Zrozumienie analizy modalnej

Definicja: Czym jest analiza modalna?

Analiza modalna to proces badania i charakteryzowania inherentnych właściwości dynamicznych konstrukcji lub systemu mechanicznego. Właściwości te – w szczególności jego częstotliwości naturalne, współczynniki tłumienia, I kształty modów—są znane jako „parametry modalne” systemu. Analiza modalna określa unikalne sposoby, w jakie konstrukcja będzie naturalnie drgać pod wpływem wzbudzenia. Informacje te są kluczowe dla projektowania konstrukcji odpornych na siły dynamiczne, a także dla rozwiązywania problemów i złożonych problemów związanych z drganiami.

Cel: Identyfikacja parametrów modalnych

Każda konstrukcja ma unikalny zestaw parametrów modalnych, które są określone przez jej właściwości fizyczne (masę, sztywność i tłumienie). Celem analizy modalnej jest ich identyfikacja:

• Częstotliwości naturalne (lub częstotliwości rezonansowe): Są to konkretne częstotliwości, przy których konstrukcja będzie wibrować z największą amplitudą po wzbudzeniu. Każda konstrukcja ma wiele częstotliwości drgań własnych.
• Współczynniki tłumienia: Ten parametr określa, jak szybko zanikają drgania konstrukcji. Jest miarą rozpraszania energii w konstrukcji.
• Kształty modów: Kształt drgań własnych to specyficzny wzór odkształcenia lub ugięcia, któremu podlega konstrukcja podczas drgań z jedną ze swoich częstotliwości drgań własnych. Każda częstotliwość drgań własnych ma swój unikalny, odpowiadający jej kształt drgań własnych.

Identyfikując te parametry, inżynierowie mogą w pełni zrozumieć i przewidzieć, jak konstrukcja zareaguje na ewentualne obciążenia dynamiczne, na jakie może natrafić w trakcie eksploatacji.

Rodzaje analizy modalnej

Istnieją dwa podstawowe podejścia do określania parametrów modalnych konstrukcji:

1. Eksperymentalna analiza modalna (EMA)

EMA, znany również jako „test uderzeniowy”, polega na pomiarze reakcji konstrukcji na znaną, kontrolowaną siłę wejściową. Jest to najpopularniejsza metoda testowania rzeczywistego sprzętu. Proces obejmuje:

1. Wzbudzanie konstrukcji za pomocą zmierzonej siły, zwykle z młot udarowy z instrumentami (który ma czujnik siły na końcu) lub wstrząsarka elektrodynamiczna.
2. Pomiar odpowiedzi wibracyjnej w jednym lub kilku miejscach konstrukcji przy użyciu akcelerometrów.
3. Obliczanie Funkcja odpowiedzi częstotliwościowej (FRF) dla każdego punktu pomiarowego jest to stosunek drgań wyjściowych do siły wejściowej.
4. Wykorzystanie specjalistycznego oprogramowania do analizy zbioru częstotliwości drgań własnych (FRF) w celu wyodrębnienia częstotliwości drgań własnych, tłumienia i kształtów drgań własnych. Oprogramowanie może następnie animować kształty drgań własnych, aby zwizualizować odkształcenia konstrukcji przy każdej częstotliwości drgań własnych.

2. Operacyjna analiza modalna (OMA)

Metoda OMA jest stosowana, gdy przyłożenie kontrolowanej siły wejściowej jest niepraktyczne lub niemożliwe, lub gdy ważne jest zrozumienie zachowania konstrukcji w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W metodzie OMA mierzona jest jedynie odpowiedź wyjściowa konstrukcji (za pomocą akcelerometrów) podczas wzbudzania jej normalnymi siłami eksploatacyjnymi lub siłami otoczenia (np. wiatrem na moście, siłami drogowymi działającymi na samochód lub siłami eksploatacyjnymi w pracującej maszynie). Następnie zaawansowane algorytmy służą do wyodrębnienia parametrów modalnych z danych dotyczących wyłącznie odpowiedzi. Jest to podejście bardziej złożone, ale czasami konieczne.

3. Analityczna analiza modalna (MES)

Jest to podejście czysto teoretyczne, wykorzystujące najczęściej modele komputerowe Analiza elementów skończonych (MES)Inżynierowie tworzą wirtualny model konstrukcji, a oprogramowanie oblicza przewidywane parametry modalne. Analiza EMA jest często przeprowadzana w celu weryfikacji i udoskonalenia dokładności tych modeli MES.

Zastosowania analizy modalnej

• Rozwiązywanie problemów z rezonansem: Jego najczęstsze zastosowanie. Jeśli maszyna ma wysokie drgania, analiza modalna pozwala określić, czy siła robocza wzbudza naturalną częstotliwość drgań strukturalnych.
• Walidacja projektu: Inżynierowie wykorzystują ją, aby potwierdzić, że naturalne częstotliwości nowego produktu nie są zbliżone do żadnych znanych częstotliwości wzbudzenia (np. obrotów silnika, częstotliwości przejść łopatek).
• Modyfikacja strukturalna: Jeśli zostanie wykryty problem z rezonansem, model modalny można wykorzystać do przeprowadzenia analizy „co by było, gdyby” w celu ustalenia najskuteczniejszego sposobu jego rozwiązania (np. „Gdzie powinienem dodać usztywniacz, aby podnieść tę częstotliwość naturalną?”).
• Monitorowanie stanu konstrukcji: Zmiany parametrów modalnych konstrukcji w czasie mogą wskazywać na obecność uszkodzeń, np. pęknięć.

← Powrót do indeksu głównego