Разбиране на модалния анализ

Определение: Какво е модален анализ?

Модален анализ е процес на изучаване и характеризиране на присъщите динамични свойства на дадена структура или механична система. Тези свойства – по-специално нейните естествени честоти, коефициенти на затихванеи форми на режима—са известни като „модални параметри“ на системата. Модалният анализ определя уникалните начини, по които дадена структура естествено ще вибрира, ако е възбудена. Тази информация е от основно значение за проектирането на структури, които могат да издържат на динамични сили, както и за отстраняване на неизправности и решаване на сложни вибрационни проблеми.

Целта: Идентифициране на модални параметри

Всяка структура има уникален набор от модални параметри, които се определят от нейните физични свойства (маса, твърдост и затихване). Целта на модалния анализ е да идентифицира тези:

• Собствени честоти (или резонансни честоти): Това са специфичните честоти, при които структурата ще вибрира с най-голяма амплитуда, когато е възбудена. Има множество собствени честоти за всяка дадена структура.
• Коефициенти на затихване: Този параметър определя количествено колко бързо ще затихнат вибрациите на структурата. Той е мярка за разсейване на енергия в рамките на структурата.
• Форми на режима: Формата на мода е специфичният модел на деформация или отклонение, който структурата претърпява, когато вибрира на една от собствените си честоти. Всяка собствена честота има уникална съответстваща форма на мода.

Чрез идентифициране на тези параметри, инженерите могат напълно да разберат и предскажат как дадена конструкция ще реагира на всяко динамично натоварване, с което може да се сблъска по време на експлоатация.

Видове модален анализ

Има два основни подхода за определяне на модалните параметри на дадена структура:

1. Експериментален модален анализ (EMA)

EMA, известен още като „тест за ударна устойчивост“, включва измерване на реакцията на конструкцията на известна, контролирана входна сила. Това е най-разпространеният метод за тестване на хардуер в реалния свят. Процесът включва:

1. Възбуждане на структурата с измерена сила, обикновено от инструментален ударен чук (който има сензор за сила на върха си) или електродинамичен шейкър.
2. Измерване на вибрационния отговор на едно или повече места върху конструкцията с помощта на акселерометри.
3. Изчисляване на Функция за честотна характеристика (FRF) за всяка точка на измерване, което е съотношението на изходната вибрация към входната сила.
4. Използване на специализиран софтуер за анализ на набора от FRF (честотни честотни характеристики), за да се извлекат собствените честоти, затихването и формите на режимите. Софтуерът може след това да анимира формите на режимите, за да визуализира как структурата се деформира при всяка собствена честота.

2. Оперативен модален анализ (ОМА)

OMA се използва, когато е непрактично или невъзможно да се приложи контролирана входна сила или когато е важно да се разбере поведението на конструкцията при реални експлоатационни условия. При OMA се измерва само изходният отговор на конструкцията (с помощта на акселерометри), докато тя се възбужда от нормалните си оперативни или околни сили (напр. вятър върху мост, пътни въздействия върху автомобил или оперативни сили в работеща машина). След това се използват усъвършенствани алгоритми за извличане на модалните параметри от данните само за отговора. Това е по-сложен, но понякога необходим подход.

3. Аналитичен модален анализ (FEA)

Това е чисто теоретичен подход, използващ компютърни модели, най-често Анализ на крайните елементи (FEA)Инженерите създават виртуален модел на конструкцията, а софтуерът изчислява прогнозираните модални параметри. EMA често се извършва за валидиране и прецизиране на точността на тези FEA модели.

Приложения на модалния анализ

• Отстраняване на проблеми с резонанса: Най-честото му приложение. Ако машината има високи вибрации, модалният анализ може да определи дали структурна естествена честота се възбужда от работна сила.
• Валидиране на дизайна: Инженерите го използват, за да потвърдят, че собствените честоти на новия продукт не са близки до никоя от известните честоти на възбуждане (напр. обороти на двигателя, честота на преминаване на лопатките).
• Структурна модификация: Ако се открие проблем с резонанса, модалният модел може да се използва за извършване на анализи „какво-ако“, за да се определи най-ефективният начин за отстраняването му (напр. „Къде трябва да добавя усилващ елемент, за да преместя тази естествена честота по-високо?“).
• Мониторинг на структурното състояние: Промените в модалните параметри на конструкцията с течение на времето могат да показват наличието на повреди, като например пукнатина.

← Обратно към основния индекс