Înțelegerea analizei modale

Definiție: Ce este analiza modală?

Analiză modală este procesul de studiere și caracterizare a proprietăților dinamice inerente ale unei structuri sau ale unui sistem mecanic. Aceste proprietăți - în special frecvențe naturale, raporturi de amortizareși forme de mod—sunt cunoscuți ca „parametrii modali” ai sistemului. Analiza modală determină modurile unice în care o structură va tinde în mod natural să vibreze dacă este excitată. Aceste informații sunt fundamentale pentru proiectarea structurilor care pot rezista la forțe dinamice, precum și pentru depanarea și rezolvarea problemelor complexe de vibrații.

Scopul: Identificarea parametrilor modali

Fiecare structură are un set unic de parametri modali care sunt determinați de proprietățile sale fizice (masă, rigiditate și amortizare). Scopul analizei modale este de a identifica aceștia:

• Frecvențe naturale (sau frecvențe rezonante): Acestea sunt frecvențele specifice la care structura va vibra cu cea mai mare amplitudine atunci când este excitată. Există mai multe frecvențe naturale pentru orice structură dată.
• Rapoarte de amortizare: Acest parametru cuantifică cât de repede se vor diminua vibrațiile structurii. Este o măsură a disipării energiei în cadrul structurii.
• Forme de mod: O formă de mod este modelul specific de deformare sau deviere pe care structura îl suferă atunci când vibrează la una dintre frecvențele sale naturale. Fiecare frecvență naturală are o formă de mod corespondentă unică.

Prin identificarea acestor parametri, inginerii pot înțelege și prezice pe deplin modul în care o structură va răspunde la orice sarcină dinamică pe care ar putea-o întâlni în timpul funcționării.

Tipuri de analiză modală

Există două abordări principale pentru determinarea parametrilor modali ai unei structuri:

1. Analiza modală experimentală (EMA)

EMA, cunoscut și sub denumirea de „test la impact”, implică măsurarea răspunsului structurii la o forță de intrare cunoscută și controlată. Este cea mai comună metodă de testare a hardware-ului din lumea reală. Procesul implică:

1. Excitarea structurii cu o forță măsurată, de obicei dintr-o ciocan de impact instrumentat (care are un senzor de forță în vârf) sau un agitator electrodinamic.
2. Măsurarea răspunsului la vibrații în unul sau mai multe puncte ale structurii folosind accelerometre.
3. Calcularea Funcția de răspuns în frecvență (FRF) pentru fiecare punct de măsurare, care este raportul dintre vibrația de ieșire și forța de intrare.
4. Utilizarea unui software specializat pentru a analiza setul de FRF-uri pentru a extrage frecvențele naturale, amortizarea și formele modurilor. Software-ul poate apoi anima formele modurilor pentru a vizualiza modul în care structura se deformează la fiecare frecvență naturală.

2. Analiza Modală Operațională (OMA)

OMA se utilizează atunci când este impracticabil sau imposibil să se aplice o forță de intrare controlată sau când este important să se înțeleagă comportamentul structurii în condiții reale de funcționare. În OMA, se măsoară doar răspunsul de ieșire al structurii (folosind accelerometre) în timp ce aceasta este excitată de forțele sale operaționale normale sau ambientale (de exemplu, vântul pe un pod, intrările drumului pe o mașină sau forțele operaționale într-o mașină în mișcare). Apoi se utilizează algoritmi avansați pentru a extrage parametrii modali din datele de răspuns. Aceasta este o abordare mai complexă, dar uneori necesară.

3. Analiza Modală Analitică (FEA)

Aceasta este o abordare pur teoretică care utilizează modele computerizate, cel mai frecvent Analiza cu elemente finite (FEA)Inginerii creează un model virtual al structurii, iar software-ul calculează parametrii modali preconizați. Analiza electromagnetică (EMA) este adesea efectuată pentru a valida și rafina acuratețea acestor modele FEA.

Aplicații ale analizei modale

• Depanarea problemelor de rezonanță: Cea mai comună aplicație a sa. Dacă o mașină are vibrații ridicate, analiza modală poate determina dacă o frecvență naturală structurală este excitată de o forță de operare.
• Validarea designului: Inginerii îl folosesc pentru a confirma că frecvențele naturale ale unui produs nou nu sunt apropiate de nicio frecvență de excitație cunoscută (de exemplu, turația motorului, frecvența de trecere a palei).
• Modificare structurală: Dacă se constată o problemă de rezonanță, modelul modal poate fi utilizat pentru a efectua analize de tip „ce-ar fi dacă” pentru a determina cea mai eficientă modalitate de remediere a acesteia (de exemplu, „Unde ar trebui să adaug un element de rigidizare pentru a muta această frecvență naturală mai sus?”).
• Monitorizarea stării structurale: Modificările parametrilor modali ai unei structuri în timp pot indica prezența unor deteriorări, cum ar fi o fisură.

← Înapoi la indexul principal