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《振動噪音產學技術聯盟》正交(實數)模態分析 vs. 複數模態分析

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 𝒇𝒓𝝎𝒓的單位:rad/sec𝒇𝒓的單位:Hz

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

3.      𝝃𝒓阻尼比(damping ratio)SDOF系統,𝒓= 𝟏。在MDOF系統,𝒓=𝟏,𝟐,…𝑵𝑵是自由度的數量。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」:𝒇𝒓𝝓𝒓𝝃𝒓

 

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 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,,𝒏𝝎𝒓 {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,…,𝒏𝝀𝒓 = 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,,𝒏𝝎𝒓 {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

2025.02.05