主要要解决三大类问题, 一是对机床建立合理有效的模型, 进行动态特性分析, 达到优化设计的目的。二是试验与理论分析相结合的组合结构分析, 以能如实反应机床的真实工况模型为基础, 分析机床的加工的稳定性, 改善产品的抗振性能, 对生产实践具有指导意义, 并提高经济效益[1]。三是在线监测, 对数控机床振动、压力、温度等状态信号的检测, 进一步对机床性能进行分析并进行故障的诊断。
1 机床模态测试技术的原理
1.1 机床的模态测试模型
根据振动理论, 一般假设为线性不变系统, 系统的响应可表示为各阶模态响应的线组合, 傅立叶变换后的动力学模型可表示为:
当系统只存在一点激励时, L点处的响应可表示为:
则测量点L与激励点P间的频响函数可表示为:
系统的传递函数矩阵为:
则可知由试验模态分分析中, 知传递函数矩阵的某一行或一列, 即可知系统的全部模态信息。
1.2 机床的加工稳定性模型
2 机床模态测试技术的实施
2.1 机床模态技术的测试系统
无论要解决哪类问题都得对机床实物建立机床的动力学模型, 一般都要用实验设备进行采样、数据分析, 进行模态参数实别, 得到所要的模态参数[2] (频率、刚度、阻尼) , 完成机床模型的建立, 从而进行机床进行动力学分析。
机床模态测试技术首先要明确解决的问题, 分析现有问题, 确定实验方案, 针对局部测试实验还是整机测试。常采用脉冲激励法, 即锤击法。常见的成套振动测试系统有丹麦的B&K、国内东方所的DASP等[3、4], 可根据自身的定位与要求购置合适的设备。选择与布置传感器、确定激振器 (力锤、电磁或电液等激振器) 和搭接机床-实验设备的测试系统。模态测试采用单点激振多点响应的方法, 加速度传感器依次布置在铣床的立柱、主轴箱、工作台和床身上, 连接数据采集分析系统和笔记本电脑, 分别测定对应不同工作转速状态下, 主轴箱、进给工作台等关键部位的响应情况, 组成的模态测试系统实验原理与装置见图1。根据实验方案, 完成数据采集、数据存储、测试数据分析与专用软件分析等工作, 获得各阶固有频率、阻尼比和振型等模态参数。
2.2 建模
根据要解决问题建立动力学模型, 或是建立动力学模型修正后的有限元模型, 对机床进行分析与研究。
对于在线监测, 主要有由分析软件完成采样数据分析处理的过程, 对机床运行状态数据进行长期的积累, 这些数据对未来的机床维护工作将起到重要作用。依据分析系统、软件与硬件的配备不同, 市场上与科研成院所有很多不同的产品。
3 结语
机床模态测试技术是综合运用线性振动理论、动态测试技术、信号处理方法和参数识别等手段, 进行系统辨识的过程。机床模态测试技术主要包括三方面内容:激励、测量和分析, 对机床实施激振力, 获得机床的频率响应函数, 经过分析计算获得机床的模态参数与振型, 从而建立机床的动力学模型, 对机床的动力学性能进行分析, 它是现在最常用到的一种机床模态测试技术, 对现在常用到的模态测试的原理进行了介绍, 对机床模态测试的流程进行了阐述。
参考文献
[1]孙孟琴, 王立臣.球头铣刀动力学模型及其铣削加工稳定性的研究[J].机床与液压, 2012, 40 (9) :52-54.
[2]Sun Mengqin.Key Points of Vibration Diagnosis Technology on-site Operation[J].Applied Mechanics and Materials, 2014, 3365 (602) :2210-2212.
[3]何俊杰.数控机床动态特性测试分析系统的研究与开发[D].武汉:华中科技大学, 2009.