這個單元要來探討的主題是:「黏滯阻尼模型」(viscous damping model)和「結構阻尼模型」(structural damping model)在SDOF (single degree-of-freedom)單自由度系統,其「頻率響應函數」(frequency response function, FRF ),有甚麼不同?
在先前單元,分別探討過「黏滯阻尼」(viscous damping)以及「結構阻尼」(structural damping),參閱圖片上方,如果實際結構如圖示,有一個質塊,下方和彈簧連接,固定在地面。當質塊受到外力作用,質塊就會上下運動。
如果,彈簧之外,還有油壓缸的阻尼器(damper)組成,可建構其「黏滯阻尼」數學模型(mathematical model),系統參數:「質量」𝒎、「黏滯阻尼係數」𝒄、「彈簧常數」𝒌。受到「外力」𝒇(𝒕)作用,質塊會有「位移」𝒙(𝒕)的響應。
如果,只有彈簧的話,當此彈簧受到壓縮、拉伸的運動時,仍然有某種程度的「阻尼」(damping)效應。這個阻尼效應是來自材料本身,材料分子結構因為變形所造成的能量衰減,而形成的「阻尼」(damping)效應。可建構其「結構阻尼」數學模型(mathematical model),系統參數:「質量」𝒎、「結構阻尼係數」𝒉、「彈簧常數」𝒌。受到「外力」𝒇(𝒕)作用,質塊會有「位移」𝒙(𝒕)的響應。
兩個數學模型,主要的差異:
1. 「黏滯阻尼」(viscous damping):阻尼效應以
𝒄「黏滯阻尼係數」表示。
2. 「結構阻尼」(structural damping):阻尼效應以
𝒉「結構阻尼係數」表示。
其次,觀察兩個數學模型,其物理域(physical domain)運動方程式,主要差異在「阻尼力」(damping force):
1. 「黏滯阻尼」(viscous damping):「黏滯阻尼力」(viscous damping force):𝑭𝒅=𝒄𝒙 ̇ (N)。也就是「黏滯阻尼力」,是「黏滯阻尼係數」𝒄
和油壓缸移動的速度 𝒙 ̇,的乘積,都和「黏滯阻尼力」成正比。這也相當符合油壓缸的作動響應。
2. 「結構阻尼」(structural damping):「結構阻尼力」(structural damping force):𝑭𝒅=𝒊𝒉𝒙 (N)。也就是「阻尼力」,是「結構阻尼係數」𝒉
和質塊移動的位移 𝒊𝒙 ,的乘積。要注意的是:𝒊 =√(−𝟏),複數(complex number),因為,有𝒊 =√(−𝟏)的效應,某種程度也是和速度響應有關連性。
再觀察兩個數學模型,其模態域(modal domain)運動方程式,對物理域(physical domain)運動方程式,全式除以
𝒎,主要差異在代表阻尼的模態參數(modal parameters):
1. 「黏滯阻尼」(viscous damping):方程式表示成
𝝎𝒏 和 𝝃 的模態參數。其中,𝝎𝒏:「無阻尼自然頻率」(undamped natural
frequency),其定義:𝝎𝒏=√(𝒌/𝒎)
(rad/s)。𝝃:「黏滯阻尼比」(viscous damping
ratio),其定義:𝝃=𝒄/C𝒄。而,C𝒄:「臨界黏滯阻尼係數」(critically viscous damping coefficient),其定義:C𝒄 =𝟐√𝒎𝒌=𝟐𝒎 𝝎𝒏。
2. 「結構阻尼」(structural damping):方程式表示成
𝝎𝒏 和 𝜼 的模態參數。其中,𝜼:「散失因子」、「損耗因數」(loss factor),其定義:𝜼=𝒉/𝒌。又,(𝒌+𝒊𝒉)=𝒌(𝟏+𝒊𝜼):「複數勁度」(complex stiffness),可以模擬材料的阻尼效應。
如果,求解此SDOF單自由度系統之FRF「頻率響應函數」,其定義:FRF = 𝑯(𝒇) = 𝑿(𝒇) / 𝑭(𝒇)。參閱圖片方程式,除了表示成
𝑯(𝒇) = 𝑿(𝒇) / 𝑭(𝒇)形式,也可以得到無因次的FRF,亦即:𝑯(𝒓)= (
𝑿(𝒇)/𝒌 ) / 𝑭(𝒇)。其中,𝒓為頻率比,定義:𝒓=𝝎/𝝎𝒏。比較兩個數學模型之無因次的FRF,主要差異在分母的虛數部:
1. 「黏滯阻尼」(viscous damping):𝒊(𝟐𝝃𝒓)。
2. 「結構阻尼」(structural damping):𝒊(𝜼)。
由於FRF =
𝑯(𝒇) = 𝑯(𝒓)是複數(complex number),會分別取其|𝑯(𝒓)|振幅值(amplitude),以及∠𝑯(𝒓)相位角(phase angle)對應頻率軸,或是如圖示的
𝒓=𝝎/𝝎𝒏頻率比,繪圖呈現,此兩個圖示,慣稱為波德圖(Bode plot)。
參閱圖片下方,分別呈現「黏滯阻尼」(viscous damping)以及「結構阻尼」(structural damping),在不同阻尼效應的FRF曲線圖。可以觀察到類似的特徵,說明如下:
1. 阻尼效應越大,也就是
𝝃 越大、或 𝜼 越大,|𝑯(𝒓)|振幅值,越小。
2. 在
𝒓 ~= 𝟏時,|𝑯(𝒓)|振幅值(amplitude),會有較大的位移響應。這就是共振(resonance)的現象,也就是簡諧激振頻率接近於自然頻率 𝝎 ~= 𝝎𝒏。
3. 在
𝒓 = 𝟏時,∠𝑯(𝒓)相位角,會是剛好90度。也就是簡諧激振時,「位移」𝒙(𝒕)的響應,和「外力」𝒇(𝒕)之間,有90度的相位差。
4. 在
𝒓 < 𝟏時,當阻尼效應小,∠𝑯(𝒓)相位角,會是接近0度。也就是簡諧激振時,「位移」𝒙(𝒕)的響應,和「外力」𝒇(𝒕)之間,接近同相(in phase)。
5. 在
𝒓 > 𝟏時,當阻尼效應小,∠𝑯(𝒓)相位角,會是接近180度。也就是簡諧激振時,「位移」𝒙(𝒕)的響應,和「外力」𝒇(𝒕)之間,接近反相(out of phase)。
在先前單元,已經探討過,𝝃:「黏滯阻尼比」(viscous damping
ratio),以及𝜼:「散失因子」、「損耗因數」(loss factor),兩者之間的關係:𝜼 = 𝟐 𝝃。在此忽略推導的過程,僅說明此關係式,來自簡諧激振(harmonic excitation)分析假設,特別是在激振頻率 = 自然頻率:𝝎 = 𝝎𝒏 的條件下。
由於實務上,𝝃=0.1,10%的「黏滯阻尼比」,已經相當大,大約如一般的橡膠材料「黏滯阻尼比」。而對應的 𝜼 = 𝟐 𝝃=0.𝟐。在此,以「質量」𝒎、「彈簧常數」𝒌
單自由度系統,分別採用(1)「黏滯阻尼係數」𝒄 以及(2)「結構阻尼係數」𝒉
的「結構阻尼」(structural damper)模型,所取得的FRF「頻率響應函數」,以相同的無因次FRF,繪圖比較,如圖片右下方圖示,討論說明如下:
1. 𝝃=0.1,𝜼=0.2,也就是 𝜼 = 𝟐 𝝃:兩個阻尼模型的FRF曲線,幾乎重合,代表系統的響應特性幾乎相同。
2. 𝝃=0.2,𝜼=0.4,也就是 𝜼 = 𝟐 𝝃:兩個阻尼模型的FRF曲線,很相近,在不同激振頻率時,量值,略有差異。
3. 𝝃=0.3,𝜼=0.6,也就是 𝜼 = 𝟐 𝝃:兩個阻尼模型的FRF曲線,有相近,在不同激振頻率時,量值,差異比 𝝃=0.2,𝜼=0.4,稍大。
「黏滯阻尼」(viscous damping)以及「結構阻尼」(structural damping),在不同阻尼效應的FRF曲線圖。比較大差異的特徵,說明如下:
1. 「黏滯阻尼」(viscous damping):FRF曲線的峰值,隨著阻尼效應增大,其峰值頻率,會略為小於。但是,在低的 𝝃「黏滯阻尼比」,此峰值頻率的變異很小,幾乎相同。
2. 「結構阻尼」(structural damping):FRF曲線的峰值,隨著阻尼效應增大,其峰值頻率,維持不變,都是在 𝒓
=
𝟏。
在
𝝃 < 0.1,𝜼 < 0.2,兩種模型在FRF曲線的特徵,是相當的。因此,在實務應用上,取𝜼 = 𝟐 𝝃,可以是合理的假設。
綜合一下這個單元的討論,主要在探討「黏滯阻尼模型」(viscous damping model)和「結構阻尼模型」(structural damping model)在SDOF單自由度系統,其FRF「頻率響應函數」有甚麼不同?從不同的方式來比較,綜合如下:
1. 物理域(physical domain)運動方程式,主要差異在「阻尼力」(damping force):「黏滯阻尼力」(viscous damping force):𝑭𝒅=𝒄𝒙 ̇ (N)。而,「結構阻尼力」(structural damping force):𝑭𝒅=𝒊𝒉𝒙 (N)。
2. 模態域(modal domain)運動方程式,主要差異在代表阻尼的模態參數(modal parameters):相同的是:𝝎𝒏:「無阻尼自然頻率」(undamped natural frequency),其定義:𝝎𝒏=√(𝒌/𝒎)
(rad/s)。不同的是阻尼模態參數,「黏滯阻尼模型」是 𝝃:「黏滯阻尼比」(viscous damping ratio),其定義:𝝃=𝒄/C𝒄。而,C𝒄:「臨界黏滯阻尼係數」(critically viscous damping coefficient),其定義:C𝒄 =𝟐√𝒎𝒌=𝟐𝒎 𝝎𝒏。而,「結構阻尼模型」是 𝜼:「散失因子」、「損耗因數」(loss factor),其定義:𝜼=𝒉/𝒌。又,(𝒌+𝒊𝒉)=𝒌(𝟏+𝒊𝜼):「複數勁度」(complex stiffness),可以模擬材料的阻尼效應。兩者阻尼模態參數之間的關係:𝜼 = 𝟐 𝝃。
3. SDOF單自由度系統之FRF「頻率響應函數」,其定義:FRF = 𝑯(𝒇)
= 𝑿(𝒇) / 𝑭(𝒇)。主要差異在FRF分母的虛數部。在「黏滯阻尼模型」是𝒊(𝝎𝒄)或𝒊(𝟐𝝃𝒓)。而,「結構阻尼模型」是𝒊(𝒉)或𝒊(𝜼)。
4. 定義了無因次的FRF,亦即:𝑯(𝒓)= (
𝑿(𝒇)/𝒌 ) / 𝑭(𝒇)。由於FRF = 𝑯(𝒇) = 𝑯(𝒓)是複數(complex number),會分別取其|𝑯(𝒓)|振幅值(amplitude),以及∠𝑯(𝒓)相位角(phase angle)對應頻率軸,或是如圖示的
𝒓=𝝎/𝝎𝒏頻率比,繪圖呈現,此兩個圖示,慣稱為波德圖(Bode plot)。
5. 比較「黏滯阻尼模型」以及「結構阻尼模型」,無因次的FRF:在 𝝃 < 0.1,𝜼 < 0.2,兩種模型在FRF曲線的特徵,是相當的。因此,在實務應用上,取𝜼 = 𝟐 𝝃,可以是合理的假設。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2024.09.30
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