結構是四週自由邊界,或說是全自由邊界狀態(free boundary
condition)時,結構振動模態會呈現兩種形式:(1)剛體模態,(2)彈性體模態。那麼有固定邊界(fixed boundary)的結構,是不是就沒有剛體模態呢?
但是,有些工程結構,例如機器安置在橡膠隔振墊上,由於機器與橡膠隔振墊的剛性差異很大,仍然會有機器本體的(1)剛體模態,以及(2)彈性體模態之振動特性。
如圖示,一塊鋼板置於橡膠墊上方,其間介面以膠合方式黏著,假設是理想的膠合狀態(ideal
bonded),橡膠墊下方與地面固定,並假設橡膠墊底部為固定邊界。
對此鋼板與橡膠墊組合結構,進行理論模態分析,如圖示,求得其前10個結構振動模態,綜合觀察與討論如下:
1.
第1個模態:其自然頻率為14.01Hz,模態振型的物理意義是鋼板沿x方向的平移剛體模態。
2.
第2個模態:其自然頻率也為14.01Hz,模態振型的物理意義是鋼板沿y方向的平移剛體模態。第1及第2個模態自然頻率相等的原因,是因為此結構為方正的對稱結構,所以,x方向與y方向的平移剛體模態之自然頻率相等。
3.
第3個模態:其自然頻率為14.22 Hz,模態振型的物理意義是鋼板在z方向的旋轉剛體模態。
4.
第4個模態:其自然頻率為100.40 Hz,模態振型的物理意義是鋼板在x方向的旋轉剛體模態。
5.
第5個模態:其自然頻率為100.40 Hz,模態振型的物理意義是鋼板在y方向的旋轉剛體模態。同樣的,因為此結構為方正的對稱結構,所以,x方向與y方向的旋轉剛體模態之自然頻率相等。
6.
第6個模態:其自然頻率也為101.56Hz,模態振型的物理意義是鋼板沿z方向的平移剛體模態。
7.
第7~10個模態:可以看出都是鋼板結構的彈性體模態,因為,此案例鋼板是小尺寸,所以,其彈性體模態的自然頻率相對的高。由模態振型上的節線,可觀察不同振動模態的物理意義。
回到本篇的提問:全自由邊界結構有「剛體模態」,固定邊界結構就沒有「剛體模態」嗎?
以這個案例結構來看,答案當然是否定的,這個鋼板與橡膠墊組合結構,雖然在橡膠墊底部是固定邊界,但是,鋼板的振動模態仍然會有(1)剛體模態,以及(2)彈性體模態之振動特性。
在此須注意,此鋼板與橡膠墊組合結構案例的剛體模態自然頻率,不為0 Hz,這與全自由邊界時,剛體模態的自然頻率都為0 Hz,是截然不同的特徵。
其中,【結構的剛體模態】又可以由振動型態的物理意義,仍然可以區別為:
1.
三個平移模態(translational mode):分別是x、y、z 三個方向的平移剛體模態。
2.
三個旋轉模態(rotational mode):分別是x、y、z 三個方向的旋轉剛體模態。
希望本文對了解特殊結構在固定邊界條件下,也有可能有剛體模態的現象,對您有幫助!
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2018.05.24