Każdy inżynier z pewnością spotkał się z zagadnieniem nadmiernych drgań, hałasu, z problemami z wytrzymałością oraz prawidłowym funkcjonowaniem urządzeń. Aby je rozwiązać należy dysponować odpowiednimi narzędziami; jednym z nich może być analiza modalna.
Bardzo typową, ale nie jedyną przyczyną tego typu problemów często bywa rezonans, czyli wzbudzenie na skutek działania zmiennych sił oraz częstotliwości drgań własnych obiektu. W tego typu sytuacji objawia się to wielokrotnym wzmocnieniem drgań i niejednokrotnie związanym z nim hałasem.
Przykładem tego typu problemów są duże drgania konstrukcji wsporczych, na przykład wentylatorów. W trakcie rozruchu zmienna prędkość obrotowa, czyli tym samym – zmienna częstotliwość, pokrywa się z drganiami własnymi, czyli własnością układu fizycznego, powodując duże drgania, które ustępują po przekroczeniu tej, bardzo konkretnej, prędkości.
W celu poznania powyższego zjawiska należy przeprowadzić pomiary charakterystyk dynamicznych konstrukcji lub urządzenia. Aby wykonać tego typu pomiary trzeba wzbudzić konstrukcję do drgań sygnałem o znanej sile oraz zmierzyć jej odpowiedź. W tym celu wykorzystujemy młotki modalne oraz wzbudniki (czujniki siły są częścią składową obu tych urządzeń). Pomiaru odpowiedzi obiektu dokonujemy zaś przy pomocy akcelerometrów lub innego typu czujników, na przykład wibrometrów laserowych czy nawet tensometrów. Efektem tych działań są tak zwane widmowe funkcje przejścia, czyli stosunek na przykład przyśpieszenia do siły. Tego typu dane służą następnie jako dane wejściowe do oprogramowania do analizy modalnej, które pozwalają nam na identyfikację niezbędnych parametrów.
Co jednak zrobić gdy nasz obiekt jest zbyt duży lub gdy nie jest możliwe jego wzbudzenie młotkiem modalnym lub wzbudnikiem? Z pomocą przychodzi nam narzędzie, jakim jest operacyjna analiza modalna – w tym wypadku potrzebne nam są tylko zmierzone wartości, na przykład przyśpieszeń obiektu. Narzędzie to jest w stanie wydobyć interesujące nas parametry mimo braku znanej siły wymuszenia. Typowymi obiektami, dla których operacyjna analiza modalna jest bardzo wskazanym narzędziem są np. mosty, całe budynki lub obiekty których zachowanie jest znacząco odmienne podczas działania. Przykładowo:
- samolot w locie, ponieważ na ziemi nie oddziaływają na niego efekty związane z aerodynamiką,
- most, na który działa wiatr.
Mając już informację o charakterystyce dynamicznej naszego obiektu, możemy zastosować modyfikację, która poprawi jego działanie, zmniejszy drgania i hałas oraz wydłuży żywotność. Modyfikacja może polegać np. na dodaniu masy, dodaniu elementów usztywniających, bądź zmianie tłumienia, poprzez zastosowanie wibroizolacji.
Uzbrojeni w taką wiedzę możemy również zmieniać parametry pracy maszyny np. zmieniając minimalnie prędkość obrotową, powodując polepszenie warunków pracy.
Analiza modalna jest więc skutecznym narzędziem inżynierskim pozwalającym poznać i rozwiązywać problemy na każdym etapie życia produktu lub konstrukcji.
Sławomir Raab
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (106/107) lipiec-sierpień 2016
