漢航NTS.LAB Link相關性分析軟件模塊

架起有限元仿真與試驗的橋梁

1、模態(tài)相關性分析的基本原理

模態(tài)相關性分析通常包含兩大方面內(nèi)容：模型匹配（可稱為模型的相關性分析）、模態(tài)振型的相關性分析（簡稱為模態(tài)相關性分析）。此外，為了應對 模型修正中頻響函數(shù)靈敏分析的需要，還包含頻響函數(shù)相關性分析。其中：

（1）模型匹配是指通過旋轉(zhuǎn)、縮放等坐標變換方法，將測試幾何模型和有限元網(wǎng)格模型進行模型對齊，通過最小二乘、幾何拓撲等算法在有限元網(wǎng)格的模型中搜尋與測點臨近的頂點編號和坐標；

（2）模態(tài)相關性分析是指在模型匹配的基礎上，通過計算測試-有限元分析的模態(tài)振型之間的模態(tài)振型相關系數(shù)，用來表征兩個模型之間的模態(tài)振型相似程度。其中模態(tài)系數(shù)振型相關系數(shù)，也被稱為模態(tài)置信準則（Modal Assurance Criterion，MAC），其基本思想是假設結(jié)構(gòu)質(zhì)量近似均勻分布，則結(jié)構(gòu)的振型具有不加權(quán)的正交性。

振型相關系數(shù)是一個介于0～1之間的標量。當MAC值為1時，代表兩個振型相關，為同一模態(tài)；當MAC值為0時，代表兩個振型之間線性無關。在工程應用中，當MAC矩陣的對角元素≥70％，非對角元素≤10％時即可認為兩個模型之間存在較好的相關性。

（3）頻響函數(shù)相關性分析具有量化仿真分析和試驗測試對應頻響函數(shù)的整體和局部差異的能力。常用的頻響函數(shù)相關性評價指標包括頻響函數(shù)形狀相關系數(shù)（FSAC）、頻響函數(shù)幅值相關系數(shù)（FAAC）等。頻響函數(shù)的形狀相關系數(shù)和幅值相關系數(shù)的定義則與模態(tài)振型相關性分析中的模態(tài)置信準則和模態(tài)比例因子的定義相類似，具體定義如下：

2、漢航NTS.LAB Link的相關分析模塊

NTS.LAB Link軟件的相關性分析模塊包含模型相關性分析、模態(tài)相關性分析和頻響函數(shù)相關性分析。其中模型相關性分析（模型匹配）是后兩種分析方法的前提條件。

（1）模型相關性分析

NTS.LAB Link支持通過旋轉(zhuǎn)、縮放、平移和坐標映射四種坐標方式變換方法，完成測試模型與有限元模型的模型對齊和節(jié)點匹配，如圖1和圖2所示。

圖1 模型匹配中的縮放和平移參數(shù)設置

圖2 模型匹配中的旋轉(zhuǎn)和坐標映射參數(shù)設置

NTS.LAB Link具有完善的模型匹配結(jié)果圖表顯示功能，通過圖表可以很清晰地查看測試模型-有限元模型的節(jié)點對應情況。

圖3 模型匹配結(jié)果圖表顯示

（2）模態(tài)相關性分析

NTS.LAB Link支持自動和手動模態(tài)匹配兩種模式，具有應對中心對稱模型的模態(tài)振型匹配算法。

圖4 模態(tài)手動匹配對話框

NTS.LAB Link除了給出各階測試-有限元的模態(tài)頻率匹配和振型相關性系數(shù)外，還擁有出色的三維振型對比顯示功能，使模態(tài)相關性的優(yōu)劣性一目了然。

圖5 模態(tài)振型匹配對比顯示

（3）頻響相關性分析

NTS.LAB Link 支持頻響函數(shù)的幅值相關性分析和形狀相關性分析。

圖6 頻響函數(shù)相關性分析中模態(tài)頻率點對應云圖

3、相關性分析的意義和應用背景

由于邊界條件、材料屬性和連接的不確定性，導致有限元模型計算結(jié)果和試驗測試結(jié)果之間不可避免地存在差異，若兩者差異較大則認為有限元模型的計算結(jié)果不可信，相關性分析是衡量這種差異的重要手段。

模態(tài)相關性分析通過計算試驗與有限元模態(tài)頻率存在的偏差和振型之間的匹配程度，來量化有限元建模誤差，從而達到檢查有限元計算結(jié)果的優(yōu)劣。因此，模態(tài)相關性分析的主要工程應用有：

（1）檢驗和確認有限元模型建模的可信度，工程師經(jīng)常采用模態(tài)相關性分析檢查有限元模型的計算結(jié)果能否與試驗結(jié)果 “對的上”；

（2）由于具有量化有限元建模誤差的功能，模態(tài)相關性分析也是模型修正、模型修改技術(shù)中重要的一環(huán)。

試驗模態(tài)分析具有非常廣泛的實用價值。模態(tài)分析可以幫助設計人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)，為避免結(jié)構(gòu)共振提供改進方向，并指導工程師預測在不同載荷作用下的振動形式。

v  驗證有限元模型準確度

v  評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動態(tài)特性

v  對結(jié)構(gòu)危險部分進行預判

試驗模態(tài)分析應用廣泛，其重要應用之一就是為有限元模型修正提供準確的結(jié)構(gòu)動力學試驗數(shù)據(jù)，而決定有限元模型有無必要修正、如何修正則需要經(jīng)過模態(tài)相關性分析才能確定。