درک آنالیز مودال

تعریف: آنالیز مودال چیست؟

آنالیز مودال فرآیند مطالعه و توصیف خواص دینامیکی ذاتی یک سازه یا سیستم مکانیکی است. این خواص - به طور خاص ... فرکانس‌های طبیعی, نسبت‌های میرایی، و شکل‌های حالت— به عنوان «پارامترهای مودال» سیستم شناخته می‌شوند. تحلیل مودال، روش‌های منحصر به فردی را تعیین می‌کند که یک سازه در صورت تحریک، به طور طبیعی تمایل به ارتعاش خواهد داشت. این اطلاعات برای طراحی سازه‌هایی که می‌توانند در برابر نیروهای دینامیکی مقاومت کنند، و همچنین برای عیب‌یابی و حل مسائل پیچیده ارتعاش، اساسی است.

هدف: شناسایی پارامترهای مودال

هر سازه دارای مجموعه‌ای منحصر به فرد از پارامترهای مودال است که توسط خواص فیزیکی آن (جرم، سختی و میرایی) تعیین می‌شوند. هدف از آنالیز مودال شناسایی این موارد است:

• فرکانس‌های طبیعی (یا فرکانس‌های رزونانس): اینها فرکانس‌های خاصی هستند که سازه هنگام تحریک با بیشترین دامنه ارتعاش می‌کند. برای هر سازه‌ای چندین فرکانس طبیعی وجود دارد.
• نسبت‌های میرایی: این پارامتر سرعت کاهش ارتعاشات سازه را کمّی می‌کند. این پارامتر معیاری از اتلاف انرژی در سازه است.
• شکل‌های حالت: شکل مود، الگوی خاصی از تغییر شکل یا انحراف است که سازه هنگام ارتعاش در یکی از فرکانس‌های طبیعی خود، متحمل می‌شود. هر فرکانس طبیعی یک شکل مود متناظر منحصر به فرد دارد.

با شناسایی این پارامترها، مهندسان می‌توانند به طور کامل درک و پیش‌بینی کنند که چگونه یک سازه به هرگونه بار دینامیکی که ممکن است در طول بهره‌برداری با آن مواجه شود، پاسخ خواهد داد.

انواع آنالیز مودال

دو رویکرد اصلی برای تعیین پارامترهای مودال یک سازه وجود دارد:

۱. آنالیز مودال تجربی (EMA)

EMA که با نام «آزمایش ضربه» نیز شناخته می‌شود، شامل اندازه‌گیری پاسخ سازه به یک نیروی ورودی شناخته شده و کنترل شده است. این روش رایج‌ترین روش برای آزمایش سخت‌افزارهای دنیای واقعی است. این فرآیند شامل موارد زیر است:

1. تحریک سازه با نیروی اندازه‌گیری شده، معمولاً از یک چکش ضربه‌ای ابزار دقیق (که در نوک خود یک حسگر نیرو دارد) یا یک شیکر الکترودینامیکی.
2. اندازه‌گیری پاسخ ارتعاش در یک یا چند نقطه از سازه با استفاده از شتاب‌سنج‌ها.
3. محاسبه تابع پاسخ فرکانسی (FRF) برای هر نقطه اندازه‌گیری، که نسبت ارتعاش خروجی به نیروی ورودی است.
4. استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی برای تحلیل مجموعه FRFها جهت استخراج فرکانس‌های طبیعی، میرایی و شکل مودها. سپس نرم‌افزار می‌تواند شکل مودها را متحرک‌سازی کند تا نحوه تغییر شکل سازه در هر فرکانس طبیعی را به تصویر بکشد.

۲. آنالیز مودال عملیاتی (OMA)

OMA زمانی استفاده می‌شود که اعمال نیروی ورودی کنترل‌شده غیرعملی یا غیرممکن باشد، یا زمانی که درک رفتار سازه تحت شرایط عملیاتی واقعی مهم باشد. در OMA، تنها پاسخ خروجی سازه (با استفاده از شتاب‌سنج‌ها) اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که توسط نیروهای عملیاتی یا محیطی عادی خود (مثلاً باد روی پل، ورودی‌های جاده روی ماشین یا نیروهای عملیاتی در یک دستگاه در حال کار) تحریک می‌شود. سپس از الگوریتم‌های پیشرفته برای استخراج پارامترهای مودال از داده‌های فقط پاسخ استفاده می‌شود. این یک رویکرد پیچیده‌تر اما گاهی اوقات ضروری است.

۳. آنالیز مودال تحلیلی (FEA)

این یک رویکرد کاملاً نظری با استفاده از مدل‌های کامپیوتری است که معمولاً تحلیل المان محدود (FEA)مهندسان یک مدل مجازی از سازه ایجاد می‌کنند و نرم‌افزار پارامترهای مودال پیش‌بینی‌شده را محاسبه می‌کند. EMA اغلب برای اعتبارسنجی و اصلاح دقت این مدل‌های FEA انجام می‌شود.

کاربردهای آنالیز مودال

• عیب‌یابی مشکلات رزونانس: رایج‌ترین کاربرد آن. اگر یک ماشین ارتعاش بالایی داشته باشد، آنالیز مودال می‌تواند تعیین کند که آیا فرکانس طبیعی سازه توسط یک نیروی عملیاتی تحریک می‌شود یا خیر.
• اعتبارسنجی طراحی: مهندسان از آن برای تأیید اینکه فرکانس‌های طبیعی یک محصول جدید به هیچ فرکانس تحریک شناخته‌شده‌ای (مثلاً دور موتور، فرکانس عبور پره) نزدیک نیست، استفاده می‌کنند.
• اصلاح ساختاری: اگر مشکل رزونانس پیدا شود، می‌توان از مدل مودال برای انجام تحلیل‌های «چه می‌شود اگر» استفاده کرد تا موثرترین راه برای رفع آن تعیین شود (مثلاً «برای افزایش این فرکانس طبیعی، کجا باید یک تقویت‌کننده اضافه کنم؟»).
• پایش سلامت سازه: تغییرات در پارامترهای مودال یک سازه در طول زمان می‌تواند نشان‌دهنده وجود آسیب‌هایی مانند ترک باشد.

← بازگشت به فهرست اصلی