1. Jaki jest cel stosowania analizy modalnej?
W wyniku analizy modalnej otrzymuje się model modalny w postaci zbioru częstotliwości własnych, postaci
drgań oraz współczynników tłumienia. Ich znajomość pozwala na tworzenie modeli matematycznych
dających możliwość przewidywania zachowania się obiektu na skutek dowolnych zaburzeń równowagi.
Wyniki analizy modalnej mogą być stosowane dla celów modyfikacji konstrukcji, diagnostyki stanu
konstrukcji, weryfikacji i dostrajania modeli numerycznych, do syntezy sterowania, diagnostyki maszyn
opartej o śledzenie zmian parametrów modeli wraz ze zmianą stanu badanego obiektu.
2. Rodzaje analizy modalnej i czym od siebie się różnią?
Analizę modalną można podzielić na trzy grupy:
•
eksperymentalna (klasyczna) – bazuje na eksperymencie, w czasie, którego pobudza się obiekt do
drgań za pomocą znanych sił; zmierzona odpowiedź układu w sieci punktów pomiarowych, służy do
wyliczenia widmowych funkcji przejścia, a na ich podstawie do estymacji parametrów modalnych i
budowy modelu.
•
eksploatacyjna (operacyjna) – oparta jest tylko na pomiarze odpowiedzi układu na nieznane lub
nierejestrowane wymuszenie. Przykład: ruch samochodów na moście. Ma dużo szersze
zastosowanie, modele modalne dużo lepiej przybliżają badany obiekt, ale jest bardziej pracochłonna
i wymaga większej ilości operacji matematycznych na zarejestrowanych sygnałach odpowiedzi.
•
Teoretyczna – przeprowadzana dla modeli numerycznych obiektów. Modele mogą być modelami
M E S l u b i n n y m i m o d e l a m i u w z g l ę d n i a j ą c y m i w ł a ś c i w o ś c i k o n s t r u k c y j n e
i brzegowe analizowanego obiektu.
3. Na jakiej zasadzie działa piezoelektryczny czujnik drgań?
Czujnik wykorzystujący zjawisko piezoelektryczne dla przetworzenia zmian kształtu na napięcie elektryczne.
Działanie opiera się na zjawisku piezoelektrycznym, gdzie ładunek elektryczny usytuowany jest na
ściankach kryształu przy deformacji, natomiast zmiana odkształcenia kryształu powoduje zmianę znaku
ładunku na przeciwny.
4. Co to jest widmowa funkcja przejścia?
Jest to funkcja częstotliwości opisująca relację między wymuszeniem a odpowiedzią mierzona
w dwóch punktach. Widmową funkcję przejścia (FRF) można opisać jako iloraz transformaty Fouriera
odpowiedzi (X(ω)) przez transformatę Fouriera siły wymuszającej (F(ω)) odpowiedź.
5. Co to jest diagram stabilizacyjny?
Narzędzie numeryczne analizy modalnej będące wizualizacją równania matematycznego wysokiego rzędu
przybliżającego uśrednione przebiegi wszystkich widmowych funkcji przejścia. Z tego przybliżenia otrzymuje
się wyestymowane bieguny diagramu stabilizacyjnego.
6. Co to jest transformacja Fouriera i co daje zastosowanie transformacji Fouriera na sygnale
czasowym?
Transformata Fouriera (Fourier Transform, FT) jest przekształceniem matematycznym (całkowym), które dla
sygnału będącego funkcją czasu generuje widmo tego sygnału, będące funkcją częstotliwości. Widmo to ma
wartości zespolone. Jeśli mamy do czynienia z sygnałem ciągłym opisanym matematycznie (dla czasu od
minus do plus nieskończoności), to widmo tego sygnału jest widmem ciągłym lub dyskretnym (impulsowym).
Transformacja Fouriera umożliwia nam przedstawienie sygnału zmiennego w czasie w skali częstotliwości.
7. Co to jest widmo i jak należy je interpretować?
Widmo sygnału (ściślej: widmo częstotliwościowe sygnału) – przedstawienie sygnału w dziedzinie
częstotliwości lub pulsacji, otrzymane przy pomocy transformacji Fouriera. Wykres widma jest graficznym
przedstawieniem transformaty Fouriera jako funkcji częstotliwości lub pulsacji. Z wykresu widma można
przykładowo odczytać, jakie składowe harmoniczne wchodzą w skład danego sygnału, czy sygnał ma
ograniczone pasmo, jaka jest jego szerokość pasma, czy zawiera składowe wolnozmienne (o małych
częstotliwościach) oraz szybkozmienne (o dużych częstotliwościach).
8. Proszę wymienić założenia analizy modalnej
Analiza modalna jest realizowana dla obiektów liniowych o stałych parametrach, dla których spełniona jest
zasada wzajemności Maxwella oraz o małym lub proporcjonalnym tłumieniu. W większości praktycznych
zastosowań wymagany jest wielokanałowy eksperyment i złożone obliczenia związane z przetwarzaniem
zmierzonych sygnałów i estymacją parametrów modelu.
Zasada wzajemności Maxwella – odpowiedź mierzona w punkcie j na wymuszenie przyłożone w punkcie i,
jest identyczna z odpowiedzią punktu i na wymuszenie przyłożone w punkcie i.
9. Proszę wymienić etapy realizacji eksperymentalnej analizy modalnej.
1. Przygotowanie i zaplanowanie eksperymentu
2. Eksperyment modalny
3. Estymacja parametrów modelu modalnego.
4. Weryfikacja i walidacja modelu
10. Co daje znajomość parametrów modalnych struktury?
Znajomość tych parametrów pozwala na tworzenie modeli matematycznych dających możliwość
przewidywania zachowania się obiektu na skutek dowolnych zaburzeń równowagi. Parametry modalne
wszystkich mod tworzą pełny opis wewnętrznych własności dynamicznych struktury, na którą nie działają
siły.
11. W jaki sposób struktura może być pobudzana do drgań?
Wymuszenie może być zrealizowane za pomocą: młotka modalnego wyposażonego w czujnik siły, wzbudnik
drgań lub zestawu kilku współpracujących ze sobą wzbudników.
12. Jakie narzędzia potrzebne są do wykonywania eksperymentalnej analizy modalnej?
Urządzenie wymuszające, czujniki drgań, rejestrator, analizator.
13. Co to jest zjawisko rezonansu? Opisz na przykładzie układu o jednym stopniu swobody.
Zjawisko rezonansu jest powszechnym zjawiskiem fizycznym i występuje dla każdego obiektu technicznego.
Zjawisko to zachodzi dla drgań wymuszonych i polega na wzbudzeniu drgań o dużej amplitudzie dla
określonych częstotliwości siły wymuszającej.
Strona 5.
14. Co to jest model modalny i jakie parametry mogą wpływać na zmianę mod?
Model modalny – zbiór częstości własnych, współczynników tłumienia dla tych częstości oraz postaci drgań.
Mody są własnościami wewnętrznymi struktury i są zdeterminowane przez własności materiałowe takie jak
masa, tłumienie, sztywność oraz warunki brzegowe. Każda moda jest zdefiniowana poprzez częstotliwość
drgań własnych (częstotliwość modalna, rezonansowa), tłumienie modalne, postać drgań własnych (postać
modalna). Jeśli parametry materiałowe lub warunki brzegowe struktury ulegną zmianie wówczas również
mody ulęgną zmianie. Na przykład, jeśli dodatkowa masa zostanie zamocowana do struktury będzie ona
drgać inaczej.
15. Co przedstawia diagram stabilizacyjny?
Diagram stabilizacyjny – narzędzie numeryczne analizy modalnej będące wizualizacją równania
matematycznego wysokiego rzędu przybliżającego uśrednione przebiegi wszystkich widmowych funkcji
przejścia. Z tego przybliżenia otrzymuje się wyestymowane bieguny diagramu stabilizacyjnego.
16. Co to jest estymator H1 widmowej funkcji przejścia i po co się go stosuje?
Pozwala na częściową niwelację zaburzeń czy to na wejściu czy na wyjściu układu pomiarowego. Estymator
H1 stosuje się w celu minimalizacji wpływu zaburzeń na wyjściu toru pomiarowego (wpływ innych
pracujących maszyn).