這個單元的主題:「外力激振」的「單自由度系統」之「振動分析」,解剖下來有兩個問題,「甚麼是『外力激振』的『單自由度系統』?」以及「甚麼是『振動分析』?」
首先,來回顧一下甚麼是「外力激振」的「單自由度系統」,參閱先前單元:【甚麼是「外力激振」的「單自由度系統」?】,簡要說明如下:
1. 實體結構:也就是左上方圖示的「質塊彈簧之實體結構」。以一個「質塊」安置在「彈簧」的上方,而「彈簧」的另一端是固定在邊界上。如果,對「質塊」施予外力,「質塊」就會上下來回振盪,可以觀察「質塊」的「位移」運動狀態。
2. 數學模型:對此「質塊彈簧之實體結構」,進行「數學模型化」(mathematical
modeling),可以得到如圖示對應的「數學模型」(mathematical model)。其中,「系統參數」(system parameters),就是:m、c、k,分別是質塊的「質量」、彈簧的「黏滯阻尼係數」、彈簧的「彈簧常數」。「輸入」是f(t),為系統的外力,以及質塊本身的「初始位移」X0及「初始速度」V0。「輸出」是x(t),為系統質塊的位移響應。
3. 運動方程式:ma+cv+kx=f(t)。是「二階的常微分方程式」,所以需要兩個「初始條件」:「初始位移」X0及「初始速度」V0。【備註:比較明確的數學方程式,請讀者參考圖示,在文字說明,受限於方程式編寫,分別以x、v、a,代表位移、速度、加速度。】
接下來,要對此「外力激振」的「單自由度系統」進行「振動分析」,可以藉由”4W”的思考想一下「振動分析」:
1. What is?:甚麼是「振動分析」?
2. Why to do?:為什麼要進行「振動分析」?
3. What to get/know?:進行「振動分析」可以得到/知道甚麼?
4. How to do?:如何進行「振動分析」?
接著,甚麼是「振動分析」?一個結構的「振動」「分析」,就是透過理論或實驗方法進行「分析」,以瞭解結構的「振動」現象、行為、特徵及影響。
一個結構的「振動」「分析」,可以分為四種類型,從”WHY to
do?”及”WHAT to get/know?”分別說明如下:
1. 模態分析(modal analysis):”WHY”:瞭解結構的「振動模態」(vibration mode)。”WHAT
to get?”:求得結構的「模態參數」(modal parameters)。
2. 簡諧響應分析(harmonic response analysis):”WHY”:瞭解結構系統的「頻譜響應」特性。”WHAT to get?”: 求得結構的「頻率響應函數」(frequency
response function, FRF)。
3. 暫態響應分析(transient response analysis):”WHY”:瞭解結構系統受到「外部激振」的系統「時間域響應」。”WHAT to get?”:求得結構系統如位移的「時間域響應」。
4. 頻譜響應分析(spectrum response analysis):”WHY”:瞭解結構系統受到「隨機」(random)的「外部激振」之系統「響應」。”WHAT
to get?”:求得結構系統如位移的「頻率域響應」。
接下來,針對此「外力激振」的「單自由度系統」之四種「振動分析類型」分別進一步討論:
1. 模態分析(modal analysis):主要在求得結構的「模態參數」(modal
parameters)。在此「單自由度系統」的「模態參數」為:「自然頻率」,ωn=2πfn=(k/m)^0.5,「阻尼比」,ξ=c/Cc。其中,c是「黏滯阻尼係數」,Cc=2*(mk)^0.5=2mωn,是「臨界黏滯阻尼係數」。所以,由「系統參數」:m、c、k,就可以求得「自然頻率」ωn以及「阻尼比」ξ。
2. 簡諧響應分析(harmonic response analysis):主要在求得結構的「頻率響應函數」(frequency
response function, FRF),圖示以H(ω)代表,其物理意義是:結構受到「簡諧激振」(harmonic
excitation),其「外力振幅」F,而系統的「穩態響應」也是「簡諧響應」,其「位移振幅」X,所以H(ω)是輸出的「位移振幅」X除以輸入的「外力振幅」F,H(ω)=X/F,完整的表示式參閱圖示,可以觀察和「系統參數」:m、c、k,及「激振頻率」:ω=2πf相關。典型的「單自由度系統」之「頻率響應函數」H(ω)的振幅圖,如圖示,其特性再另闢單元討論。
3. 暫態響應分析(transient response analysis):主要在求得結構系統如位移的「時間域響應」。當已知系統的外力f(t),以及質塊本身的「初始位移」X0及「初始速度」V0。可以求得「輸出」是x(t),為系統質塊的位移「時間域響應」。
4. 頻譜響應分析(spectrum response analysis):當結構系統受到「隨機」的「外部激振」時,如圖示的「隨機外力」f(t),若以前項的「暫態響應分析」方式求解「時間域響應」,雖然可行,但是不容易解析、也曠日廢時,所以會將「隨機外力」f(t),進行FFT(快速傅立業轉換)【甚麼是頻譜分析?】,求得「隨機外力」的「自身功率頻譜」Gff(f),透過「頻譜響應分析」方式求解之系統位移的「頻率域響應」Gxx(f),也就是位移的「功率頻譜密度函數」。對Gxx(f)取積分、開根號,可以求得位移的「平方平均根值」(RMS, root mean square),相當於瞭解了結構的位移響應量值大小,可達到分析目的。
最後,統整一下本單元介紹的四種「振動分析類型」,總結說明如下:
1. 模態分析(modal analysis):主要在求得結構的「系統」資訊,也就是「模態參數」(modal parameters),包括:「自然頻率」ωn以及「阻尼比」ξ。所以,「模態分析」是一種「系統分析」(system
analysis),在求得結構系統的「模態域參數」。
2. 簡諧響應分析(harmonic response analysis):也是一種「系統分析」,在求得結構系統的「頻率域參數」,是求得輸出與輸入之間的FRF。主要在得到結構的「頻率響應函數」(frequency response function, FRF), H(ω) =X/F,其物理意義是:輸出的「位移振幅」X除以輸入的「外力振幅」F,H(ω)=X/F。其中,ω=2πf為「簡諧激振」的「激振頻率」。
3. 暫態響應分析(transient response analysis):可以說是R-analysis「響應分析」(response analysis),在求得系統的「輸出響應」(output response)。主要在求得結構系統如位移的「時間域響應」。當已知系統的外力f(t),以及質塊本身的「初始位移」X0及「初始速度」V0。可以求得「輸出」是x(t),為系統質塊的位移「時間域響應」。
4. 頻譜響應分析(spectrum response analysis):也是R-analysis「響應分析」(response analysis),在求得系統的「頻率域」之「輸出響應」(output response)。會採用「頻譜響應分析」,主要應用在結構系統受到「隨機」的「外部激振」時,將「時間域」之「隨機外力」f(t),透過”FFT”轉換到「頻率域」進行求解,取得系統輸出的位移「功率頻譜密度函數」,進而可求得位移的「平方平均根值」(RMS, root mean square),相當於瞭解了結構的位移響應量值大小。
本單元,以「外力激振」的「單自由度系統」為例,探討了典型的四種「振動分析類型」,包括:「模態分析」、「簡諧響應分析」、「暫態響應分析」、「頻譜響應分析」。也由”4W”的思考:”What is?”、” Why to do? ”、”What to get? What to know?
”、”How to do? ”,引導說明與討論四種「振動分析類型」,希望讀者能對「振動分析」有進一步的瞭解。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2020.02.14文章粉絲團連結
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