Metody analizy modalnej

Analiza modalna to doskonałe narzędzie diagnostyczne stworzone po to, aby szybko i precyzyjnie rozwiązywać różne problemy inżynierskie. Dzięki niej można bowiem badać własności dynamiczne (częstość drgań własnych, postacie drgań i wartości współczynników tłumienia) obiektów mechanicznych i budowlanych. Z tego względu jest to narzędzie wykorzystywane do rozwiązywania problemów związanych z rezonansem oraz stosowane w kontroli jakości wyrobu.

Na czym dokładnie polega analiza modalna?

Analiza modalna to powszechnie wykorzystywana w praktyce metoda badania dynamicznych właściwości różnych obiektów. W jej wyniku otrzymuje się model modalny, który ma postać zbioru częstości własnych, postaci drgań i współczynników tłumienia. Umożliwia ona identyfikację własności dynamicznych badanych obiektów, dzięki czemu różne problemy związane z drganiami lub hałasem mogą być skutecznie rozwiązane już na etapie ich projektowania albo później – podczas ich eksploatacji.

Badanie z zakresu eksperymentalnej analizy modalnej, które można wykonać przy użycu systemów pomiarowych Simcenter SCADAS oferowanych przez firmę EC Test Systems, wykonuje się, wzbudzając obiekt do drgań przez wykorzystanie sygnału o znanej sile. Następnie mierzy się układ w wybranych punktach konstrukcji. Badaną strukturę można wzbudzić przy użyciu młotka modalnego lub wzbudnika modalnego (łączy się go z badanym obiektem specjalnym czujnikiem siły albo głowicą impedancyjną). Sam pomiar wykonywany jest przy użyciu akcelerometrów lub innych czujników (np. tensometry lub wibrometr laserowy). W ten sposób uzyskuje się widmowe funkcje przejścia, czyli stosunek odpowiedzi układu do pobudzenia. Otrzymane w efekcie tych działań dane są następnie wykorzystywane przez specjalistyczne oprogramowanie Simcenter Testlab, które identyfikuje kluczowe parametry: częstotliwości drgań własnych obiektu, postaci drgań i wartości współczynnika tłumienia.

Do czego wykorzystuje się analizę modalną?

Analiza modalna znajduje wiele zastosowań. Jest np. wykorzystywana w diagnostyce maszyn, gdyż umożliwia określenie poprawności pracy urządzeń, pozwala zmniejszyć ryzyko niespodziewanych awarii, a także skutecznie zredukować poziom emitowanego przez nie hałasu. Jej głównym zastosowaniem jest porównanie częstości wymuszeń w układzie z częstościami drgań własnych. Jeżeli wartości te są do siebie zbliżone albo się pokrywają, powstaje zjawisko rezonansu. 

Czym jest rezonans i dlaczego może być niebezpieczny dla maszyn oraz obiektów budowlanych?

Rezonans jest jedną z głównych przyczyn problemów związanych z drganiami obiektów. Dzieje się tak, ponieważ w takiej sytuacji dochodzi do wielokrotnego wzmocnienia drgań, które mogą być poważnym zagrożeniem dla całej struktury. Niszczące działanie rezonansu można zaobserwować np. wtedy, gdy obudowa silnika ma częstotliwość drgań własnych równą częstotliwości, z jaką pracuje silnik. Wówczas dochodzi do niekontrolowanego wzrostu amplitudy drgań obudowy, w wyniku którego silnik będzie się szybciej zużywał, a w skrajnych sytuacjach może nawet dojść do jego zniszczenia. Zjawisko rezonansu może być również groźne dla obiektów budowlanych, które mogą się przez nie zawalić.

Jakie są rodzaje analizy modalnej?

Wyróżnia się kilka metod analizy modalnej:

1. Metoda teoretyczna Teoretyczna analiza modalna polega na wyznaczeniu właściwości dynamicznych badanej konstrukcji na podstawie modelu strukturalnego stworzonego przy użyciu technik modelowania przestrzennego. Znajduje ona zastosowanie podczas projektowania, kiedy nie można przeprowadzić badań na podobnym obiekcie. Wykorzystuje się ją też do przeprowadzania analiz odporności konstrukcji budowlanych (np. mostów czy wieżowców) na różne zakłócenia. 

2. Metoda eksperymentalna Eksperymentalna analiza modalna polega na wymuszeniu ruchu układu, pomiarze wymuszenia i odpowiedzi układu oraz określeniu wartości parametrów modelu modalnego. Wykorzystuje się ją do celów modyfikacji konstrukcji, diagnostyki, a także weryfikacji i walidacji modeli numerycznych.

3. Metoda eksploatacyjna Metoda ta polega na badaniu i pomiarze naturalnie występujących drgań badanych struktur. Badanej konstrukcji nie wprowadza się więc w drgania, wymuszając je na niej, gdyż jej dynamika wynika z wymuszeń związanych bezpośrednio z jej eksploatacją. Eksploatacyjna analiza modalna jest stosowana przede wszystkim w diagnostyce gotowych konstrukcji oraz urządzeń.