Модальный анализ - Modal analysis

Дверь автомобиля прикреплена к электромагнитному встряхивателю.
Фотография, показывающая испытательную установку для испытания MIMO на роторе ветряной турбины. Лопасти возбуждаются с помощью трех механических встряхивателей, а реакция измеряется с помощью 12 акселерометров, установленных на лезвие 3; на следующем этапе теста акселерометры можно переместить на лезвие 2 и 3, чтобы измерить отклик в этих местах.

Модальный анализ - это исследование динамических свойств систем в частотной области . Примеры могут включать измерение вибрации кузова автомобиля, когда он прикреплен к встряхивателю , или картину шума в комнате при возбуждении громкоговорителем.

Современные экспериментальные системы модального анализа состоят из 1) датчиков, таких как преобразователи (обычно акселерометры , тензодатчики ) или бесконтактных с помощью лазерного виброметра или стереофотограмметрических камер 2) системы сбора данных и аналого-цифрового преобразователя ( для оцифровки аналоговых сигналов приборов) и 3) главный компьютер ( персональный компьютер ) для просмотра данных и их анализа.

Классически это было сделано с использованием подхода SIMO (один вход, несколько выходов), то есть одна точка возбуждения, а затем отклик измеряется во многих других точках. В прошлом исследование молота с использованием фиксированного акселерометра и ровничного молота в качестве возбуждения давало анализ MISO (несколько входов, один выход), который математически идентичен SIMO из-за принципа взаимности . В последние годы MIMO (с несколькими входами и несколькими выходами) стал более практичным, когда анализ частичной когерентности определяет, какая часть отклика исходит от какого источника возбуждения. Использование нескольких встряхивателей приводит к равномерному распределению энергии по всей конструкции и лучшей согласованности измерений. Один шейкер не может эффективно возбуждать все режимы конструкции.

Типичные сигналы возбуждения можно классифицировать как импульсные , широкополосные , со свип- синусом , чирп и, возможно, другие. У каждого есть свои преимущества и недостатки.

Анализ сигналов обычно основан на анализе Фурье . Результирующая передаточная функция покажет один или несколько резонансов , характеристическую массу , частоту и коэффициент затухания которых можно оценить на основе измерений.

Анимированное отображение формы колебаний очень полезно для инженеров по NVH (шум, вибрация и резкость) .

Результаты также можно использовать для корреляции с решениями для нормального режима анализа методом конечных элементов .

Структуры

В структурной инженерии модальный анализ использует общую массу и жесткость конструкции, чтобы найти различные периоды, в которые она будет естественным образом резонировать. Эти периоды вибрации очень важно учитывать при проектировании землетрясений , поскольку совершенно необходимо, чтобы собственная частота здания не соответствовала частоте ожидаемых землетрясений в регионе, в котором здание будет построено. Если собственная частота конструкции соответствует частоте землетрясения, конструкция может продолжать резонировать и испытывать структурные повреждения. Модальный анализ также важен для таких конструкций, как мосты, где инженер должен стараться удерживать собственные частоты подальше от частот людей, идущих по мосту. Это может быть невозможно, и по этой причине, когда группы людей должны идти по мосту, например группа солдат, рекомендуется прерывать шаги, чтобы избежать возможных значительных частот возбуждения. Могут существовать и другие частоты собственного возбуждения, которые могут возбуждать собственные моды моста. Инженеры, как правило, извлекают уроки из таких примеров (по крайней мере, в краткосрочной перспективе), а более современные подвесные мосты учитывают потенциальное влияние ветра через форму палубы, которая может быть спроектирована с точки зрения аэродинамики, чтобы тянуть палубу к опоре. конструкции, а не позволять ей подниматься. Другие проблемы аэродинамической нагрузки решаются путем сведения к минимуму площади конструкции, проецируемой на встречный ветер, и уменьшения генерируемых ветром колебаний, например, подвесов в подвесных мостах.

Хотя модальный анализ обычно выполняется с помощью компьютеров , можно вручную рассчитать период вибрации любого высотного здания, идеализировав его как консоль с фиксированным концом и сосредоточенными массами.

Электродинамика

Основная идея модального анализа в электродинамике такая же, как и в механике. Приложение состоит в том, чтобы определить, какие моды электромагнитных волн могут стоять или распространяться в токопроводящих оболочках, таких как волноводы или резонаторы .

Суперпозиция мод

После того, как набор режимов был рассчитан для системы, отклик на любой частоте (в определенных границах) в ответ на множество входных сигналов во многих точках с разной временной историей может быть вычислен путем наложения результатов каждого режима. Это предполагает, что система линейна.

Взаимность

Если отклик измеряется в точке B в направлении x (например) для возбуждения в точке A в направлении y, то передаточная функция (грубо Bx / Ay в частотной области) идентична той, которая получается, когда отклик at Ay измеряется при возбуждении на Bx. То есть Bx / Ay = Ay / Bx. Опять же, это предполагает (и является хорошим тестом) линейность. (Кроме того, это предполагает ограниченные типы демпфирования и ограниченные типы активной обратной связи.)

Смотрите также

Рекомендации

  • DJ Ewins: Модальное тестирование: теория, практика и применение
  • Чимин Хэ, Чжи-Фан Фу (2001). Модальный анализ , Баттерворт-Хайнеманн. ISBN   0-7506-5079-6 .

внешняя ссылка