خدمات آنالیز مودال و تغییر شکل سازه ODS

خدمات آنالیز مودال و تغییر شکل سازه ODS

خدمات آنالیز مودال و تغییر شکل سازه ODS

آناليز مودال، فرآيند تعيين خواص ذاتي ديناميکي يک سيستم در قالب فرکانس هاي طبيعي، ضرايب ميرايي و شکل مودها و به کارگيري آن ها به منظور ايجاد مدلي رياضي از رفتار ديناميکي سيستم مي باشد. اين مدل رياضي به مدل مودال سيستم و اطلاعات مربوط به مشخصات آن، داده هاي مودال ناميده مي شوند.

آناليز مودال، هر دو مبحث تئوري و تجربي را در بر مي گيرد. آناليز مودال تئوري، بر اساس يک مدل فيزيکي از سيستمي ديناميکي شامل خواص جرمي، سختي و ميرايي مي باشد. اين خواص ممکن است به صورت معادلات ديفرانسيل پاره اي موجود باشند.به کمک تحليل اجزاي محدود مدرن مي توان تقريباً هر سازه ديناميکي خطي را گسسته سازي کرد و در نتيجه به طور قابل ملاحظه اي قابليت و ميدان کاري آناليز مودال تئوريک  افزايش يافته است.

تست مودال تکنيکي تجربي براي بدست آوردن مدل مودال يک سيستم ارتعاشي خطي نامتغير با زمان مي باشد. مبناي تئوري اين تکنيک بر اساس رابطه بين پاسخ ارتعاشي در يک نقطه از سازه با تحريک در همان نقطه و يا نقطه اي ديگر، به صورت تابعي از فرکانس تحريک مي باشد. اين رابطه، که اغلب به صورت يک تابع رياضي مختلط مي باشد، تابع پاسخ فرکانسي و يا به طور خلاصه FRF ناميده مي شود.

انجام تست مودال شامل اندازه گيري FRF ها و يا پاسخ ضربه سازه است. اندازه گيري FRF مي تواند با اعمال يک نيرو (اندازه گيري شده) در يک نقطه از سازه در غياب ساير نيروهاي تحريک، و اندازه گيري پاسخ ارتعاش در يک يا چند نقطه از سازه انجام شود. روش هاي مدرن تحريک و پيشرفت هاي حاصل شده در تئوري آناليز مودال، امکان اعمال مکانيزم هاي پيچيده تر تحريک را فراهم آورده است. تحريک مي تواند در يک بازه فرکانسي دلخواه، سينوسي پلّه اي، گذرا، تصادفي و يا به صورت نويز سفيد باشد.

تحريک معمولاً توسط يک ترانسديوسر نيرو در نقطه اعمال نيرو اندازه گيري مي شود. پاسخ نيز مي تواند توسط شتاب سنج يا ابزارهاي ديگر اندازه گيري گردد. هر دو سيگنال تحريک و پاسخ به يک آنالايزر، که وظيفه محاسبه FRF ها را به عهده دارد، ارسال مي شوند.در مجموع، آناليز مودال تجربي شامل سه مرحله آماده سازي براي تست، اندازه گيري پاسخ فرکانسي و استخراج پارامترهاي مودال مي باشد. آماده سازي تست شامل انتخاب تکيه گاه سازه، نوع تحريک، نقاط تحريک، سخت افزارهاي اندازه گيري نيرو و پاسخ، تعيين هندسه مدل که در آن نقاط اندازه گيري مشخص شده است و تعيين عواملي که باعث عدم دقت در اندازه گيري مي شوند، مي باشد.

هر دو روش آناليز مودال تئوري و تجربي نهايتاً به تعيين مدل مودال سيستم ديناميکي منجر مي شوند. اين مدل در مقايسه با FRF و يا پاسخ ارتعاشي، تصوير روشني از مشخصات ديناميکي سيستم ارائه مي دهد. بنابراين، کاربردهاي آناليز مودال عمدتاً در ارتباط با استفاده از مدل بدست آمده در طراحي، حل مسائل و تحليل آن ها مي باشد.استخراج مدل مودال در آناليز مودال تئوري بر اساس مشخصات فيزيکي سيستم مي باشد. اين مشخصات معمولاً شامل ماتريس هاي جرم، سختي و ميرايي سيستم مي باشد. به عبارت ديگر در اين روش، مدل مودال از داده هاي فضايي بدست مي آيد. در آناليز مودال تجربي، مدل مودال به کمک داده هاي FRF و ياپاسخ ارتعاش آزاد سيستم حاصل مي شود. بنابراين، اين روش از داده هاي مربوط به پاسخ به مدل مودال مي رسد.

کاربرد آنالیز مودال:

آنالیز مودال دارای کاربردهای گوناگون می باشد که در زیر به نمونه ای از آن ها اشاره شده است:

·         .رفع اشکال

·         .تطابق مدل اجزاي محدود با نتايج تجربي

·         .اصلاح سازه

·         .تحليل حساسيت

·         .کاهش مدل هاي رياضي

·         .پيش بيني پاسخ اجباري

·         .تعيين نيرو

·         .پيش بيني پاسخ

·         .رابطه زيرسازه اي

·         .تشخيص عيوب سازه اي

رفع اشکال:

منظور از رفع اشکال، بدست آوردن ديد مهندسي به کمک اطلاعات مودال در مورد ديناميک يک سازه مشکل زا مي باشد. اين موضوع، مهم ترين کاربرد آناليز مودال تجربي از بدو ايجاد آن و منشا ظهور کاربردهاي ديگربوده است. رفع اشکال بر اساس مقادير فرکانس هاي طبيعي، ضرايب ميرايي و شکل مودهاي بدست آمده از تست مي باشد. به کمک اين اطلاعات، يک درک اساسي و پايه اي از مشخصات سازه حاصل مي شود که اين اغلب باعث آشکار نمودن ريشه مشکلات ديناميکي سازه واقعي مي شود.

تحريک معمولاً توسط يک ترانسديوسر نيرو در نقطه اعمال نيرو اندازه گيري مي شود. پاسخ نيز مي تواند توسط شتاب سنج يا ابزارهاي ديگر اندازه گيري گردد. هر دو سيگنال تحريک و پاسخ به يک آنالايزر، که وظيفه محاسبه FRF ها را به عهده دارد، ارسال مي شوند.در مجموع، آناليز مودال تجربي شامل سه مرحله آماده سازي براي تست، اندازه گيري پاسخ فرکانسي و استخراج پارامترهاي مودال مي باشد. آماده سازي تست شامل انتخاب تکيه گاه سازه، نوع تحريک، نقاط تحريک، سخت افزارهاي اندازه گيري نيرو و پاسخ، تعيين هندسه مدل که در آن نقاط اندازه گيري مشخص شده است و تعيين عواملي که باعث عدم دقت در اندازه گيري مي شوند، مي باشد.

هر دو روش آناليز مودال تئوري و تجربي نهايتاً به تعيين مدل مودال سيستم ديناميکي منجر مي شوند. اين مدل در مقايسه با FRF و يا پاسخ ارتعاشي، تصوير روشني از مشخصات ديناميکي سيستم ارائه مي دهد. بنابراين، کاربردهاي آناليز مودال عمدتاً در ارتباط با استفاده از مدل بدست آمده در طراحي، حل مسائل و تحليل آن ها مي باشد.استخراج مدل مودال در آناليز مودال تئوري بر اساس مشخصات فيزيکي سيستم مي باشد. اين مشخصات معمولاً شامل ماتريس هاي جرم، سختي و ميرايي سيستم مي باشد. به عبارت ديگر در اين روش، مدل مودال از داده هاي فضايي بدست مي آيد. در آناليز مودال تجربي، مدل مودال به کمک داده هاي FRF و ياپاسخ ارتعاش آزاد سيستم حاصل مي شود. بنابراين، اين روش از داده هاي مربوط به پاسخ به مدل مودال مي رسد.

تطابق مدل اجزای محدود با نتایج تجربی:

بسياري از کاربردهاي ديناميک سازه، به داشتن يک مدل رياضي دقيق از ديناميک سيستم بستگي دارد. چنين مدلي را مي توان به روش اجزاي محدود ايجاد کرد. مدل اجزاي محدود حاصل، که بر حسب ماتريس هاي جرم و سختي مي باشد، براي استفاده هاي بعدي مانند آناليز حساسيت و پيش بيني رفتار ديناميکي در اثر ايجاد تغييرات، نقشي اساسي دارد. اما با توجه به پيچيدگي ها و عدم قطعيت ها در سازه، تصور آن که اين مدل واقعاً بيانگر رفتار سازه باشد، غير منطقي مي باشد.

يک روش اساسي آن است که با انجام اندازه گيري روي سازه، مدل مودال آن را بدست آورده و از آن براي تطابق با مدل اجزاي محدود به منظور بروز در آوردن آن استفاده شود.حال سوال اساسي اين است که آيا مدل مودال بدست آمده از اندازه گيري، علي رغم نقص هايي که به دليل کافي نبودن تعداد مودهاي ارتعاشي و نقاط اندازه گيري دارد، مي تواند رفتار واقعي ديناميکي سيستم را نشان دهد؟

 آيا در صورت وجود اختلاف، نتايج تجربي مي تواند براي تصحيح مدل اجزاي محدود بکار گرفته شود؟اين فلسفه ممکن است مورد اعتراض برخي از تحليلگران اجزاي محدود قرار گيرد، اما نتايج تجربي در موارد زيادي برتري خود را نشان داده است.

اصلاح سازه:

در اصلاح سازه، تغييراتي روي جرم، سختي و يا ميرايي سيستم ديناميکي انجام مي شود. اين تغييرات بطور قطع رفتار ديناميکي سيستم را تغيير خواهد داد.با استفاده از مدل مودال سيستم، شبيه سازي و پيش بيني رفتار سيستم در حالات مختلف مي تواند انجام شود.

 اثر تغييرات فرضي بر روي رفتار ديناميکي سازه را مي توان بدون انجام تحليل کامل و يا اعمال اين تغييرات روي سازه واقعي، از اين روش بدست آورد.به عنوان مثال، اگر يک جرم متمرکز به بخشي از سازه اضافه شود، با استفاده از مدل مودال موجود و مقدار جرم اضافه، مي توان يک مدل مودال جديد براي سازه تغيير يافته پيش گويي نمود. اين روش در مراحل اوليه طراحي و به منظور بهينه سازي رفتار ديناميکي سيستم و يا بهبود رفتار آن پس از بدست آوردن مدل مودال از اندازه گيري، مفيد مي باشد. به هر حال، اين روش مي تواند از ايجاد تغييرات اساسي در طراحي اوليه جلوگيري نمايد

تحلیل حساسیت:

به کمک مدل مودال يک سيستم ديناميکي مي توان حساسيت پارامترهاي مودال سازه را نسبت به ايجاد تغيير در هر يک از پارامترهاي فيزيکي سيستم، پيش بيني نمود.اين تحليل حساسيت به طور طبيعي با اصلاح سازه مرتبط مي باشد.

با اين حال، در اين تحليل تاکيد بر اين است که تعيين شود کداميک از تغييرات سازه اي بيشترين تاثير را روي يک پارامتر مودال، مثلاً جابجا کردن يک فرکانس طبيعي، دارد. اين تحليل نقطه مقابل تحليل اصلاح سازه که شامل بررسي تغييرات پارامترهاي مودال در اثر اعمال يک تغيير فيزيکي خاص روي سازه است، مي باشد.تحليل حساسيت، بخصوص هنگام طراحي مجدد سازه با هدف قرار دادن يک مشخصه ديناميکي در مقداري خاص، مفيد است و مؤثرترين روش براي رسيدن به اين منظور است.

کاهش مدلهای ریاضی:

در مدل سازي اجزاي محدود يک سازه ديناميکي، تعداد درجات آزادي مورد استفاده، ابعاد مدل را تعيين مي کند.هر چند افزايش تعداد درجات آزادي لزوماً باعث افزايش دقت مدل اجزاي محدود نمي شود، اما اغلب اين کار، بي تاثير نيز نمي باشد. 

هنگامي که بررسي رفتار ديناميکي سيستم در فرکانس هاي پايين مدنظر مي باشد، مدلي رياضي با ابعاد کاهش يافته مناسب تر خواهد بود. اين مدل کاهش يافته را هم مي توان به کمک مدل مودال سازه  و هم از مدل اجزاي محدود اوليه و با استفاده از الگوريتم هاي کاهش ابعاد، بدست آورد.در هر دو حالت، مدل مودال تجربي موجود جهت انجام اين پروسه و يا ارزيابي نتايج نهايي حائز اهميت مي باشد

پیش بینی پاسخ های اجباری:

یکي ديگر از کاربردهاي آناليز مودال، پيش بيني پاسخ ارتعاشي سازه ناشي از يک نيروي مشخص است. با استفاده از مدل مودال مي توان پاسخ سازه به يک نيروي از پيش تعريف شده را بدست آورد.به عنوان مثال، با داشتن مدل مودال يک خودرو، يعني با اندازه گيري ارتعاشات آن در آزمايشگاه، مي توان پاسخ سيستم در يک جاده را قبل از رانندگي در آن جاده تعيين نمود.با استفاده از اصل برهم نهي مي توان پاسخ سازه به چندين نيرو را نيز پيش بيني کرد. مشکل عمده اين کاربرد در تخمين يا اندازه گيري دقيق نيروها مي باشد

تعیین نیرو:

در عمل، نيروهايي که باعث ارتعاش يک سيستم مي شوند همواره قابل اندازه گيري نمي باشند.اما مي توان با اندازه گيري پاسخ سيستم و همچنين در دست داشتن مدل مودال سيستم، اين نيروها را بدست آورد.برخي اوقات شناسايي نيروهايي که باعث ارتعاشات شديد مي شوند، داراي اهميت زيادي مي باشند.به عنوان مثال، يک ياتاقان لق در يک موتور توربيني مي تواند باعث توليد نيروي تحريکي شود که منجر به ارتعاش شديد سيستم شود. اين نيروي تحريک خود يک منبع بالقوه در ايجاد شکست در سازه مي باشد.

پیش بینی پاسخ:

پس از تعيين مدل مودال يک سازه، امکان پيش بيني پاسخ سازه به هر نوع نيروي خارجي وجود دارد.اين موضوع يک مبناي علمي براي مطالعه يکپارچگي سازه در يک محيط ديناميکي مشخص مي باشد.اگر پاسخ ارتعاشي سازه به صورت کرنش ديناميکي پيش بيني گردد در آن صورت مي توان از اين نتايج در پيش گويي عمر خستگي سازه استفاده نمود.مدل مودال تجربي معمولاً ضرايب ميرايي، که در پيش بيني پاسخ اهميت زيادي دارد، را نيز ارائه مي دهد.

رابطه زیرسازه ای:

گاهي لازم است رفتار ديناميکي کل سازه را با استفاده از اطلاعات مربوط به رفتار ديناميکي اجزاي آن، تعيين کرد. اين پروسه، رابطه زير سازه اي ناميده مي شود.به دلايل عملي متعددي همواره نمي توان رفتار کل سازه را بطور مستقيم اندازه گيري يا مدل نمود.

يک روش آن است که يک مساله ديناميکي پيچيده را به چند بخش مجزا تقسيم نمود. سپس از الگوريتم هاي مناسب براي ارتباط بين اين اجزا استفاده نمود. بسياري از اين الگوريتم ها بر اساس پارامترهاي مودال اجزاي سازه استوار مي باشند.رابطه اجزاي سازه را در تحليل اجزاي محدود نيز مي توان بطور مؤثر و در مواقعي که پيچيدگي سازه با ظرفيت کامپيوتر تطابق ندارند، بکار برد.

تشخیص عیوب سازه ای:

تشخيص عيوب غير قابل مشاهده سازه همواره در صنايع جزء مسائل مهم و اولويت دار بوده است.اهميت اين موضوع در صنايع هوا فضا روشن است. اخيراً، بازبيني عيوب سازه اي در مورد سازه هاي ساختماني مانند پل ها نيز اعمال مي شود. مباني تئوري کاربرد آناليز مودال در تشخيص عيوب سازه اي بر اساس اين واقعيت است که پاسخ ديناميکي سازه در اثر ايجاد عيوب، تغيير میکند.اين امر، امکان تعيين آسيب روي سازه را به کمک بررسي تغيير پاسخ سازه قبل و بعد از ايجاد آن،  فراهم مي آورد. در حقيقت، تشخيص عيوب رابطه اي بين عيب و تغييرات پارامترهاي مودال سازه را فرمول بندي مي نمايد.يک روش معمول، گرفتن اثر انگشت و يا داده هاي پايه از پارامترهاي مودال سازه هنگام سالم بودن آن مي باشد. بعداً، هنگامي که تغييراتي در اين پارامترها رخ داد، امکان بررسي آسيب سازه که باعث بروز اين تغييرات شده است وجود دارد.

کاربردهای عملی آنالیز مودال:

بيشتر کاربردهاي گزارش شده از آناليز مودال در زمينه هاي مهندسي هوانوردي، مهندسي خودرو و مهندسي مکانيک بوده است. البته اين به معني نفي گسترش روزافزون کاربرد آناليز مودال در رشته هاي مختلف ديگر نمي باشد.در مهندسي خودرو، جنبه هاي مهم اقتصادي و ايمن در جلوگيري از طراحي مجدد خودرو، باعث شده تا درک کاملي از خواص ديناميکي خودرو و قطعات آن حاصل گردد. بيشترين تلاش ها روي تلفيق آناليز مودال تجربي و تحليل اجزاي محدود در مطالعه اجزاي خودرو، متمرکز بوده است.

سازه خودروهاي مدرن بايد از نظر وزني سبک و از نظر استحکام قوي باشند. ترکيب آناليز مودال تجربي و تئوري، امکان طراحي بهينه اجزاي خودرو و بهبود خواص ديناميکي کلي آن را فراهم مي کند.آناليز مودال تجربي همچنين به عنوان يک ابزار رفع اشکال نقشي اساسي در مطالعه مشکلات نويز و ارتعاش (NVH) وسيله ايفا مي کند. به عنوان مثالي نمونه در اين زمينه مي توان از آناليز مودال يک سازه خودرو بدون ملحقات و يا يک زيرسازه آن نام برد.کاربردهاي پيچيده تري مانند حساسيّت مودال پانل هاي کف خودرو، بهينه سازي سازه براي تامين آسايش بيشتر در وسيله، تخمين عمر خستگي، مکانيزم کنترل فعال ارتعاشات براي سيستم تعليق، مانيتور وضعيت سيستم و تشخيص خرابي موتور وسيله نيز وجود دارند.يکي ديگر از زمينه هاي مهم کاربردي آناليز مودال، مطالعه نويز در وسيله مي باشد. آناليز مودال را مي توان به عنوان ابزاري براي بررسي نويز توليد شده توسط اجزاي وسيله و يا انتقال صداي حاصل از جريان هوا به داخل اتاق توسط قسمت هايي مانند درها مورد استفاده قرار داد.يک کاربرد پيشرفته تر آناليز مودال، کاهش نويز از طريق بهينه سازي سازه و يا طراحي مجدد آن است. در مجموع، آناليز مودال تکنيکي مؤثر در مهندسي خودرو در راستاي بهبود NVH وسيله مي باشد.

گسترش سريع صنايع هوا فضا چالش هاي زيادي را در رشته هاي مختلف مهندسي در مواجهه با مشکلات تکنولوژيک گوناگون ايجاد کرده است.ديناميک سازه هواپيما و فضاپيماها عاملي مؤثر در گسترش آناليز مودال بوده است. سازه وسايل پرنده قيود زيادي را در مورد يکپارچگي سازه و رفتار ديناميکي آن که در تقابل با هدف اصلي يعني کاهش وزن مي باشد، بر طراح تحميل مي کند.ابعاد بزرگ سازه فضاپيما نيز انگيزه هاي جديدي در تحليل، پيش رو قرار مي دهد. ايجاد يک مدل رياضي دقيق کاري است که همواره بايد در مورد سازه يک هواپيما يا فضاپيما انجام شود.آناليز مودال تجربي وسيله اي براي تاييد مدل کامپيوتري ايجاد شده مي باشد. گزارشات زيادي از تست مودال روي انواع سازه از هواپيماهاي مدل با مقياس کوچک تا يک سفينه کامل و يا يک هواپيماي بدون سرنشين در دست مي باشد. اين موضوع، به خصوص در مورد خواص ميرايي يا غيرخطي و يا تخمين دقيق نيرو و پاسخ، که مدل کامپيوتري در آنها دقت چنداني ندارد، اهميت زيادي دارد.

آناليز مودال بين مهندسين ساختمان، که همواره تحليل سازه را بعنوان مساله اي اصلي مطالعه مي کنند، نيز مقبوليت روزافزوني يافته است.ملاحظات مربوط به رفتار ديناميکي سازه تحت تاثير زلزله و يا وزش باد، کاربرد آناليز مودال را در اين زمينه ضروري ساخته است. سازه هاي ساختماني معمولاً بسيار بزرگتر از سازه هاي مکانيکي و هوايي، که آناليز مودال در ابتدا بر اساس آنها گسترش يافت، مي باشند.کاربردهاي زيادي در ارتباط با پيش بيني پاسخ يک ساختمان در اثر ارتعاشات محيطي و يا بارهاي خارجي وجود دارند. اين پيش بيني بر اساس يک مدل رياضي دقيق که مي تواند به کمک آناليز مودال استخراج شود، انجام مي شود. نمونه هاي چنين کاربردهايي را مي توان در مورد ساختمان هاي بلند و يا تاثير متقابل خاک با سازه در پي يک سد مشاهده کرد.کاربردهاي زيادي در ارتباط با پيش بيني پاسخ يک ساختمان در اثر ارتعاشات محيطي و يا بارهاي خارجي وجود دارند. اين پيش بيني بر اساس يک مدل رياضي دقيق که مي تواند به کمک آناليز مودال استخراج شود، انجام مي شود. نمونه هاي چنين کاربردهايي را مي توان در مورد ساختمان هاي بلند و يا تاثير متقابل خاک با سازه در پي يک سد مشاهده کرد.آناليز مودال بعنوان يک تست غير مخرب و کارا جهت تعيين سريع موقعيت نقايص و ترک هاي حساس در سازه نيز مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. اين روش، اطلاعات ارزشمندي جهت نگهداري و تصميم گيري هاي اقتصادي پل ارائه مي دهد. چنين تستي را با توجه به ابعاد و طول دهانه پل مي توان با استفاده از بار ترافيک، لرزشگر و يا ورودي ضربه اي انجام داد. تست پل ارتباط زيادي با تحقيقات مربوط به تشخيص آسيب هاي سازه اي به کمک اطلاعات تست مودال دارد.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

میخواهید به بحث بپیوندید؟
احساس رایگان برای کمک!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *