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《振動噪音產學技術聯盟》為什麼模態分析,不一定需要設定阻尼?

這個單元要來探討的主題是:為什麼「模態分析」(Modal analysis),不一定需要設定「阻尼」(damping)?

 

破題就以【4W】的思維,來探討一下「模態分析」(Modal analysis):

 

1.      What is? 甚麼是「模態分析」?

2.      Why to do? 為什麼要進行「模態分析」?

3.      What goals? 進行「模態分析」,要達到甚麼目標?

4.      How to do? 如何進行「模態分析」?

 

首先,What is? 甚麼是「模態分析」?是4種振動分析類型(four types of vibration analysis)之一。先前單元,介紹過「振動分析」(vibration analysis)可以概分為4種振動分析類型,分別是:模態Modal、簡諧Harmonic、暫態Transient、頻譜Spectrum。

 

其次,Why to do? 為什麼要進行「模態分析」?目的在,瞭解結構的「振動模態」(vibration modes)。

 

其中,「結構/振動系統」(structure/vibration system),參閱圖片的表格,可以概分為兩種:

 

1.      「離散系統」(Discrete system):「離散系統」的主要特徵,質塊等物體,會是「剛體」(rigid body)的假設,通常會由彈簧、阻尼元件,連接組成。可以區分為:(1) 「單自由度系統」(SDOF system),(2) 「多自由度系統」(MDOF system)。

2.      「連續系統」(Continuous system):物體都是考慮為「彈性體」(elastic body)或「撓性體」(flexible body)的假設,也就是結構體是會變形的。可以區分如下:(1) 「線側向振動」(string lateral vibration),(2) 「柱軸向振動」(bar axial vibration),(3) 「軸扭轉振動」(shaft torsional vibration),(4) 「樑側向振動」(beam lateral vibration),(5) 「板側向振動」(plate lateral vibration),(6) 「任意結構三軸向振動」(arbitrary structure in triaxial vibration)。

 

「模態分析」就是要瞭解以上各種結構系統的「振動模態」(vibration modes)。

 

接著,What goals? 進行「模態分析」,要達到甚麼目標?要瞭解結構系統的「振動模態」(vibration modes),就是要得到系統的「模態參數」(Modal parameters),包括:

 

1.      𝒇𝒓「自然頻率」(natural frequency)。𝝎𝒓= 𝟐𝝅 𝒇𝒓。𝝎𝒓的單位:rad/sec。𝒇𝒓的單位:Hz。

2.      𝝓𝒓「模態振型」(mode shape)。在SDOF系統,沒有𝝓𝒓。在MDOF系統,𝝓𝒓是{𝝓𝒓}「模態振型向量」(mode shape vector)。在連續系統,𝝓𝒓是𝝓𝒓(𝒙)「模態振型函數」(mode shape function)

3.      𝝃𝒓「阻尼比」(damping ratio)。在SDOF系統,𝒓= 𝟏。在MDOF系統,𝒓=𝟏,𝟐,…𝑵。𝑵是自由度的數量。在連續系統,𝒓=𝟏,𝟐,…。會有無窮多組的「模態參數」。

 

需要注意的是,三個「模態參數」是成對出現的。也就是每一個「振動模態」,會有三個「模態參數」:𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。

 

再來,How to do? 如何進行「模態分析」?可以區分兩種方法:

 

1.      「正交模態分析」(Normal Mode analysis)、或稱「實數模態分析」(Real Mode analysis)。

2.      「複數模態分析」(Complex Mode analysis)。

 

以「多自由度系統」(MDOF system)為例,參閱圖片左下方的「運動方程式」(equation of motion, EOM)。進行「正交模態分析」,係假設系統的「阻尼」(damping)是「比例阻尼」(proportional damping),也就是「雷利阻尼」(Rayleigh damping):[𝑪] = 𝜶[𝑴] + 𝜷[𝑲]。其中,𝜶 和 𝜷 是任意常數。符合這個關係,就稱為「雷利阻尼」(Rayleigh damping),也就「比例阻尼」系統。

 

所以,在「正交模態分析」,可以忽略[𝑪]「阻尼」(damping)效應。就可以得到「模態參數」:𝒇𝒓、{𝝓𝒓}。再由阻尼矩陣的比例關係,可以推導得到「阻尼比」(damping ratio):𝝃𝒓 = 𝜶 / (𝟐 𝝎𝒓 ) + (𝜷 𝝎𝒓)/𝟐。

 

如果,[𝑪] ≠ 𝜶[𝑴] + 𝜷[𝑲],也就是「非比例阻尼」(non-proportional damping),進行「模態分析」,不可以忽略[𝑪],必須納入系統的[𝑪]「阻尼」(damping)效應,就是「複數模態分析」(Complex Mode analysis)。

 

在求解「非比例阻尼」(non-proportional damping)系統,其EOM「運動方程式」的矩陣「特徵值問題」(eigenvalue problem),求得的𝝀𝒓「特徵值」(eigenvalue)與{𝝍𝒓 }「特徵向量」(eigenvector),會是複數(complex number)。

 

可進而取得系統的「模態參數」:𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。其中,𝝓𝒓是複數的「模態振型」(mode shape)。不同於「比例阻尼」(proportional damping)系統,𝝓𝒓是實數的「模態振型」(mode shape)。

 

回到這個單元討論的主題:為什麼「模態分析」(Modal analysis),不一定需要設定「阻尼」(damping)?就看所欲進的是「正交模態分析」(Normal Mode analysis)、或「複數模態分析」(Complex Mode analysis)。

 

1.      「正交模態分析」(Normal Mode analysis) / 「實數模態分析」(Real Mode analysis):適用在「比例阻尼」(proportional damping)系統,可以忽略[𝑪],所以不需要設定「阻尼」(damping),就可以進行「模態分析」,取得「模態參數」:𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。其中,𝝓𝒓是實數的「模態振型」(mode shape)。

2.      「複數模態分析」(Complex Mode analysis):適用在「非比例阻尼」(non-proportional damping)系統,不可以忽略[𝑪],所以需要設定「阻尼」(damping),才可以進行「模態分析」,取得「模態參數」:𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。其中,𝝓𝒓是複數的「模態振型」(mode shape)。

 

綜合這個單元的討論,總結如下:

 

1.      以【4W】的思維,破題探討「模態分析」(Modal analysis):(1) What is? 甚麼是「模態分析」?。(2) Why to do? 為什麼要進行「模態分析」?。(3) What goals? 進行「模態分析」,要達到甚麼目標?。(4) How to do? 如何進行「模態分析」?。

2.      如何進行「模態分析」(Modal analysis)?可以區分兩種方法:(1) 「正交模態分析」(Normal Mode analysis)、或稱「實數模態分析」(Real Mode analysis):適用在「比例阻尼」(proportional damping)系統,可以忽略[𝑪],所以不需要設定「阻尼」(damping)。(2) 「複數模態分析」(Complex Mode analysis):適用在「非比例阻尼」(non-proportional damping)系統,不可以忽略[𝑪],所以需要設定「阻尼」(damping)。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2024.12.31

 

《振動噪音產學技術聯盟》針對振動分析,結構系統如何分類?

這個單元要來探討的主題是:針對「振動分析」(Vibration Analysis),「結構/振動系統」(structure/vibration system)如何分類?

 

首先,參閱圖片左邊的表格,說明了「振動系統」(vibration system)的4種振動分析類型(four types of vibration analysis)。

 

首先,來看「振動系統」(vibration system)的分類,說明如下:

 

1.      「離散系統」(Discrete system):「離散系統」的主要特徵,質塊等物體,會是「剛體」(rigid body)的假設,通常會由彈簧、阻尼元件,連接組成。

2.      「連續系統」(Continuous system):物體都是考慮為「彈性體」(elastic body)或「撓性體」(flexible body)的假設,也就是結構體是會變形的。

 

「離散系統」(Discrete system)可以區分為:

 

1.      「單自由度系統」(SDOF system):如圖示的m、c、k質塊彈簧阻尼系統。其「運動方程式」(equation of motion, EOM)是二階(second order)的「常微分方程」(ordinary differential equation, ODE)。

2.      「多自由度系統」(MDOF system):如圖示,是三個質塊和三個彈簧阻尼的三個自由度的系統。其EOM「運動方程式」是聯立的(coupled)、二階(second order)的「常微分方程組」(ordinary differential equations, ODEs)。

 

「連續系統」(Continuous system),從簡單到複雜的「數學模型」(mathematical model),可以區分如下:

 

1.      「線側向振動」(string lateral vibration):如圖示的小提琴的琴弦振動,又如吉他弦、鋼琴線的振動都是。其EOM「運動方程式」是二階(second order)的「偏微分方程」(partial differential equation, PDE)。

2.      「柱軸向振動」(bar axial vibration):如圖示,就是只考慮了沿著柱軸向的振動特性。其EOM「運動方程式」也是二階(second order)的「偏微分方程」(partial differential equation, PDE)。

3.      「軸扭轉振動」(shaft torsional vibration):如圖示,就是考慮了軸旋轉的振動模態效應。其EOM「運動方程式」也是二階(second order)的「偏微分方程」(partial differential equation, PDE)。

4.      「樑側向振動」(beam lateral vibration):如圖示的懸臂樑,會取其中性軸(neutral axis),建構數學模型。其EOM「運動方程式」是四階(fourth order)的「偏微分方程」(partial differential equation, PDE)。

5.      「板側向振動」(plate lateral vibration):如圖示的懸臂板,會取板的中性面(neutral surface),建構數學模型。其EOM「運動方程式」也是四階(fourth order)的「偏微分方程」(partial differential equation, PDE),不過,多考慮了板的二維空間(𝒙,𝒚)。

6.      「任意結構三軸向振動」(arbitrary structure in triaxial vibration):在任意幾何結構的振動分析,很難有如:線、柱、軸、樑、板結構,有具體的數學模型及EOM「運動方程式」。實務上,可以透過「有限元素分析」(finite element analysis, FEA)進行理論數值分析,系統的EOM「運動方程式」就會是MDOF「多自由度系統」的運動方程式形式。

 

再來,「振動分析」(vibration analysis)可以概分為有4種振動分析類型(four types of vibration analysis):

 

1.      「模態分析」(Modal analysis)

2.      「簡諧響應分析」(Harmonic response analysis)

3.      「暫態響應分析」(Transient response analysis)

4.      「頻譜響應分析」(Spectrum response analysis)

 

再參閱圖片表格,先從SDOF「單自由度系統」來看4種振動分析,可以得到的分析結果:

 

1.      模態Modal:可以得到系統的「模態參數」(Modal parameters),包括:𝒇𝒏「自然頻率」(natural frequency)、𝝃「阻尼比」(damping ratio)。

2.      簡諧Harmonic:假設外力是簡諧力(harmonic force),系統穩態響應也是簡諧響應(harmonic response),可以得到系統的「頻率響應函數」(frequency response function, FRF),係簡諧外力輸入𝒇(𝒕)和簡諧位移輸出𝒙(𝒕)之間的振幅關係。FRF = 𝑯(𝒇)=𝑿(𝒇)/𝑭(𝒇) 。

3.      暫態Transient:在已知 𝒇(𝒕) 外力,可以求得系統的 𝒙(𝒕) 位移響應。

4.      頻譜Spectrum:如果外力是隨機激振(random excitation),在已知 𝑮𝒇𝒇(𝒇) 外力功率頻譜,可以求得系統的 𝑮𝒙𝒙 (𝒇) 位移功率頻譜。

 

其次,從MDOF「多自由度系統」來看4種振動分析,可以得到的分析結果:

 

1.      模態Modal:可以得到系統的「模態參數」(Modal parameters),包括:𝒇𝒓「自然頻率」(natural frequency)、{𝝓𝒓}「模態振型向量」(mode shape vector)、𝝃𝒓「阻尼比」(damping ratio)。其中,𝒓=𝟏,𝟐,…𝑵。當有𝑵個自由度,就可取得𝑵組的「模態參數」:𝒇𝒓、{𝝓𝒓}、𝝃𝒓。

2.      簡諧Harmonic:假設外力是簡諧力(harmonic force),系統的穩態響應也會是簡諧響應(harmonic response),可以得到系統的「頻率響應函數」(frequency response function, FRF),係簡諧外力輸入𝒇𝒋 (𝒕) 和簡諧位移輸出𝒙𝒊 (𝒕)之間的振幅關係。FRF = 𝑯𝒊𝒋(𝒇)= 𝑿𝒊 (𝒇)/𝑭𝒋 (𝒇)。

3.      暫態Transient:在已知 𝒇𝒋 (𝒕) 外力,可以求得系統的 𝒙𝒊 (𝒕) 位移響應。

4.      頻譜Spectrum:如果外力是隨機激振(random excitation),在已知 𝑮𝒇𝒋𝒇𝒋 (𝒇) 外力功率頻譜,可以求得系統的 𝑮𝒙𝒊𝒙𝒊 (𝒇) 位移功率頻譜。

 

接著,觀察「連續系統」(Continuous system),和MDOF「多自由度系統」很類似,由「線側向振動」(string lateral vibration)來看4種振動分析,可以得到的分析結果:

 

1.      模態Modal:可以得到系統的「模態參數」(Modal parameters),包括:𝒇𝒓「自然頻率」(natural frequency)、𝝓𝒓(𝒙)「模態振型函數」(mode shape function)、𝝃𝒓「阻尼比」(damping ratio)。其中,𝒓=𝟏,𝟐,…。不同的是,會有無窮多組的「模態參數」:𝒇𝒓、𝝓𝒓(𝒙)、𝝃𝒓。而且,𝝓𝒓(𝒙)是函數、不是向量。

2.      簡諧Harmonic:假設外力是簡諧力(harmonic force),系統穩態響應也是簡諧響應(harmonic response),可以得到系統的「頻率響應函數」(frequency response function, FRF),係簡諧外力輸入𝒇𝒋 (𝒕) = 𝒇(𝒙𝒋,𝒕) 和簡諧側向位移輸出 𝒘𝒊 (𝒕) = 𝒘(𝒙𝒊,𝒕)之間的振幅關係。FRF = 𝑯𝒊𝒋(𝒇)= 𝑾𝒊(𝒇)/𝑭𝒋(𝒇)。

3.      暫態Transient:在已知 𝒇𝒋 (𝒕) = 𝒇(𝒙𝒋,𝒕) 外力,可以求得系統的 𝒘𝒊 (𝒕) = 𝒘(𝒙𝒊,𝒕) 位移響應。

4.      頻譜Spectrum:如果外力是隨機激振(random excitation),在已知 𝑮𝒇𝒋𝒇𝒋 (𝒇) 外力功率頻譜,可以求得系統的 𝑮𝒘𝒊𝒘𝒊 (𝒇) 位移功率頻譜。

 

綜合這個單元的討論:針對「振動分析」(Vibration Analysis),「結構/振動系統」(structure/vibration system)如何分類?總結如下:

 

1.      「結構/振動系統」(structure/vibration system)的分類:(1) 「離散系統」(Discrete system)。(2) 「連續系統」(Continuous system)。

2.      說明了「振動系統」(vibration system)的4種振動分析類型(four types of vibration analysis),可以得到的分析結果。4種振動分析,分別是:模態Modal、簡諧Harmonic、暫態Transient、頻譜Spectrum。

 

從系統的「運動方程式」(equation of motion, EOM)來看:

 

1.      「單自由度系統」(SDOF system):二階(second order)的「常微分方程」(ordinary differential equation, ODE)。

2.      「多自由度系統」(MDOF system):聯立的(coupled)、二階(second order)的「常微分方程組」(ordinary differential equations, ODEs)。

3.      「連續系統」(Continuous system):都是「偏微分方程」(partial differential equation, PDE)。在線、柱、軸,對 𝒙 是二階偏微分。在樑,對 𝒙 是四階偏微分。在平板,對 (𝒙,𝒚) 是四階偏微分。

 

從以上的說明,可以瞭解到學習工程數學的重要性,在結構的振動分析,在在需要工程數學的基礎,包括:(1)「常微分方程」(ordinary differential equation, ODE)、(2) 聯立「常微分方程組」(ordinary differential equations, ODEs)、(3)「偏微分方程」(partial differential equation, PDE)。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2024.12.28

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