معرفی آنالیز مودال

معرفی آنالیز مودال

در سال های اخیر تحت عنوار تکنیک یا ابزاری به منظور مشخص کردن ویژگی های دینامیکی تجهیزات و ماشین آلات مورد استفاده قرار می گیرد. اگر بخواهیم به طور دقیق تر به این موضوع بپردازیم می توان دلیل اصلی توجه به آنالیز مودال را به موارد زیر مربوط دانست.

امروزه بیستر سازه ها و ماشین آلات در طراحی خود به سمتی می روند که ضمن کاهش در وزن بتوانند از استحکام بالایی نیز برخودار باشند. این امر به خودی خود مزیتی محسوب می شود ولی با این وجود ارتعاشات ناخواسته و مخرب را در آن ها به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. از طرفی بسنده کردن تنها به استفاده از نرم افزار های کامپیوتری به منظور تحلیل دقیق رفتار دینامیکی این تجهیزات کافی به نظر نمی رسد. به همین دلیل است که رویکرد های اصلی به سمت تکنیک های تجربی ایجاد شد و سبب پیشرفت در آنالیز مودال گردید.

آنالیز مودال ابزاری برای تعیین پارامترهای دینامیکی سیستم، از جمله فرکانس های طبیعی، شکل مودها و ضرایب میرایی است و شامل دو بخش تئوری و تجربی می شود.

 

آنالیز مودال تئوری

آنالیز مودال تئوری بر اساس یک مدل فیزیکی از خواص دینامیکی سیستم مورد نظر، که شامل فرکانس های طبیعی، شکل مودها و ضرایب میرایی است، انجام می شود. پروسه تئوری آنالیر ارتعاشات در 3 مرحله انجام می شود. در ابتدا خواص فیزیکی سازه از جمله خواص جرم، سختی و میرایی استخراج        می شود. با استفاده از اطلاعات به دست آمده از مرحله اول آنالیز تئوری مودهای ارتعاشی سازه که مدل مودال سازه نامیده می شود قابل استخراج است. این مدل شامل فرکانس های طبیعی، مودهای ارتعاشی و ضرایب میرایی سازه می شود. در آخرین مرحله آنالیز تئوری، پاسخ سیستم به تحریک اعمال شده به آن مشخص می گردد. در این مرحله توابع پاسخ فرکانسی سازه مشخص می گردد.

اگر پروسه مذکور به صورت معکوس انجام شود آنالیز مودال تجربی نامیده می شود. به این معنا که در آنالیز مودال تجربی، از پاسخ سیستم به تحریک اعمال شده به آن مدل مودال سیستم (فرکانس های طبیعی، مودهای ارتعاشی و ضرایب میرایی) مشخص می شود.

آنالیز مودال تجربی

آنالیز مودال تجربی که تحت عنوان تست مودال نامیده می شود به صورت یک تست ارتعاشی بر روی یک سیستم ارتعاشی خطی انجام می گیرد. آماده سازی این تست شامل انتخاب تکیه گاه سازه، نوع تحریک، نقاط تحریک، سخت افزارهای اندازه گیری نیرو و پاسخ، تعیین هندسه مدل که در آن نقاط اندازه گیری مشخص شده است، می باشد.

این آنالیز بر اساس رابطه بین طیف پاسخ ارتعاشی در یک نقطه از سازه و طیف نیروی تحریک در همان نقطه یا نقاط دیگر که FRF نام دارد انجام می شود. FRF معمولا یک تابع ریاضی مختلط است. چندین روش برای انجام تست مودال وجود دارد اما تست ضربه چکش  و تست با شیکر رایج تر از بقیه است. تحریک سازه می تواند در یک بازه فرکانسی دلخواه، گذرا، سینوسی پلّه ای و تصادفی باشد.

روش های اعمال فرکانس تحریک به سازه:

تحریک سازه با ضربه نیرویی است که در مدت زمان بی نهایت کوچک اعمال می شود، سبب تحریک همه مودهای اتعاشی سازه با انرژی یکسان می شود. تست چکش به همین منظور طراحی شده است. گرچه در واقعیت نیرویی که توسط چکش اعمال می شود نمی تواند در مدت زمان بی نهایت کوچک باشد. این مدت زمان در واقع مدت زمان تماس چکش با سازه است که مستقیما روی فرکانس نیروی اعمال شده تاثیر گذار است. هرچه زمان تماس بیشتر باشد محدوده پهنای باند فرکانس تحریک کوچکتر می شود. یک نیروسنج نیز در انتهای چکش قرار دارد که مقدار نیروی اعمال شده را اندازه گیری کند. تست چکش برای سازه هایی با وزن کم ایده آل تر است و نتایج بهتری را به دنبال دارد.

شیکر چیست؟

شیکر وسیله ای است که یک شی یا سازه را طبق سیگنال ورودی به شیکر تحریک می کند. همان طور که گفته شد برای تست مودال سیگنال های ورودی متفاوتی می تواند به شیکر اعمال شود. اما پروفایل های فرکانس سینوسی و تصادفی رایج ترین سیگنال های مورد استفاده هستند. معمولاً یک نیروسنج هم برای اندازه گیری نیروی اعمال شده به سازه بین شیکر و سازه قرار می گیرد. برای سازه های عمرانی بزرگ از شیکر های بسیار قوی استفاده می شود که تا 100 کیلوگرم یا یشتر وزن دارند و قادر به اعمال نیروهای هزار تنی هستند.

شیکرها نسبت به چکش مزیت هایی دارند از جمله این که قادر به اعمال انرژی بیشتر در مدت زمان طولانی تر به سازه هستند. اگرچه مشکلاتی مانند تاثیرگذاری روی خواص دینامیکی سازه و همینطور پیچیدگی آنالیزها را نیز به همراه دارند.