這個單元要來探討的主題是:「正交(實數)模態分析」(Normal/Real mode
analysis),以及「複數模態分析」(Complex mode analysis),兩種分析的差異,以及如何進行?
這兩個名詞的共同關鍵詞:「模態分析」(Modal analysis)。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」?「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)。
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)。
參閱圖示左下方,顯示「多自由度系統」(MDOF system) 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。
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)。
參閱圖片中間的方程式,針對「正交模態分析」,可忽略{𝒇(𝒕)}:因為,振動模態是系統特性,與外力無關。可忽略[𝑪]:因為是「比例阻尼」。所以,系統的EOM,可以簡化為:[𝑴]{𝒙 ̈ }+[𝑲]{𝒙}={𝟎}。
再令:{𝒙(𝒕)}= {𝑿} 𝒆^𝒊𝝎𝒕。帶入EOM,化簡得到:[𝑲]{𝑿}=𝝎^𝟐 [𝑴]{𝑿}。這個方程式,就是典型的一般化矩陣特徵值問題(generalized eigenvalue problem of matrix)。
求解矩陣特徵值問題:[𝑲]{𝑿}=𝝎^𝟐 [𝑴]{𝑿}。可以得到:「特徵值」(eigenvalue) 𝝎𝒓^𝟐、以及「特徵向量」(eigenvector) {𝑿𝒓}。
由「特徵值」以及「特徵向量」,其物理意義,分別就是:𝝎𝒓= 𝟐𝝅 𝒇𝒓:「自然頻率」(natural frequency)。{𝝓𝒓}:「模態振型向量」(mode shape vector)。𝝎𝒓 → {𝝓𝒓},𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏。𝝎𝒓 與 {𝝓𝒓}是成對出現。稱為第𝒓個模態的「自然頻率」及第𝒓個模態的位移「模態振型向量」。
𝝃𝒓「模態阻尼比」(modal damping ratio),則由「雷利阻尼」(Rayleigh damping):[𝑪]
= 𝜶[𝑴] + 𝜷[𝑲]
的假設,可以推導出:𝝃𝒓 = 𝜶/(𝟐𝝎𝒓) + (𝜷𝝎𝒓)/𝟐。
到這裡,針對「正交模態分析」(Normal Mode analysis),就可以得到三個「模態參數」:𝒇𝒓、{𝝓𝒓}、𝝃𝒓。其中,{𝝓𝒓}是實數的「位移模態振型」(displacement mode shape)。
接著,讀者可參閱圖片右邊的方程式,針對「複數模態分析」,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」。
導入等式:[𝑴]{𝒙 ̇
}−[𝑴]{𝒙 ̇ }={𝟎}。結合原始的EOM,請參閱圖片,最後可以得到等效EOM:[𝑨]{𝒚 ̇ }+[𝑩]{𝒚}={𝑭}。其中,{𝒚}是速度向量{𝒙 ̇},和位移向量{𝒙}的疊合。又,進行「模態分析」,外力{𝑭}={𝟎},也可以忽略。
再令:{𝒚(𝒕)}= {𝒀}
𝒆^𝝀𝒕。帶入EOM,化簡得到:[𝑩]{𝒀}=−𝝀[𝑨]{𝒀}。這個方程式,也是典型的一般化矩陣特徵值問題(generalized eigenvalue problem of matrix)。
求解矩陣特徵值問題:[𝑩]{𝒀}=−𝝀[𝑨]{𝒀}。可以得到:「特徵值」(eigenvalue) 𝝀𝒓, 𝝀𝒓∗, 𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏,𝝀𝒓 = 𝑹𝒆 + 𝒊 𝑰𝒎 = −𝝃 ̂𝒓
𝝎 ̂𝒓+𝒊𝝎 ̂𝒓 √(𝟏− 𝝃 ̂𝒓^𝟐 )、以及「特徵向量」(eigenvector) {𝒀𝒓 }, {𝒀𝒓∗}, 𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏。在此須注意,分別有𝟐𝒏個成共軛複數的「特徵值」以及對應的「特徵向量」。
由「特徵值」以及「特徵向量」,其物理意義,分別就是:𝝎 ̂𝒓= 𝟐𝝅 𝒇 ̂𝒓:「自然頻率」(natural frequency)。{𝝓 ̂𝒓}:「模態振型向量」(mode shape vector)。𝝎 ̂𝒓 → { 𝝓 ̂𝒓 },𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏。𝝎𝒓 與 {𝝓𝒓}是成對出現。稱為第𝒓個模態的「自然頻率」及第𝒓個模態的位移「模態振型向量」。其中,𝝎 ̂𝒓=√(〖𝑹𝒆〗^𝟐+〖𝑰𝒎〗^𝟐),𝝃 ̂𝒓 =𝑹𝒆/√(〖𝑹𝒆〗^𝟐+〖𝑰𝒎〗^𝟐)。
到這裡,針對「複數模態分析」(Complex Mode analysis),也可以得到三個「模態參數」:𝒇 ̂𝒓、{𝝓 ̂𝒓}、𝝃 ̂𝒓。其中,{ 𝝓 ̂𝒓 }是複數的「位移模態振型」(displacement mode shape)。
綜合一下這個單元的討論,「正交(實數)模態分析」(Normal/Real mode
analysis),以及「複數模態分析」(Complex mode analysis),兩種分析的差異,以及如何進行?
由【4W】的思維,來探討「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」?
針對「正交(實數)模態分析」(Normal/Real mode
analysis),以及「複數模態分析」(Complex mode analysis),兩種分析的差異,統整如下:
1. 「模態分析」簡化的EOM:「正交(實數)模態分析」是:[𝑴]{𝒙 ̈ }+[𝑲]{𝒙}={𝟎},可以忽略[𝑪]。而「複數模態分析」是:[𝑨]{𝒚 ̇ }+[𝑩]{𝒚}={𝟎},不可以忽略[𝑪]。
2. 兩者都是一般化矩陣特徵值問題(generalized
eigenvalue problem of matrix)。「正交(實數)模態分析」是:[𝑲]{𝑿}=𝝎^𝟐 [𝑴]{𝑿}。而「複數模態分析」是:[𝑩]{𝒀}=−𝝀[𝑨]{𝒀}。
3. 由矩陣特徵值問題,可以分別求得「特徵值」(eigenvalue)以及「特徵向量」(eigenvector)。「正交(實數)模態分析」是:「特徵值」(eigenvalue) 𝝎𝒓^𝟐、以及「特徵向量」(eigenvector) {𝑿𝒓}。「複數模態分析」是:「特徵值」(eigenvalue) 𝝀𝒓, 𝝀𝒓∗, 𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏,以及「特徵向量」(eigenvector) {𝒀𝒓 }, {𝒀𝒓∗}, 𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏。其中,𝝀𝒓 = 𝑹𝒆 + 𝒊 𝑰𝒎 = −𝝃 ̂𝒓
𝝎 ̂𝒓+𝒊𝝎 ̂𝒓 √(𝟏− 𝝃 ̂𝒓^𝟐 )。
4. 由「特徵值」以及「特徵向量」,其物理意義,分別就是:「自然頻率」(natural frequency)以及「模態振型向量」(mode shape vector)。「正交(實數)模態分析」是:𝝎𝒓 → {𝝓𝒓},𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏。以及 𝝃𝒓 = 𝜶/(𝟐𝝎𝒓) + (𝜷𝝎𝒓)/𝟐。「複數模態分析」是:𝝎 ̂𝒓
→ { 𝝓 ̂𝒓 },𝒓=𝟏,𝟐,…,𝒏。其中,𝝎 ̂𝒓=√(〖𝑹𝒆〗^𝟐+〖𝑰𝒎〗^𝟐),𝝃 ̂𝒓 =𝑹𝒆/√(〖𝑹𝒆〗^𝟐+〖𝑰𝒎〗^𝟐)。
在「正交模態分析」(Normal Mode analysis),只適用在「雷利阻尼」(Rayleigh damping):[𝑪]
= 𝜶[𝑴] + 𝜷[𝑲]
的假設,也就是「比例阻尼」(proportional damping)。可以忽略[𝑪],以進行「模態分析」。其「特徵值」以及「特徵向量」都是純實數,所以,也稱為「實數模態分析」(Real Mode analysis)。
在「複數模態分析」(Complex Mode analysis),可適用在「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」。其「特徵值」以及「特徵向量」都是共軛複數對(complex
conjugate pair),所以,稱之為「複數模態分析」(Complex Mode analysis)。
以上個人看法,請多指教!
王栢村