Hiểu về Phân tích Mô thức

Định nghĩa: Phân tích mô thức là gì?

Phân tích mô hình là quá trình nghiên cứu và mô tả các đặc tính động lực học vốn có của một cấu trúc hoặc hệ thống cơ học. Các đặc tính này—cụ thể là tần số tự nhiên, tỷ lệ giảm chấn, Và hình dạng chế độ—được gọi là "tham số mô thức" của hệ thống. Phân tích mô thức xác định những cách thức riêng biệt mà một cấu trúc sẽ có xu hướng rung động tự nhiên nếu bị kích thích. Thông tin này rất quan trọng để thiết kế các cấu trúc có thể chịu được lực động, cũng như để khắc phục sự cố và giải quyết các vấn đề rung động phức tạp.

Mục tiêu: Xác định các tham số mô hình

Mỗi cấu trúc đều có một tập hợp các tham số mô thức riêng biệt được xác định bởi các đặc tính vật lý (khối lượng, độ cứng và độ giảm chấn). Mục tiêu của phân tích mô thức là xác định những điều sau:

• Tần số tự nhiên (hoặc Tần số cộng hưởng): Đây là những tần số cụ thể mà cấu trúc sẽ dao động với biên độ lớn nhất khi bị kích thích. Có nhiều tần số tự nhiên cho bất kỳ cấu trúc nào.
• Tỷ lệ giảm chấn: Thông số này định lượng tốc độ suy giảm rung động của kết cấu. Đây là thước đo mức tiêu tán năng lượng bên trong kết cấu.
• Chế độ Hình dạng: Dạng dao động là dạng biến dạng hoặc độ võng cụ thể mà kết cấu chịu khi dao động ở một trong các tần số riêng của nó. Mỗi tần số riêng có một dạng dao động tương ứng riêng.

Bằng cách xác định các thông số này, các kỹ sư có thể hiểu đầy đủ và dự đoán cách một công trình sẽ phản ứng với bất kỳ tải trọng động nào mà nó có thể gặp phải trong quá trình vận hành.

Các loại phân tích mô hình

Có hai cách tiếp cận chính để xác định các tham số mô hình của một cấu trúc:

1. Phân tích mô hình thực nghiệm (EMA)

EMA, còn được gọi là "bump test", bao gồm việc đo lường phản ứng của kết cấu với một lực đầu vào đã biết và được kiểm soát. Đây là phương pháp phổ biến nhất để kiểm tra phần cứng thực tế. Quy trình bao gồm:

1. Kích thích cấu trúc bằng một lực đo được, thường là từ một búa tác động có dụng cụ (có cảm biến lực ở đầu) hoặc một máy lắc điện động.
2. Đo phản ứng rung động tại một hoặc nhiều vị trí trên cấu trúc bằng máy đo gia tốc.
3. Tính toán Chức năng đáp ứng tần số (FRF) đối với mỗi điểm đo, đó là tỷ số giữa độ rung đầu ra và lực đầu vào.
4. Sử dụng phần mềm chuyên dụng để phân tích tập hợp các FRF nhằm trích xuất tần số tự nhiên, độ giảm chấn và dạng mode. Sau đó, phần mềm có thể hoạt hình hóa các dạng mode để trực quan hóa cách cấu trúc biến dạng ở mỗi tần số tự nhiên.

2. Phân tích mô hình hoạt động (OMA)

OMA được sử dụng khi việc áp dụng lực đầu vào được kiểm soát là không thực tế hoặc không thể, hoặc khi cần hiểu rõ hành vi của kết cấu trong điều kiện vận hành thực tế. Trong OMA, chỉ có phản ứng đầu ra của kết cấu được đo (sử dụng cảm biến gia tốc) khi kết cấu đang chịu tác động của các lực vận hành thông thường hoặc lực xung quanh (ví dụ: gió tác động lên cầu, lực tác động lên xe ô tô, hoặc lực vận hành trong máy móc đang chạy). Sau đó, các thuật toán nâng cao được sử dụng để trích xuất các tham số mô hình từ dữ liệu chỉ phản ứng. Đây là một phương pháp phức tạp hơn nhưng đôi khi cần thiết.

3. Phân tích mô hình phân tích (FEA)

Đây là một cách tiếp cận hoàn toàn lý thuyết sử dụng các mô hình máy tính, phổ biến nhất Phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Các kỹ sư tạo ra một mô hình ảo của cấu trúc và phần mềm sẽ tính toán các tham số mô hình dự đoán. EMA thường được thực hiện để xác nhận và tinh chỉnh độ chính xác của các mô hình FEA này.

Ứng dụng của Phân tích Mô thức

• Khắc phục sự cố cộng hưởng: Ứng dụng phổ biến nhất của nó. Nếu máy có độ rung cao, phân tích mô thức có thể xác định xem tần số tự nhiên của cấu trúc có bị kích thích bởi lực tác động hay không.
• Xác thực thiết kế: Các kỹ sư sử dụng nó để xác nhận rằng tần số tự nhiên của sản phẩm mới không gần với bất kỳ tần số kích thích nào đã biết (ví dụ: vòng quay động cơ, tần số quét của cánh quạt).
• Sửa đổi cấu trúc: Nếu phát hiện ra vấn đề cộng hưởng, mô hình mô thức có thể được sử dụng để thực hiện phân tích "nếu" nhằm xác định cách khắc phục hiệu quả nhất (ví dụ: "Tôi nên thêm bộ gia cường ở đâu để đưa tần số tự nhiên này lên cao hơn?").
• Giám sát sức khỏe kết cấu: Sự thay đổi trong các thông số mô hình của cấu trúc theo thời gian có thể chỉ ra sự hiện diện của hư hỏng, chẳng hạn như vết nứt.

← Quay lại Mục lục chính