《振動噪音科普專欄》要如何對一個結構進行實驗模態分析EMA？

這個單元要來探討的主題是：要如何對一個結構進行「實驗模態分析」EMA？

 

如果對「實驗模態分析」EMA，這個主題還不熟悉，就建議先以「4W思維」來思考：

 

1.      What is EMA? 甚麼是EMA呢？

2.      Why to do EMA? 為甚麼要進行EMA呢？

3.      What goals for EMA? 進行EMA要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢？

4.      How to do EMA? 要如何進行EMA呢？

 

What is EMA? 甚麼是EMA呢？就是Experimental Modal Analysis，「實驗模態分析」EMA。參閱圖片右上方兩個圖示，分別是EMA量測系統架構，和實際進行EMA量測的照片。

 

Why to do EMA? 為甚麼要進行EMA呢？就是想要知道一個結構的「振動模態」(vibration modes)，也就是要取得結構的「模態參數」(modal parameters)，包括：

 

1.      「自然頻率」natural frequencies

2.      「模態振型」mode shapes

3.      「模態阻尼比」modal damping ratios

 

注意，在3個「模態參數」的英文名詞，都有加上了”s”，也就是複數，因為，實際的結構，理論上會有無窮多個「振動模態」。當然，實務上會著重在低頻率、或是有興趣的頻率範圍之「振動模態」。

 

What goals for EMA? 進行EMA要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢？就是要以實驗方法，取得結構的「振動模態」，也就是3個「模態參數」。

 

How to do EMA? 要如何進行EMA呢？簡要步驟概述如下：

 

1.      選擇「驅動器」(actuator)及量測「感測器」(sensor)：參閱圖示，可以知道是採用「衝擊鎚」(impact hammer)當做激振源，而採用「加速度計」(accelerometer)量測結構的響應。關於EMA量測系統架構所需要的設備，我們再另闢單元討論。

2.      對結構進行「佈點規劃」(grid points planning)：如圖示的EMA量測照片，結構是振動試驗機中的音圈結構，參閱圖示中間下方的「佈點規劃」，總點數有168個點，分別在頂面圓、上下環、及每一個葉片上都有佈點。「佈點規劃」的Why & What goals? 就是要得到有興趣的頻率範圍之結構「振動模態」。而「佈點規劃」，需要決定其數量、量測方向等，特別是要取得結構的「模態振型」。關於進行EMA的「佈點規劃」，我們再另闢單元討論。

3.      量測一系列的FRF：針對所完成的「佈點規劃」，在每一個量測點，進行敲擊與量測，可以得到一系列的FRF。其中，FRF是Frequency Response Function「頻率響應函數」，也就是「輸出」除以「輸入」，在這裡是「加速度」除以「力」。而「一系列」是指對所有的佈點，都要量測，所以可以得到168個FRF，如圖示右下方，是其中一個量測點的FRF。FRF也是一種「頻譜」(spectrum)，圖示顯示最高頻率是3000 Hz，FRF有峰值所對應的頻率，就是「自然頻率」，就有其對應的「模態振型」及「模態阻尼比」。

4.      進行「曲線嵌合」(curve fitting)，取得「模態參數」：圖示右側中間，顯示此音圈結構的「第一個模態振型」以及其「自然頻率」。在所量的到3000 Hz頻率範圍內，FRF中所有的峰值，都可以得到對應的3個「模態參數」。

 

綜合一下這個單元的討論，要如何對一個結構進行「實驗模態分析」EMA？就建議以「4W思維」來思考，包括：

 

1.      What is EMA?

2.      Why to do EMA?

3.      What goals for EMA?

4.      How to do EMA?

 

針對如何進行「實驗模態分析」EMA？提出有4個簡要步驟：

 

1.      選擇「驅動器」及量測「感測器」。

2.      對結構進行「佈點規劃」。

3.      量測一系列的FRF。

4.      進行「曲線嵌合」，取得「模態參數」。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2022.04.23

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《振動噪音科普專欄》What is “CAE”? CAE’s Value? 甚麼是”CAE”？CAE的價值？

 

這個單元要來探討的主題是：甚麼是”CAE”？CAE的價值(Value)？

 

首先，”CAE”是Computer Aided Engineering 的縮寫，就是「電腦輔助工程分析」，有設計分析的內涵。產業界已經廣泛地採用”CAE”進行各種「工程分析」(engineering analysis)的應用。

 

要採用”CAE”進行一件「工程分析」專案，當然需要具備「人」、「事」、「物」三個條件：

 

1.          「人」：當然就是「工程師」，特別是”CAE Engineer”，「CAE工程師」。

2.          「事」：就是專業「知識」(Knowledge)和「技術」(Technology)。

3.          「物」：有了「CAE工程師」的「人」，也具備了「知識」和「技術」的「事」，當然，「巧婦難為無米之炊」，還是需要有「CAE軟體」(Software)，才能執行「CAE工程分析」專案，同時，「CAE工程師」必須有整合的「應用技術」(Application Technique)能力。

 

那麼一位「CAE工程師」需要具備甚麼樣的「能力」(Ability)呢？參閱圖1是「F-C/S-A/M-I-V-C-I」流程圖，讀者可參閱先前單元：#88，【工程設計的新思維：F-C(S)-A(M)-I-V/C-I】，說明如下：

 

1.          To define the purpose of analysis 【Function】：「CAE工程師」要有能力定義分析的目的。

2.          To do analysis by CAE software 【CAE/FEA è Analysis Technique】：「CAE工程師」要能夠應用「CAE軟體」進行所需要的分析，廣泛使用的是「有限元素分析」(Finite Element Analysis, FEA)，必須熟悉所需要應用的分析功能。

3.          To understand what he is doing 【Knowledge/Technology】：「CAE工程師」必須瞭解正在進行的工作內涵，當然就需要具備相關的背景「知識」(Knowledge)和「技術」(Technology)。注意：「技術」(Technology)和「技術」(Technique)，兩者是有些差異，雖然中文都稱為「技術」！

4.          To evaluate why he is doing 【Index è Value è Criterion】：「CAE工程師」要能夠評估為什麼正在進行這樣的分析，特別要能夠透分析取得「評估指標」(Index)對應的「數值」(Value)，並和「允收標準」(Criterion)做比較探討。

5.          To correlate to experimental verification 【Sensor è Measurement】：「CAE工程師」要能夠和實驗結果做比較驗證(experimental verification)，當然，就需要「感測器」(Sensor)和「量測」(Measurement)相關的實驗技術。

6.          To know how to improve the product 【Improvement】：「CAE工程師」要能夠根據模擬分析的結果，對產品提出「設計變更」(design modification, DM)的「改善」(Improvement)對策。

7.          To realize how to do it right in every stage 【F-C/S-A/M-I-V-C-I】：更重要的是，「CAE工程師」對【F-C/S-A/M-I-V-C-I】整個流程的每一個步驟，要能夠正確的執行。

 

接下來，引用先前單元：#243，【如何應用FCAIVCI 及FSMIVCI於響鈴板的設計分析與實驗驗證？】，參閱圖2，來說明如何應用CAE，以及CAE的價值(Value)，簡要步驟統整如下：

 

1.      設定設計目標Function：要設計「C6響鈴板」。

2.      瞭解設計要求的允收標準Criterion：第一個發聲頻率和音階標準頻率的誤差，必須在0.34%以內。

3.      定義明確的評估指標Index：必須能夠取得「第一個發聲頻率」，也就是「響鈴板」的「自然頻率」，以能計算和「音階標準頻率」的「誤差」。

4.      進行「響鈴板」結構振動的「模態分析」Analysis：才能夠求得「響鈴板」分析之「模態參數」，包括，「自然頻率」及對應的「模態振型」。

5.      建構「響鈴板」結構的「有限元素分析模型」CAE/FEA：才能夠進行結構振動的「模態分析」。

6.      對實體的「C6響鈴板」進行EMA：確認「C6響鈴板」分析模型和實際結構是等效的(equivalent)。

7.      對實體的「C6響鈴板」進行聲音量測：確認「C6響鈴板」的打擊聲音。

8.      如果NG：也就是Index的Value沒能夠符合Criterion，就要啟動Improvement，就是改善對策。CAE的價值(Value)就是在這個「虛擬測試」(Virtual Testing, VT)循環，在還沒有製作出實體結構前，進行反覆的「設計變更」(DM)，使得能夠達到設計要求。

9.      如果OK：就根據設計的幾何參數，可以加工製作出實體的「C6響鈴板」，再做最後的「產品認證」(Product Validation, PV)。

 

綜合一下這個單元的討論，甚麼是”CAE”？CAE的價值(Value)？

 

1.      參閱圖1右上角的「人事物時地$」示意圖：要採用”CAE”進行一件「工程分析」專案，當然需要具備「人」、「事」、「物」三個基本條件，還要知道「時」、「地」，甚麼時候需要用到CAE，要用在哪裡？更重要的是「$」，公司的經費支持。

2.      參閱圖1下方的「F-C/S-A/M-I-V-C-I」流程圖：「CAE工程師」對【F-C/S-A/M-I-V-C-I】整個流程的每一個步驟，要能夠正確的執行、整合應用，才能夠創造出CAE的價值(Value)。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2022.04.06

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圖1、甚麼是”CAE”？CAE的價值(Value)？

圖2、如何應用FCAIVCI 及FSMIVCI於響鈴板的設計分析與實驗驗證？

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