فهم التحليل النمطي

التعريف: ما هو التحليل النمطي؟

التحليل النمطي هي عملية دراسة وتوصيف الخصائص الديناميكية الكامنة لهيكل أو نظام ميكانيكي. هذه الخصائص - وتحديدًا الترددات الطبيعية, نسب التخميد، و أشكال الوضعتُعرف هذه المتغيرات باسم "المعلمات النمطية" للنظام. يُحدد تحليل الأنماط الطرق الفريدة التي يميل بها الهيكل طبيعيًا إلى الاهتزاز عند إثارته. تُعد هذه المعلومات أساسية لتصميم هياكل قادرة على تحمل القوى الديناميكية، بالإضافة إلى استكشاف الأخطاء وإصلاحها وحل مشاكل الاهتزاز المعقدة.

الهدف: تحديد المعلمات النموذجية

لكل هيكل مجموعة فريدة من معايير النموذج، تُحددها خصائصه الفيزيائية (الكتلة، والصلابة، والتخميد). يهدف تحليل النموذج إلى تحديد هذه المعايير:

• الترددات الطبيعية (أو الترددات الرنانة): هذه هي الترددات المحددة التي يهتز بها الهيكل بأقصى سعة عند إثارته. هناك عدة ترددات طبيعية لأي هيكل.
• نسب التخميد: يُحدد هذا المُعامل سرعة تراجع اهتزازات الهيكل، وهو مقياس لمدى تبديد الطاقة داخل الهيكل.
• أشكال الوضع: شكل الوضع هو نمط التشوه أو الانحراف الذي يتعرض له الهيكل عند اهتزازه عند أحد تردداته الطبيعية. لكل تردد طبيعي شكل وضع فريد يقابله.

ومن خلال تحديد هذه المعلمات، يمكن للمهندسين أن يفهموا ويتنبأوا بشكل كامل بكيفية استجابة الهيكل لأي حمل ديناميكي قد يواجهه أثناء التشغيل.

أنواع التحليل النمطي

هناك طريقتان رئيسيتان لتحديد المعلمات النموذجية للهيكل:

1. التحليل النموذجي التجريبي (EMA)

اختبار EMA، المعروف أيضًا باسم "اختبار الصدمات"، هو اختبار استجابة الهيكل لقوة دخل معروفة ومُتحكم بها. وهو الطريقة الأكثر شيوعًا لاختبار الأجهزة العملية. تتضمن العملية ما يلي:

1. إثارة الهيكل بقوة محددة، عادةً من مطرقة تأثير آلية (الذي يحتوي على مستشعر قوة في طرفه) أو هزاز كهروديناميكي.
2. قياس استجابة الاهتزاز في موقع واحد أو أكثر على الهيكل باستخدام أجهزة قياس التسارع.
3. حساب دالة الاستجابة للتردد (FRF) لكل نقطة قياس، وهي نسبة الاهتزاز الناتج إلى القوة الداخلة.
4. باستخدام برنامج متخصص لتحليل مجموعة FRFs لاستخراج الترددات الطبيعية، والتخميد، وأشكال الأنماط. بعد ذلك، يُفعّل البرنامج أشكال الأنماط لتصور كيفية تشوه الهيكل عند كل تردد طبيعي.

2. تحليل النماذج التشغيلية (OMA)

يُستخدم تحليل OMA عندما يكون تطبيق قوة دخل مُتحكَّم بها غير عملي أو مستحيل، أو عندما يكون من الضروري فهم سلوك الهيكل في ظل ظروف التشغيل الفعلية. في تحليل OMA، تُقاس استجابة خرج الهيكل فقط (باستخدام مقاييس التسارع) أثناء إثارته بقوى تشغيلية أو محيطية عادية (مثل: الرياح على جسر، أو مدخلات الطريق على سيارة، أو القوى التشغيلية في آلة تعمل). ثم تُستخدم خوارزميات متقدمة لاستخراج المعلمات النمطية من بيانات الاستجابة فقط. يُعد هذا النهج أكثر تعقيدًا، ولكنه ضروري في بعض الأحيان.

3. التحليل النمطي التحليلي (FEA)

هذا هو نهج نظري بحت يستخدم نماذج الكمبيوتر، والأكثر شيوعًا تحليل العناصر المحدودة (FEA)يُنشئ المهندسون نموذجًا افتراضيًا للهيكل، ويحسب البرنامج المعلمات النموذجية المتوقعة. غالبًا ما يُجرى تحليل العناصر المحدودة (EMA) للتحقق من صحة نماذج تحليل العناصر المحدودة (FEA) وتحسين دقتها.

تطبيقات التحليل النمطي

• استكشاف مشاكل الرنين وإصلاحها: تطبيقه الأكثر شيوعًا. إذا كانت الآلة ذات اهتزاز عالٍ، يُمكن للتحليل النمطي تحديد ما إذا كانت قوة التشغيل تُثير ترددًا طبيعيًا هيكليًا.
• التحقق من صحة التصميم: يستخدم المهندسون هذه التقنية للتأكد من أن الترددات الطبيعية للمنتج الجديد لا تقترب من أي ترددات إثارة معروفة (على سبيل المثال، سرعة دوران المحرك في الدقيقة، وتردد مرور الشفرة).
• التعديل الهيكلي: إذا تم العثور على مشكلة رنين، يمكن استخدام النموذج النمطي لإجراء تحليلات "ماذا لو" لتحديد الطريقة الأكثر فعالية لإصلاحها (على سبيل المثال، "أين يجب أن أضيف مقويًا لتحريك هذا التردد الطبيعي إلى أعلى؟").
• مراقبة الصحة الهيكلية: يمكن أن تشير التغييرات في معلمات نموذج الهيكل بمرور الوقت إلى وجود ضرر، مثل الشق.

← العودة إلى الفهرس الرئيسي