Comprensión del análisis modal

Definición: ¿Qué es el análisis modal?

Análisis modal es el proceso de estudiar y caracterizar las propiedades dinámicas inherentes de una estructura o sistema mecánico. Estas propiedades, específicamente sus frecuencias naturales, relaciones de amortiguamiento, y formas modales—se conocen como los "parámetros modales" del sistema. El análisis modal determina las formas únicas en que una estructura tenderá naturalmente a vibrar al ser excitada. Esta información es fundamental para diseñar estructuras que soporten fuerzas dinámicas, así como para diagnosticar y resolver problemas complejos de vibración.

El objetivo: identificar parámetros modales

Cada estructura tiene un conjunto único de parámetros modales, determinados por sus propiedades físicas (masa, rigidez y amortiguamiento). El objetivo del análisis modal es identificarlos:

• Frecuencias naturales (o frecuencias resonantes): Estas son las frecuencias específicas a las que la estructura vibrará con la mayor amplitud al ser excitada. Existen múltiples frecuencias naturales para cualquier estructura.
• Relaciones de amortiguamiento: Este parámetro cuantifica la rapidez con la que se disipan las vibraciones de la estructura. Es una medida de la disipación de energía dentro de la estructura.
• Formas de moda: Una forma modal es el patrón específico de deformación o deflexión que experimenta la estructura al vibrar a una de sus frecuencias naturales. Cada frecuencia natural tiene una forma modal única correspondiente.

Al identificar estos parámetros, los ingenieros pueden comprender y predecir completamente cómo responderá una estructura a cualquier carga dinámica que pueda encontrar durante su operación.

Tipos de análisis modal

Hay dos enfoques principales para determinar los parámetros modales de una estructura:

1. Análisis modal experimental (EMA)

La EMA, también conocida como "prueba de impacto", consiste en medir la respuesta de la estructura a una fuerza de entrada conocida y controlada. Es el método más común para probar hardware en condiciones reales. El proceso implica:

1. Excitar la estructura con una fuerza medida, normalmente desde un martillo de impacto instrumentado (que tiene un sensor de fuerza en su punta) o un agitador electrodinámico.
2. Medición de la respuesta de vibración en una o más ubicaciones de la estructura utilizando acelerómetros.
3. Calculando el Función de respuesta de frecuencia (FRF) para cada punto de medición, que es la relación entre la vibración de salida y la fuerza de entrada.
4. Se utiliza software especializado para analizar el conjunto de FRF y extraer las frecuencias naturales, la amortiguación y las formas modales. El software puede animar las formas modales para visualizar cómo se deforma la estructura en cada frecuencia natural.

2. Análisis modal operacional (OMA)

El OMA se utiliza cuando resulta impráctico o imposible aplicar una fuerza de entrada controlada, o cuando es importante comprender el comportamiento de la estructura en condiciones operativas reales. En el OMA, solo se mide la respuesta de salida de la estructura (mediante acelerómetros) mientras se excita con sus fuerzas operativas o ambientales normales (p. ej., el viento en un puente, las fuerzas de la carretera en un automóvil o las fuerzas operativas en una máquina en marcha). Posteriormente, se utilizan algoritmos avanzados para extraer los parámetros modales de los datos de solo respuesta. Este es un enfoque más complejo, pero a veces necesario.

3. Análisis modal analítico (FEA)

Se trata de un enfoque puramente teórico que utiliza modelos informáticos, más comúnmente Análisis de elementos finitos (FEA)Los ingenieros crean un modelo virtual de la estructura y el software calcula los parámetros modales previstos. El análisis de elementos finitos (EMA) se utiliza con frecuencia para validar y refinar la precisión de estos modelos.

Aplicaciones del análisis modal

• Solución de problemas de resonancia: Su aplicación más común. Si una máquina presenta alta vibración, el análisis modal puede determinar si una frecuencia natural estructural está siendo excitada por una fuerza operativa.
• Validación del diseño: Los ingenieros lo utilizan para confirmar que las frecuencias naturales de un nuevo producto no estén cerca de ninguna frecuencia de excitación conocida (por ejemplo, RPM del motor, frecuencia de paso de las palas).
• Modificación estructural: Si se encuentra un problema de resonancia, el modelo modal se puede utilizar para realizar análisis hipotéticos para determinar la forma más efectiva de solucionarlo (por ejemplo, "¿Dónde debería agregar un refuerzo para aumentar esta frecuencia natural?").
• Monitoreo de la salud estructural: Los cambios en los parámetros modales de una estructura a lo largo del tiempo pueden indicar la presencia de daños, como una grieta.

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