Модальный анализ: методы и применение вибрационного тестирования.
Modal testing
Модальный анализ: определение собственных частот, форм колебаний и демпфирования объектов. Методы – ударный молоток и вибростенд. Экспериментальное тестирование!
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Модальное испытание – это вид вибрационного испытания объекта, при котором определяются собственные (модальные) частоты, модальные массы, модальные коэффициенты демпфирования и формы собственных колебаний испытываемого объекта. Модальное испытание состоит из этапа измерений и этапа анализа. Весь процесс часто называют модальным анализом или экспериментальным модальным анализом. Существует несколько способов проведения модального испытания, но широко распространены испытания с использованием ударного молотка и вибростенда (вибрационного тестера). В обоих случаях в систему подается энергия с известным частотным составом. В местах структурных резонансов наблюдается усиление отклика, отчетливо видимое на спектрах отклика. На основе спектров отклика и спектров воздействующей силы можно получить передаточную функцию. Передаточная функция (или частотная характеристика (FRF)) часто аппроксимируется для оценки модальных параметров; однако существует множество методов оценки модальных параметров, и эта тема является предметом активных исследований.
Modal testing is the form of vibration testing of an object whereby the natural (modal) frequencies, modal masses, modal damping ratios and mode shapes of the object under test are determined. A modal test consists of an acquisition phase and an analysis phase. The complete process is often referred to as a Modal Analysis or Experimental Modal Analysis. There are several ways to do modal testing but impact hammer testing and shaker (vibration tester) testing are commonplace. In both cases energy is supplied to the system with a known frequency content. Where structural resonances occur there will be an amplification of the response, clearly seen in the response spectra. Using the response spectra and force spectra, a transfer function can be obtained. The transfer function (or frequency response function (FRF)) is often curve fitted to estimate the modal parameters; however, there are many methods of modal parameter estimation and it is the topic of much research.
Модальное испытание ударного молотка
Идеальным воздействием на структуру является идеальный импульс, характеризующийся бесконечно малой продолжительностью и вызывающий постоянную амплитуду в частотной области. Это привело бы к возбуждению всех собственных форм колебаний с одинаковой энергией. Испытание ударным молотком разработано для имитации такого воздействия, однако на практике удар молотком не может быть бесконечно коротким и имеет определенное время контакта. Продолжительность времени контакта напрямую влияет на частотный состав приложенной силы: большее время контакта приводит к меньшему диапазону частот. Для регистрации силы к концу молотка крепится тензодатчик. Испытание ударным молотком особенно эффективно для небольших и легких конструкций. Однако с увеличением размеров конструкции могут возникать проблемы, связанные с низким отношением сигнал/шум, что часто встречается при исследовании крупных строительных сооружений.
An ideal impact to a structure is a perfect impulse, which has an infinitely small duration, causing a constant amplitude in the frequency domain; this would result in all modes of vibration being excited with equal energy. The impact hammer test is designed to replicate this; however, in reality a hammer strike cannot last for an infinitely small duration, but has a known contact time. The duration of the contact time directly influences the frequency content of the force, with a larger contact time causing a smaller range of bandwidth. A load cell is attached to the end of the hammer to record the force. Impact hammer testing is ideal for small lightweight structures. However, as the size of the structure increases, issues can occur due to a poor signal to noise ratio, which is common on large civil engineering structures.
Шейкерное модульное испытание
Шейкер – это устройство, которое возбуждает объект или структуру в соответствии с усиленным входным сигналом. Для модального анализа доступно несколько входных сигналов, но наиболее часто используемыми являются синусоидальная перестройка частоты и случайная вибрация. Небольшие объекты или конструкции могут быть прикреплены непосредственно к столу шейкера. В некоторых типах шейкеров к испытываемому объекту часто прикрепляется подвижная часть (арматура) через стальной трос (создающий силу натяжения) или упор (создающий силу сжатия). Когда сигнал передается через стальной трос или упор, объект реагирует аналогично ударному воздействию, ослабляя одни частоты и усиливая другие. Эти частоты измеряются как модальные частоты. Обычно между шейкером и конструкцией устанавливается тензодатчик для измерения силы возбуждения. Для крупных строительных конструкций используются шейкеры значительно большей мощности, масса которых может превышать 100 кг, и которые способны создавать усилие в сотни ньютонов. Существуют различные типы шейкеров: шейкеры с вращающейся массой, электродинамические шейкеры и электрогидравлические шейкеры. Для шейкеров с вращающейся массой сила может быть рассчитана на основе массы и скорости вращения, а для электродинамических шейкеров сила может быть измерена с помощью тензодатчика или акселерометра, установленного на подвижной части шейкера. Шейкеры имеют преимущество перед ударным молотком, поскольку они способны передавать больше энергии в конструкцию в течение более длительного времени. Однако могут возникать и проблемы: шейкеры могут влиять на динамические характеристики конструкции, а также усложнять анализ из-за ошибок, связанных с оконной обработкой сигнала.
A shaker is a device that excites the object or structure according to its amplified input signal. Several input signals are available for modal testing, but the sine sweep and random frequency vibration profiles are by far the most commonly used signals. Small objects or structures can be attached directly to the shaker table. With some types of shakers, an armature is often attached to the body to be tested by way of piano wire (pulling force) or stinger (pushing force). When the signal is transmitted through the piano wire or the stinger, the object responds the same way as impact testing, by attenuating some and amplifying certain frequencies. These frequencies are measured as modal frequencies. Usually a load cell is placed between the shaker and the structure to obtain the excitation force. For large civil engineering structures much larger shakers are used, which can have a mass of 100 kg and above, and are able to apply a force of many hundreds of newtons. Several types of shakers are common: rotating mass shakers, electrodynamic shakers, and electrohydraulic shakers. For rotating mass shakers, the force can be calculated by knowing the mass and the speed of rotation, while for electrodynamic shakers, the force can be obtained through a load cell or an accelerometer placed on the moving mass of the shaker. Shakers have an advantage over the impact hammer as they can supply more energy to a structure over a longer period of time. However, problems can also be introduced; shakers can influence the dynamic properties of the structure and can also increase the complexity of analysis due to windowing errors.