Pochopenie modálnej analýzy

Definícia: Čo je modálna analýza?

Modálna analýza je proces štúdia a charakterizácie inherentných dynamických vlastností štruktúry alebo mechanického systému. Tieto vlastnosti – konkrétne jej prirodzené frekvencie, tlmiace pomerya tvary módu—sú známe ako „modálne parametre systému“. Modálna analýza určuje jedinečné spôsoby, akými bude mať štruktúra prirodzený sklon vibrovať, ak je budená. Tieto informácie sú základom pre navrhovanie štruktúr, ktoré odolávajú dynamickým silám, ako aj pre riešenie problémov a zložitých vibračných problémov.

Cieľ: Identifikácia modálnych parametrov

Každá konštrukcia má jedinečný súbor modálnych parametrov, ktoré sú určené jej fyzikálnymi vlastnosťami (hmotnosť, tuhosť a tlmenie). Cieľom modálnej analýzy je identifikovať tieto:

• Prirodzené frekvencie (alebo rezonančné frekvencie): Toto sú špecifické frekvencie, pri ktorých bude štruktúra vibrovať s najväčšou amplitúdou, keď je budená. Pre akúkoľvek danú štruktúru existuje viacero vlastných frekvencií.
• Tlmiace pomery: Tento parameter kvantifikuje, ako rýchlo sa vibrácie konštrukcie rozplynú. Je to miera rozptylu energie v rámci konštrukcie.
• Tvary módu: Tvar módu je špecifický vzorec deformácie alebo vychýlenia, ktorému štruktúra prechádza pri vibrovaní na jednej zo svojich vlastných frekvencií. Každá vlastná frekvencia má jedinečný zodpovedajúci tvar módu.

Identifikáciou týchto parametrov môžu inžinieri plne pochopiť a predpovedať, ako bude konštrukcia reagovať na akékoľvek dynamické zaťaženie, s ktorým sa môže stretnúť počas prevádzky.

Typy modálnej analýzy

Existujú dva hlavné prístupy k určeniu modálnych parametrov štruktúry:

1. Experimentálna modálna analýza (EMA)

EMA, tiež známa ako „nárazový test“, zahŕňa meranie odozvy konštrukcie na známu, kontrolovanú vstupnú silu. Je to najbežnejšia metóda testovania hardvéru v reálnom svete. Proces zahŕňa:

1. Budenie štruktúry meranou silou, typicky z prístrojové rázové kladivo (ktorý má na hrote snímač sily) alebo elektrodynamická trepačka.
2. Meranie vibračnej odozvy na jednom alebo viacerých miestach na konštrukcii pomocou akcelerometrov.
3. Výpočet Funkcia frekvenčnej odozvy (FRF) pre každý merací bod, čo je pomer výstupných vibrácií k vstupnej sile.
4. Použitie špecializovaného softvéru na analýzu súboru FRF na extrakciu vlastných frekvencií, tlmenia a tvarov módov. Softvér potom dokáže animovať tvary módov a vizualizovať, ako sa štruktúra deformuje pri každej vlastnej frekvencii.

2. Operačná modálna analýza (OMA)

OMA sa používa, keď je nepraktické alebo nemožné aplikovať riadenú vstupnú silu, alebo keď je dôležité pochopiť správanie konštrukcie za skutočných prevádzkových podmienok. Pri OMA sa meria iba výstupná odozva konštrukcie (pomocou akcelerometrov), zatiaľ čo je budená svojimi normálnymi prevádzkovými alebo okolitými silami (napr. vietor na moste, vstupy z vozovky na aute alebo prevádzkové sily v bežiacom stroji). Na extrakciu modálnych parametrov z údajov iba o odozve sa potom používajú pokročilé algoritmy. Ide o zložitejší, ale niekedy nevyhnutný prístup.

3. Analytická modálna analýza (FEA)

Ide o čisto teoretický prístup využívajúci počítačové modely, najčastejšie Analýza konečných prvkov (FEA)Inžinieri vytvoria virtuálny model konštrukcie a softvér vypočíta predpokladané modálne parametre. EMA sa často vykonáva na overenie a spresnenie presnosti týchto modelov FEA.

Aplikácie modálnej analýzy

• Riešenie problémov s rezonanciou: Jeho najbežnejšie použitie. Ak má stroj vysoké vibrácie, modálna analýza dokáže určiť, či je štrukturálna vlastná frekvencia budená prevádzkovou silou.
• Validácia návrhu: Inžinieri ho používajú na potvrdenie, že vlastné frekvencie nového produktu nie sú blízke žiadnym známym budiacim frekvenciám (napr. otáčky motora, frekvencia prechodu lopatiek).
• Štrukturálna úprava: Ak sa zistí problém s rezonanciou, modálny model sa dá použiť na vykonanie analýz „čo ak“ s cieľom určiť najefektívnejší spôsob jeho riešenia (napr. „Kam by som mal pridať výstuhu, aby som posunul túto prirodzenú frekvenciu vyššie?“).
• Monitorovanie stavu konštrukcií: Zmeny modálnych parametrov konštrukcie v priebehu času môžu naznačovať prítomnosť poškodenia, ako je napríklad trhlina.

← Späť na hlavný index