ทำความเข้าใจการวิเคราะห์โมดอล

คำจำกัดความ: การวิเคราะห์โหมดคืออะไร?

การวิเคราะห์โหมด คือกระบวนการศึกษาและกำหนดลักษณะคุณสมบัติพลวัตโดยธรรมชาติของโครงสร้างหรือระบบกลไก คุณสมบัติเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความถี่ธรรมชาติ, อัตราส่วนการหน่วง, และ โหมดรูปร่าง— รู้จักกันในชื่อ "พารามิเตอร์โมดัล" ของระบบ การวิเคราะห์โมดัลจะกำหนดลักษณะเฉพาะที่โครงสร้างจะมีแนวโน้มที่จะสั่นสะเทือนตามธรรมชาติหากถูกกระตุ้น ข้อมูลนี้มีความสำคัญพื้นฐานต่อการออกแบบโครงสร้างที่สามารถทนต่อแรงไดนามิก รวมถึงการแก้ไขปัญหาการสั่นสะเทือนที่ซับซ้อน

เป้าหมาย: การระบุพารามิเตอร์โมดอล

โครงสร้างแต่ละชนิดมีชุดพารามิเตอร์โมดัลเฉพาะตัว ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติทางกายภาพ (มวล ความแข็ง และการหน่วง) เป้าหมายของการวิเคราะห์โมดัลคือการระบุสิ่งเหล่านี้:

• ความถี่ธรรมชาติ (หรือความถี่เรโซแนนซ์): นี่คือความถี่เฉพาะที่โครงสร้างจะสั่นสะเทือนด้วยแอมพลิจูดสูงสุดเมื่อถูกกระตุ้น โครงสร้างใดๆ ก็ตามจะมีความถี่ธรรมชาติหลายค่า
• อัตราส่วนการหน่วง: พารามิเตอร์นี้วัดความเร็วของการสลายตัวของแรงสั่นสะเทือนของโครงสร้าง เป็นการวัดการสูญเสียพลังงานภายในโครงสร้าง
• โหมดรูปร่าง: รูปร่างโหมด คือรูปแบบเฉพาะของการเสียรูปหรือการโก่งตัวที่โครงสร้างได้รับเมื่อสั่นสะเทือนที่ความถี่ธรรมชาติความถี่ใดความถี่หนึ่ง ความถี่ธรรมชาติแต่ละความถี่จะมีรูปร่างโหมดเฉพาะที่สอดคล้องกัน

การระบุพารามิเตอร์เหล่านี้ทำให้วิศวกรเข้าใจและคาดการณ์ได้อย่างครบถ้วนว่าโครงสร้างจะตอบสนองต่อภาระแบบไดนามิกที่อาจพบเจอในระหว่างการทำงานอย่างไร

ประเภทของการวิเคราะห์โมดอล

มีแนวทางหลักสองประการในการกำหนดพารามิเตอร์โมดอลของโครงสร้าง:

1. การวิเคราะห์โมดอลเชิงทดลอง (EMA)

EMA หรือที่รู้จักกันในชื่อ "การทดสอบการกระแทก" เกี่ยวข้องกับการวัดการตอบสนองของโครงสร้างต่อแรงอินพุตที่ทราบและควบคุมได้ เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในการทดสอบฮาร์ดแวร์ที่ใช้งานจริง กระบวนการนี้ประกอบด้วย:

1. การกระตุ้นโครงสร้างด้วยแรงที่วัดได้ โดยทั่วไปมาจาก ค้อนกระแทกแบบมีเครื่องมือ (ซึ่งมีเซ็นเซอร์แรงอยู่ที่ปลาย) หรือ เครื่องเขย่าไฟฟ้าไดนามิก.
2. การวัดการตอบสนองการสั่นสะเทือนที่ตำแหน่งหนึ่งหรือหลายตำแหน่งบนโครงสร้างโดยใช้เครื่องวัดความเร่ง
3. การคำนวณ ฟังก์ชันตอบสนองความถี่ (FRF) สำหรับจุดวัดแต่ละจุด ซึ่งเป็นอัตราส่วนของการสั่นสะเทือนขาออกต่อแรงขาเข้า
4. การใช้ซอฟต์แวร์เฉพาะทางเพื่อวิเคราะห์ชุด FRF เพื่อแยกความถี่ธรรมชาติ การหน่วง และรูปร่างโหมด จากนั้นซอฟต์แวร์สามารถสร้างภาพเคลื่อนไหวของรูปร่างโหมดเพื่อแสดงภาพว่าโครงสร้างมีการเสียรูปอย่างไรในแต่ละความถี่ธรรมชาติ

2. การวิเคราะห์โหมดปฏิบัติการ (OMA)

OMA จะใช้เมื่อไม่สามารถหรือไม่สามารถบังคับแรงป้อนเข้าที่ควบคุมได้ หรือเมื่อจำเป็นต้องทำความเข้าใจพฤติกรรมของโครงสร้างภายใต้สภาวะการทำงานจริง ใน OMA จะมีการวัดเฉพาะผลตอบสนองของโครงสร้าง (โดยใช้เครื่องวัดความเร่ง) ขณะที่โครงสร้างกำลังถูกกระตุ้นด้วยแรงจากการทำงานปกติหรือแรงแวดล้อม (เช่น ลมบนสะพาน แรงป้อนเข้าของถนนบนรถยนต์ หรือแรงจากการทำงานของเครื่องจักรที่กำลังเคลื่อนที่) จากนั้นจะใช้อัลกอริทึมขั้นสูงเพื่อดึงพารามิเตอร์โมดัลจากข้อมูลการตอบสนองเพียงอย่างเดียว ซึ่งเป็นวิธีการที่ซับซ้อนกว่า แต่บางครั้งก็จำเป็น

3. การวิเคราะห์โมดอลเชิงวิเคราะห์ (FEA)

นี่เป็นแนวทางเชิงทฤษฎีล้วนๆ โดยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่แล้ว การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA)วิศวกรสร้างแบบจำลองเสมือนของโครงสร้างและซอฟต์แวร์จะคำนวณค่าพารามิเตอร์โมดอลที่คาดการณ์ไว้ มักใช้ EMA เพื่อตรวจสอบและปรับปรุงความแม่นยำของแบบจำลอง FEA เหล่านี้

การประยุกต์ใช้การวิเคราะห์โมดอล

• การแก้ไขปัญหาเรโซแนนซ์: การใช้งานที่พบบ่อยที่สุด หากเครื่องจักรมีการสั่นสะเทือนสูง การวิเคราะห์โมดัลสามารถระบุได้ว่าความถี่ธรรมชาติของโครงสร้างถูกกระตุ้นโดยแรงกระทำหรือไม่
• การตรวจสอบการออกแบบ: วิศวกรใช้เพื่อยืนยันว่าความถี่ธรรมชาติของผลิตภัณฑ์ใหม่นั้นไม่ใกล้เคียงกับความถี่การกระตุ้นที่ทราบใดๆ (เช่น รอบต่อนาทีของเครื่องยนต์ ความถี่ในการเคลื่อนที่ของใบพัด)
• การปรับเปลี่ยนโครงสร้าง: หากพบปัญหาการสั่นพ้อง สามารถใช้โมเดลโมดอลเพื่อทำการวิเคราะห์แบบ "จะเป็นอย่างไรถ้า" เพื่อกำหนดวิธีการแก้ไขปัญหาที่ได้ผลที่สุด (เช่น "ฉันควรเพิ่มตัวทำให้แข็งที่จุดใดเพื่อย้ายความถี่ธรรมชาติให้สูงขึ้น")
• การตรวจสอบสุขภาพโครงสร้าง: การเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์โมดอลของโครงสร้างเมื่อเวลาผ่านไปอาจบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของความเสียหาย เช่น รอยแตกร้าว

← กลับสู่ดัชนีหลัก