Artykuł

Analiza modalna jako narzędzie do rozwiązywania problemów inżynierskich

analiza modalna-artykul

Każdy inżynier na pewnym etapie swej pracy zawodowej spotyka się z zagadnieniem nadmiernych drgań, emisji niepożądanych dźwięków lub nadmiernym hałasem bądź problemami z wytrzymałością struktury czy z prawidłowym funkcjonowaniem urządzeń.

Wyszczególnione powyżej zagadnienia są niepożądane i stanowią nieraz nie lada wyzwanie inżynierskie można im jednak przeciwdziałać dysponując odpowiednimi narzędziami diagnostycznymi. Jednym z nich może być analiza modalna, umożliwiająca zbadanie własności dynamicznych obiektów – ich częstotliwości drgań własnych, postaci drgań oraz wartości współczynników tłumienia.

Typową przyczyną problemów związanych z drganiami obiektów jest rezonans związany z wzbudzeniem struktury za pomocą działania zmiennych sił o częstotliwościach zbliżonych lub pokrywających się z częstotliwościami drgań własnych obiektów. W tego typu sytuacjach występuje wielokrotne wzmocnienie drgań nierzadko stanowiące bardzo poważne zagrożenie dla struktury. Dodatkowo niejednokrotnie pojawia się również związany
z drganiami hałas. Przykładem takiego problemu są nadmierne drgania konstrukcji wsporczych wentylatorów. W trakcie rozruchu dla pewnych ściśle określonych prędkości obrotowych, czyli tym samym pewnych częstotliwości sił wymuszających następuje wzmocnienie drgań – częstotliwość sił oddziałujących na obiekt pokrywa się wówczas z drganiami własnymi, czyli własnością układu fizycznego co powoduje duże wibracje. Ustępują one po przekroczeniu tej bardzo konkretnej prędkości obrotowej.

Bliższe poznanie tego typu zjawiska jest możliwe dzięki przeprowadzeniu pomiaru charakterystyk dynamicznych konstrukcji czy urządzeń. Badanie takie przeprowadza się wzbudzając obiekt do drgań sygnałem o znanej sile a następnie mierząc odpowiedz układu w wielu kluczowych punktach konstrukcji. Pomiar taki można wykonać wzbudzając strukturę za pomocą młotka modalnego PCB Piezotronics (czujnik siły stanowi jego integralną część) czy wzbudnika modalnego The Modal Shop, który łączy się z badaną strukturą za pomocą czujnika siły czy też głowicy impedancyjnej (sensor o funkcjonalności czujnika siły oraz akcelerometru w jednej obudowie). Pomiaru odpowiedzi obiektu dokonujemy zaś przy pomocy akcelerometrów lub innego typu czujników na przykład wibrometru laserowego czy  tensometrów. Efektem tych działań jest uzyskanie tak zwanych widmowych funkcji przejścia stanowiących stosunek odpowiedzi układu do pobudzenia (przykładowo przyśpieszenia drgań na obiekcie do siły pobudzającej). Tego typu dane stanowią informację wejściową do oprogramowania Simcenter Testlab (LMS Test.Lab) wyposażonego w zaawansowany algorytm do analizy modalnej, który pozwala na identyfikację niezbędnych parametrów – częstotliwości drgań własnych obiektu, postaci drgań oraz wartości współczynnika tłumienia.

W przypadku, gdy obiekt, którego analizę chcemy przeprowadzić jest zbyt duży lub nie ma możliwości wzbudzić go za pomocą młotka modalnego lub wzbudnika z pomocą przychodzi nam narzędzie do operacyjnej analizy modalnej. W takim wypadku mierzymy, przykładowo za pomocą akcelerometrów, jedynie odpowiedź układu na wymuszenia, na jakie naturalnie narażona jest struktura. Nasze narzędzie diagnostyczne jest w stanie wydobyć interesujące nas parametry nawet mimo braku informacji o sile wymuszającej. Typowe obiekty, które poddawane są operacyjnej analizie modalnej to mosty, budynki czy urządzenia, które podczas działania zachowują się odmiennie niż w stanie spoczynku. Dobry przykład mogą stanowić: samoloty podczas lotu (wówczas widoczne są wszelkie efekty związane z aerodynamiką) czy też mosty drżące pod wpływem wiatru.

Informacje o charakterystyce dynamicznej obiektu są niezwykle cenne podczas etapu rozwoju obiektu – stanowią podstawę do stosowania modyfikacji poprawiających funkcjonalność czy zachowanie bądź mających na celu zmniejszenie drgań czy emisji hałasu, a także wydłużających jego żywotność. Typowe modyfikacje jakie się stosuje to zmiana masy obiektu (zastosowanie cięższych elementów lub też obróbka w celu zmniejszenia masy) wykorzystanie elementów usztywniających strukturę czy też odpowiedniej wibroizolacji co zmienia parametry tłumienia. Ponadto można modyfikować również przykładowo parametry pracy maszyny – minimalna zmiana prędkości obrotowej może skutkować znaczną poprawą warunków pracy.

Analiza modalna stanowi skuteczne narzędzie inżynierskie pozwalające na zbadanie własności dynamicznych obiektów oraz na tej podstawie rozwiązywanie wielu problemów pojawiających się na każdym z etapów rozwoju oraz eksploatacji produktu czy konstrukcji.

Related Posts