每一個結構都有其模態參數,包括:自然頻率、模態振型、及模態阻尼比。先前多個單元看過矩形平板、圓形平板、銅鑼等結構。也有結構在自由邊界、以及固定邊界下的模態振型解讀。
這個單元就來介紹如圖示的自由邊界圓柱殼結構之振動模態解讀,也就是一個中空的水管形狀,在此稱之為圓柱殼(cylindrical shell)結構。
由圖示,這個中空圓柱殼結構,圓管的半徑R=12.5mm,長度L=98mm,管壁厚度t=1.2mm。如果,我們對此中空圓柱殼結構進行理論模態分析(theoretical modal
analysis),可以得到結構的自然頻率以及模態振型。
由圖示或是影片動畫,可以看到總共有25模態,其中,除了第21個模態是獨立一個自然頻率外,其他都是軸對稱的模態,也就是兩兩的自然頻率相同,而模態振型的物理意義,基本上也是相同,只是有相位角的差異。注意,由於軸對稱模態的振型相似,圖中並未顯示。
所以,對此中空圓柱殼結構的振動模態,我們可以區別出兩種類型:一是軸對稱模態(axisymmetric
mode),一是非對稱模態(non-symmetric
mode)。前25個模態中,只有第21個模態是非對稱模態,其他都是兩兩自然頻率相同的軸對稱模態。
再深入解讀此中空圓柱殼結構的模態振型,可以概分為3種模態振型之特徵:
1. 環模態(ring
mode):由於是管形結構,可以如同圓形平板的圓週的θ方向模態;由長度方向,也可區別出z方向的模態,所以可以組合成(z, θ)的環模態。
2. 彎曲模態(bending
mode):此中空圓柱殼結構也有如自由樑的彎曲模態,如圖示第13及14個模態,分別是x方向及y方向的彎曲模態,可以標示z=3的彎曲模態。
3. 扭轉模態(torsion
mode):此中空圓柱殼也會有z方向的扭轉效應,如圖示第21個模態,是z=2的扭轉模態。
可以看出對此中空圓柱殼結構,環模態是其主要的振動模態特徵,如第1及2個模態,(z,θ)=(1,2),在長度z方向,沒有節線(nodal
line),所以標示z=1,在圓週θ方向,呈現橢圓形的振動形態,所以標示θ=2。餘此類推,可以觀察以及解讀出所有的(z,θ)環模態。
綜合以上討論,我們可以對此中空圓柱殼結構的振動模態,總合說明其振動模態特性:
1.
由結構自然頻率,兩兩相等的特徵,可以區別出軸對稱模態;而沒有兩兩相等的自然頻率是非對稱模態。
2.
由結構模態振型的物理意義特徵,可以區分為3種模態特性:(1)環模態、(3)彎曲模態、及(3)扭轉模態。
3.
此中空圓柱殼結構的扭轉模態是非對稱模態;而,環模態及彎曲模態,都是軸對稱模態。
4.
(z,θ)的環模態是此中空圓柱殼結構的主要振動形態。
希望本單元對中空圓柱殼結構模態振型的解讀與介紹,可以讓讀者對這種管型的振動型態有所了解與體會,同時在解讀結構「模態振型」的物理意義,以及實務上的應用與啟發有幫助!
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2018.07.13