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褚教授課程筆記 | 工作變形分析（Operating Deflection Shapes, ODS）

2025-04-09 12:21:51·  來源：HBK聲學與振動  
　

上篇筆記中，我們主要介紹了結構動力學簡介，包括測試、仿真、測試-有限元集成等。在本篇筆記中，我們將圍繞工作變形分析（ODS）的定義、特點及類型展開介紹。


工作變形分析簡介

作用

工作變形分析（ODS）用于確定和可視化運行條件下結構振動模式，也就是如何獲得強迫振型的一個途徑。運行條件包括轉速，載荷，溫度，壓力，流量，......


分類

  • 穩(wěn)態(tài)
  • 準穩(wěn)態(tài)（速度或者激勵水平輕微變化、升/降速）
  • 瞬態(tài)


    • ODS針對汽車行業(yè)，上述三類分別對應于：

  • 穩(wěn)態(tài)：轉速/車速是穩(wěn)定的，比如發(fā)動機穩(wěn)定運轉時的ODS
  • 瞬態(tài)：比如像關門時的車門ODS
  • 準穩(wěn)態(tài)：比如汽車在加減速或者發(fā)動機在升降速時發(fā)動機的ODS，通常作為準穩(wěn)態(tài)來處理，它既不是穩(wěn)態(tài)，但它往往采用穩(wěn)態(tài)的方式來分析對應不同速度片段的數據塊進而構成一個完整的加減速或者升降速過程，它也不是嚴格意義上的瞬態(tài)，因為嚴格意義上的瞬態(tài)只考慮一個數據塊，而準穩(wěn)態(tài)考慮若干個數據塊。


    • 結果

  • 不同頻率/階次的強迫振型動畫或列表
  • 不同時刻的變形動畫或列表


    • ODS分析可以回答如下問題 

    通過ODS我們能夠回答用戶結構究竟是如何振動的？某一個點或者某一個自由度的絕對運動大小是多少？相對于其他的點或者其他的自由度，相對的運動大小又是如何？需注意的是，ODS除了像模態(tài)分析那樣關注各自由度之間的相對大小，亦呈現各自由度的絕對大小，這與模態(tài)分析是不一樣的。

    下圖是典型頻率下的強迫振動響應，即該頻率下的工作變形。

    圖片


    工作變形分析ODS的特點

    可視化結構的強迫振動響應（強迫振型）

    沒有線性模型假設

    沒有輸入載荷假設

    實際工作載荷

    真實邊界條件

    基于單一參考

    屬于信號分析，而非系統分析，故而沒有模態(tài)模型，亦無法準確預測其它工作條件下的響應

    圖片


    類型一：時域ODS 

  • 分析頻率范圍的工作變形被描述為時間的函數
  • 包括分析頻率范圍內的所有頻率，給出“整體”振動模式
  • 通常，所有DOF都是同時測量的，因為重復相同的測量條件通常難以實現
  • 分析瞬態(tài)現象，例如關門、爆炸、發(fā)射和射擊以及碰撞沖擊
  • 非線性系統分析和頻率變化分析，例如發(fā)動機急升/降速


    • 對于瞬態(tài)或時域工作變形分析，通常要求所有自由度須同時測量，因為不同次測量之間的時間歷程表征是不一樣的，條件是不一樣的，結果將來會差異非常大。

    下圖是一個典型的時域工作變形，大家可以看到測量到每一個自由度的時間歷程，對它進行時間歷程的動畫就可以得到結果，但是要提醒大家的是，該動畫結果包含了若干頻率成分。

    圖片


    類型二：頻域ODS

  • 用于確定特定頻率或階次分量的振動模式
  • 分析運行在某一固定轉速或者（由于工作條件改變引起的）微變化轉速條件下的對象
  • 離散頻率點（穩(wěn)定工況）或階次分量（速度略有變化的準穩(wěn)態(tài)工況）的ODS
  • DOF可以同時或分批測量


    • 第二個非常重要且常用的是頻域ODS或階次域ODS，用于確定特定頻率或階次分量的振動模式，可以分批測量，減少對測量系統的要求。


    下圖是一個船上的應用案例，我們通過ODS之后，能夠看到兩個發(fā)動機部件的相對運動情況，進而能夠知道如何改進。

    圖片


    類型三：升/降速ODS 

  • 特定階次分量的振動模式被表示為轉速的函數
  • 輸出階次分量ODS vs. RPM（預切片或后切片）
  • DOF可以同時或分批測量
  • 分析與旋轉機械相關的振動行為


    • 圖片

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