Розуміння модального аналізу

Визначення: Що таке модальний аналіз?

Модальний аналіз – це процес вивчення та характеристики властивих динамічних властивостей конструкції або механічної системи. Ці властивості, зокрема її власні частоти, коефіцієнти демпфування, та форми режиму—відомі як «модальні параметри системи». Модальний аналіз визначає унікальні способи, якими конструкція природно прагне вібрувати під впливом збудження. Ця інформація є фундаментальною для проектування конструкцій, здатних витримувати динамічні сили, а також для усунення несправностей та вирішення складних проблем з вібрацією.

Мета: Визначення модальних параметрів

Кожна конструкція має унікальний набір модальних параметрів, які визначаються її фізичними властивостями (масою, жорсткістю та демпфуванням). Метою модального аналізу є визначення цих параметрів:

• Власні частоти (або резонансні частоти): Це конкретні частоти, на яких структура вібруватиме з найбільшою амплітудою при збудженні. Існує кілька власних частот для будь-якої структури.
• Коефіцієнти демпфування: Цей параметр кількісно визначає, як швидко згасають коливання конструкції. Він є мірою розсіювання енергії всередині конструкції.
• Форми режиму: Форма моди – це специфічна картина деформації або прогину, яку зазнає конструкція під час вібрації на одній зі своїх власних частот. Кожна власна частота має унікальну відповідну форму моди.

Визначивши ці параметри, інженери можуть повністю зрозуміти та передбачити, як конструкція реагуватиме на будь-яке динамічне навантаження, з яким вона може зіткнутися під час експлуатації.

Види модального аналізу

Існує два основних підходи до визначення модальних параметрів конструкції:

1. Експериментальний модальний аналіз (ЕМА)

EMA, також відомий як «випробування на ударну міцність», передбачає вимірювання реакції конструкції на відому контрольовану вхідну силу. Це найпоширеніший метод тестування реального обладнання. Процес включає:

1. Збудження структури виміряною силою, зазвичай від інструментальний ударний молоток (який має датчик сили на кінчику) або електродинамічний шейкер.
2. Вимірювання вібраційної реакції в одному або кількох місцях на конструкції за допомогою акселерометрів.
3. Розрахунок Функція частотної характеристики (FRF) для кожної точки вимірювання, що є відношенням вихідної вібрації до вхідної сили.
4. Використання спеціалізованого програмного забезпечення для аналізу набору частотних характеристик коливань (ЧРК) для вилучення власних частот, затухання та форм мод. Потім програмне забезпечення може анімувати форми мод, щоб візуалізувати, як структура деформується на кожній власній частоті.

2. Операційно-модальний аналіз (ОМА)

OMA використовується, коли недоцільно або неможливо застосувати контрольовану вхідну силу, або коли важливо зрозуміти поведінку конструкції в реальних умовах експлуатації. В OMA вимірюється лише вихідна реакція конструкції (за допомогою акселерометрів), поки вона збуджується своїми нормальними робочими або навколишніми силами (наприклад, вітром на мосту, дорожніми впливами на автомобіль або робочими силами в працюючій машині). Потім використовуються вдосконалені алгоритми для вилучення модальних параметрів з даних лише реакції. Це більш складний, але іноді необхідний підхід.

3. Аналітичний модальний аналіз (МСЕ)

Це суто теоретичний підхід, що використовує комп'ютерні моделі, найчастіше Аналіз кінцевих елементів (FEA)Інженери створюють віртуальну модель конструкції, а програмне забезпечення розраховує прогнозовані модальні параметри. EMA часто виконується для перевірки та уточнення точності цих моделей скінченного аналізу (МСЕ).

Застосування модального аналізу

• Усунення несправностей резонансу: Його найпоширеніше застосування. Якщо машина має високу вібрацію, модальний аналіз може визначити, чи збуджується власна частота конструкції робочою силою.
• Перевірка дизайну: Інженери використовують його для підтвердження того, що власні частоти нового продукту не близькі до жодної відомої частоти збудження (наприклад, обертів двигуна, частоти проходу лопатей).
• Структурна модифікація: Якщо виявлено проблему резонансу, модальну модель можна використовувати для проведення аналізу «що, якщо», щоб визначити найефективніший спосіб її виправлення (наприклад, «Куди мені додати ребро жорсткості, щоб підвищити цю власну частоту?»).
• Моніторинг стану конструкцій: Зміни модальних параметрів конструкції з часом можуть свідчити про наявність пошкоджень, таких як тріщина.

← Назад до головного індексу