Modale analyse begrijpen

Definitie: Wat is modale analyse?

Modale analyse is het proces van het bestuderen en karakteriseren van de inherente dynamische eigenschappen van een structuur of mechanisch systeem. Deze eigenschappen – specifiek de natuurlijke frequenties, dempingsverhoudingen, En modevormen— staan bekend als de "modale parameters" van het systeem. Modale analyse bepaalt de unieke manieren waarop een constructie van nature de neiging heeft te trillen bij excitatie. Deze informatie is essentieel voor het ontwerpen van constructies die dynamische krachten kunnen weerstaan, en voor het oplossen van complexe trillingsproblemen.

Het doel: modale parameters identificeren

Elke constructie heeft een unieke set modale parameters die worden bepaald door de fysieke eigenschappen (massa, stijfheid en demping). Het doel van modale analyse is om deze te identificeren:

• Natuurlijke frequenties (of resonantiefrequenties): Dit zijn de specifieke frequenties waarbij de constructie bij excitatie met de grootste amplitude trilt. Er zijn meerdere natuurlijke frequenties voor elke constructie.
• Dempingsverhoudingen: Deze parameter kwantificeert hoe snel de trillingen van de constructie afnemen. Het is een maat voor de energiedissipatie binnen de constructie.
• Modusvormen: Een modale vorm is het specifieke patroon van vervorming of afbuiging dat de constructie ondergaat bij trillingen op een van haar eigen frequenties. Elke eigen frequentie heeft een unieke corresponderende modale vorm.

Door deze parameters te identificeren, kunnen ingenieurs volledig begrijpen en voorspellen hoe een constructie zal reageren op een dynamische belasting die tijdens de werking kan optreden.

Soorten modale analyse

Er zijn twee primaire benaderingen om de modale parameters van een structuur te bepalen:

1. Experimentele modale analyse (EMA)

EMA, ook wel bekend als een "bumptest", meet de respons van de constructie op een bekende, gecontroleerde invoerkracht. Het is de meest gebruikte methode voor het testen van hardware in de praktijk. Het proces omvat:

1. Het opwekken van de constructie met een gemeten kracht, meestal van een geïnstrumenteerde impacthamer (die een krachtsensor in de punt heeft) of een elektrodynamische schudder.
2. Het meten van de trillingsrespons op een of meer plaatsen op de constructie met behulp van accelerometers.
3. Het berekenen van de Frequentieresponsfunctie (FRF) voor elk meetpunt, wat de verhouding is tussen de uitgaande trilling en de ingaande kracht.
4. Met behulp van gespecialiseerde software worden de FRF's geanalyseerd om de natuurlijke frequenties, demping en modusvormen te extraheren. De software kan vervolgens de modusvormen animeren om te visualiseren hoe de structuur bij elke natuurlijke frequentie vervormt.

2. Operationele modale analyse (OMA)

OMA wordt gebruikt wanneer het onpraktisch of onmogelijk is om een gecontroleerde invoerkracht toe te passen, of wanneer het belangrijk is om het gedrag van de constructie onder werkelijke bedrijfsomstandigheden te begrijpen. Bij OMA wordt alleen de uitvoerrespons van de constructie gemeten (met behulp van accelerometers) terwijl deze wordt geactiveerd door de normale operationele of omgevingskrachten (bijvoorbeeld wind op een brug, weginput op een auto of operationele krachten in een draaiende machine). Geavanceerde algoritmen worden vervolgens gebruikt om de modale parameters uit de responsdata te extraheren. Dit is een complexere, maar soms noodzakelijke aanpak.

3. Analytische modale analyse (FEA)

Dit is een puur theoretische benadering die gebruikmaakt van computermodellen, meestal Eindige Elementenanalyse (FEA)Ingenieurs maken een virtueel model van de constructie en de software berekent de voorspelde modale parameters. EMA wordt vaak uitgevoerd om de nauwkeurigheid van deze FEA-modellen te valideren en te verfijnen.

Toepassingen van modale analyse

• Problemen met resonantie oplossen: De meest voorkomende toepassing: als een machine veel trillingen heeft, kan modale analyse bepalen of een structurele eigenfrequentie wordt opgewekt door een bedieningskracht.
• Ontwerpvalidatie: Ingenieurs gebruiken het om te bevestigen dat de natuurlijke frequenties van een nieuw product niet in de buurt komen van bekende excitatiefrequenties (bijvoorbeeld het toerental van een motor of de frequentie waarmee een blad passeert).
• Structurele wijziging: Als er een resonantieprobleem wordt gevonden, kan het modale model worden gebruikt om 'what-if'-analyses uit te voeren om te bepalen wat de meest effectieve manier is om het probleem op te lossen (bijvoorbeeld: 'Waar moet ik een versteviging toevoegen om deze eigenfrequentie hoger te maken?').
• Structurele gezondheidsmonitoring: Veranderingen in de modale parameters van een constructie in de loop van de tijd kunnen wijzen op de aanwezigheid van schade, zoals een scheur.

← Terug naar hoofdindex