モーダル解析の理解

定義: モーダル解析とは何ですか?

モーダル解析 構造物や機械システムの固有の動的特性を研究し、特徴付けるプロセスです。これらの特性、特に 固有振動数, 減衰比、 そして モード形状これらはシステムの「モーダルパラメータ」と呼ばれます。モーダル解析は、構造物が励起された際に自然にどのように振動するかを独自に決定します。この情報は、動的な力に耐える構造物の設計、そして複雑な振動問題のトラブルシューティングと解決に不可欠です。

目標: モーダルパラメータの特定

あらゆる構造物には、その物理的特性（質量、剛性、減衰）によって決定される固有のモーダルパラメータセットがあります。モーダル解析の目的は、これらを特定することです。

• 固有周波数（または共振周波数）: これらは、構造物が励起された際に最大振幅で振動する特定の周波数です。特定の構造物には複数の固有振動数が存在します。
• 減衰比: このパラメータは、構造物の振動がどれだけ速く減衰するかを定量化します。これは、構造物内のエネルギー消散の指標です。
• モード形状: モード形状とは、構造物が固有振動数のいずれかで振動する際に生じる変形またはたわみの特定のパターンです。各固有振動数には、対応する固有のモード形状が存在します。

これらのパラメータを特定することで、エンジニアは、動作中に発生する可能性のある動的負荷に対して構造物がどのように反応するかを完全に理解し、予測することができます。

モーダル解析の種類

構造のモードパラメータを決定するには、主に 2 つのアプローチがあります。

1. 実験モード解析（EMA）

EMA（別名「バンプテスト」）は、既知の制御された入力力に対する構造物の応答を測定するものです。これは、実世界のハードウェアをテストする最も一般的な方法です。プロセスは以下のとおりです。

1. 測定された力で構造物を励起する。通常は、 計装インパクトハンマー （先端に力センサーが付いている）または 電気力学的シェーカー.
2. 加速度計を使用して、構造物の 1 つ以上の場所での振動応答を測定します。
3. 計算 周波数応答関数（FRF） 各測定点における出力振動と入力力の比です。
4. 専用ソフトウェアを用いてFRFセットを解析し、固有振動数、減衰、モード形状を抽出します。その後、ソフトウェアはモード形状をアニメーション化し、各固有振動数における構造物の変形を視覚化します。

2. 実稼働モード解析（OMA）

OMAは、制御された入力力を加えることが現実的または不可能な場合、あるいは実際の動作条件下での構造物の挙動を理解することが重要な場合に使用されます。OMAでは、構造物が通常の動作力または周囲力（例：橋梁の風、車両への路面からの入力、走行中の機械の動作力）によって励起されている状態で、加速度計を用いて出力応答のみを測定します。その後、高度なアルゴリズムを用いて、応答のみのデータからモーダルパラメータを抽出します。これはより複雑なアプローチですが、場合によっては必要となることもあります。

3. 解析的モーダル解析（FEA）

これは、コンピュータモデルを使用した純粋に理論的なアプローチであり、最も一般的なものは 有限要素解析（FEA）エンジニアは構造物の仮想モデルを作成し、ソフトウェアが予測モーダルパラメータを計算します。これらのFEAモデルの精度を検証および改良するために、EMAが頻繁に実行されます。

モーダル解析の応用

• 共鳴問題のトラブルシューティング: 最も一般的な用途です。機械の振動が大きい場合、モーダル解析によって、構造の固有振動数が動作力によって励起されているかどうかを判断できます。
• 設計検証: エンジニアはこれを使用して、新製品の固有振動数が既知の励起周波数 (エンジン RPM、ブレード通過周波数など) に近くないことを確認します。
• 構造変更: 共振の問題が見つかった場合は、モーダル モデルを使用して「what-if」解析を実行し、最も効果的な修正方法を決定できます (例: 「この固有振動数を上げるには、どこに補強材を追加すればよいですか?」)。
• 構造ヘルスモニタリング: 構造のモードパラメータの経時的変化は、亀裂などの損傷の存在を示している可能性があります。

← メインインデックスに戻る