這個單元要來探討的主題是:對結構進行「實驗模態分析」EMA,要如何做「佈點規劃」(grid point planning)?也是EMA系列的第3篇。
在先前單元:#262,【要如何對一個結構進行實驗模態分析EMA?】,其中一個重要步驟,就是:對結構進行「佈點規劃」(grid point planning)。
參閱圖示中間上方的懸臂樑結構示意圖,如果要對此懸臂樑進行EMA,就需要有量測之「佈點規劃」。如果,對「實驗模態分析」EMA之「佈點規劃」還不熟悉,就建議先以「4W思維」來思考:
1. What is? 甚麼是「佈點規劃」呢?
2. Why to do? 為甚麼要進行「佈點規劃」呢?
3. What goals? 進行「佈點規劃」要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢?
4. How to do? 要如何進行「佈點規劃」呢?
What is? 甚麼是「佈點規劃」呢?可參閱圖示右上方的懸臂樑結構「佈點規劃」示意圖,就是要明確的對所測試的結構,規劃所有的「敲擊點」和「量測點」之位置,這就是「佈點規劃」。
其次,Why to do? 為甚麼要進行「佈點規劃」呢?因為,進行EMA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3個「模態參數」(modal
parameters),包括:(1) 𝒇𝒓「自然頻率」(natural frequencies),(2) 𝝓𝒓「模態振型」(mode shapes),以及(3) 𝝃𝒓「模態阻尼比」(modal damping ratios)。其中,𝒓
是指結構的第𝒓個「振動模態」。
如果,只是要得到「自然頻率」𝒇𝒓
和「模態阻尼比」𝝃𝒓,只需要對一個量測點,進行敲擊與量測,可以得到一個的「頻率響應函數」(Frequency Response Function ,FRF),就可以合理地取得𝒇𝒓
和
𝝃𝒓。但是,要得到良好的「模態振型」𝝓𝒓,就需要佈得足夠多的點,才能夠看出「模態振型」的物理意義。
因此,What goals? 進行「佈點規劃」要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢?必須能夠明確地、有效地辨識「模態振型」的物理意義。讀者可參考先前單元:#8,【模態振型(mode shape)如何解讀?物理意義?】,瞭解如何解讀「模態振型」的物理意義。
接下來,就一步一步來看How to do? 要如何進行「佈點規劃」呢?在此假設,擬採用「衝擊鎚」(hammer)以及「加速規」(accelerometer),進行EMA,簡要步驟概述如下:
1.
瞭解結構的「振動模態」特徵:「振動模態」當然就是結構的3個「模態參數」,最重要的在確認「模態振型」之物理意義。以圖示的懸臂樑結構–「模態振型」來看,可以區別出有3種特徵的「模態振型」:(1) Y-方向的「彎曲模態」(bending mode in Y-direction),(2) X-方向的「扭轉模態」(torsion mode in X-direction),(3) Z-方向的「彎曲模態」(bending mode in Z-direction)。在此,也補充說明,一個結構在6個自由度的方向,包括:3個平移,以及3個旋轉方向,都會有振動,端看結構的幾何及邊界特性而定。
2.
判斷有興趣的「振動模態」:對圖示呈現的幾何比例之懸臂樑,會對Y-方向的「彎曲模態」,最有興趣,以下就以取得Y-方向的「彎曲模態」,為EMA的目標,進行說明。
3.
決定「量測點位置與數量」以及「量測方向」:參閱圖示,「量測點位置與數量」:沿著樑中心線,共30點。為什麼取樑的中心線呢?剛好會是X-方向「扭轉模態」的「節線」(nodal line),因為在此,只專注在Y-方向「彎曲模態」。也因此,「量測方向」就選擇量測Y方向。又,為什麼取30點呢?「量測點數量」規劃有所謂的「4倍原則」,係基於最少點數的考量。參閱圖示右下方,「佈點規劃:4倍原則」示意圖,以一個完整的正弦波來說,至少要有4個點,才能完整的描繪出上下波動的現象。如果,以𝝓5「模態振型」為例,有兩個完整的波動以及四分之一個波,所以,規劃最少點數為10個點。在此案例,取了30點,當然取了比較多的「量測點數量」,觀察到的「模態振型」會更平順、更容易辨識「模態振型」之物理意義。
4.
選擇「固定」或「移動」「衝擊鎚」:簡單來說,進行EMA,要選擇「固定」「衝擊鎚」,則需「移動」「加速規」。若選擇「移動」「衝擊鎚」,則要「固定」「加速規」。就分別簡稱兩種量測方式:(1)「定槌移規」(Fixed Hammer - Roving Accelerometer),(2)「移槌定規」(Roving Hammer - Fixed
Accelerometer)。採用任一種方式,理論上,都可行,也沒有差別。但是,要考慮如量測的可行性、方便性。在此,以「移槌定規」也就是「移動」「衝擊鎚」,敲擊所有的#1 ~ #30點,而「固定」「加速規」在#30,剛好是在懸臂樑的自由端位置,此固定點不是「節點」。在此需注意:不論是採用「定槌移規」或「移槌定規」,其固定點的位置,要避免是結構「模態振型」的「節點」,才能夠有效激發結構「振動模態」的振動,也才能夠量測取得對應的響應。固定點的選擇,可考慮在結構的自由端之邊緣點、非對稱位置,通常不會是「節點」,在此懸臂樑結構,自由端也是振動響應較大的位置。
綜合一下這個單元的討論,主要在瞭解:對結構進行「實驗模態分析」EMA,要如何做「佈點規劃」」(grid point planning)?就建議以「4W思維」來思考,包括:
1. What is?
2. Why to do?
3. What goals?
4. How to do?
針對如何做「佈點規劃」」(grid point planning)?提出4個簡要步驟:
1.
瞭解結構的「振動模態」特徵。
2.
判斷有興趣的「振動模態」。
3.
決定「量測點位置」、「量測點數量」以及「量測方向」。
4.
選擇「定槌移規」或「移槌定規」的量測方式。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2022.05.06