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《振動噪音產學技術聯盟》除了結構的「位移模態振型」,還會有其他類型的「模態振型」嗎?

這個單元要來探討的主題是:除了結構的「位移模態振型」(displacement mode shapes),還會有其他類型的「模態振型」(Mode shapes)嗎?

 

首先,回顧一下前一個單元:#436,【結構的「模態振型」,有單位嗎?】,舉一個懸臂樑的實際結構,如圖片左上方,一個細長型的薄樑,在左端是固定邊界(fixed boundary),在右端是自由邊界(free boundary)。

 

懸臂樑就是一個結構,每個結構都會有「振動模態」(vibration mode)。每一個「振動模態」,會有三個「模態參數」(modal parameters)。包括:

 

(1) 𝒇𝒓「自然頻率」(Natural frequencies),慣用單位:Hz。

(2) 𝝓𝒓「模態振型」(Mode shapes),慣用單位:m。

(3) 𝝃𝒓「模態阻尼比」(Modal damping ratios),無因次參數,慣用數值單位,常以%表示。

 

參閱圖片左邊的圖示與動畫,係透過FEA「有限元素分析」(Finite Element Analysis, FEA),分析取得的𝒇𝒓「自然頻率」及𝝓𝒓「模態振型」。懸臂樑結構的「模態振型」類型及其物理意義,可以區別出三種類型:

 

1.          第一種類型的「模態振型」是z-方向彎曲模態(z-bending mode)。

2.          第二種類型的「模態振型」是x-方向扭轉模態(x-torsional mode)。

3.          第三種類型的「模態振型」是y-方向彎曲模態(y-bending mode)。

 

結構𝝓𝒓「模態振型」是有單位的,其物理意義(physical meaning)彙整說明如下:

 

1.      結構𝝓𝒓「模態振型」的物理意義(physical meaning):一般來說,指的都是「位移模態振型」(displacement mode shapes),所以位移物理量的SI制單位是m。

2.      𝝓𝒓「位移模態振型」:是結構在該𝒇𝒓「自然頻率」下的變形狀態與運動行為。

3.      𝝓𝒓「位移模態振型」隱含意義:當結構「共振」(resonance)時,如果結構受到簡諧外力激振(harmonic force excitation),如果此簡諧外力的𝒇𝒆「激振頻率」相等或相近於𝒇𝒓「自然頻率」,亦即𝒇𝒆=𝒇𝒓、或𝒇𝒆~𝒇𝒓時,可以觀察到結構的運動狀態,會是𝝓𝒓「位移模態振型」的變形狀態與運動行為。

 

這個單元要探討的主題:除了結構的「位移模態振型」(displacement mode shapes),還會有其他類型的「模態振型」(Mode shapes)嗎?

 

答案是:有的,是有其他類型的「模態振型」。首先,參閱圖片右上方,顯示的是:𝒇𝟒= 223.85 Hz, 𝝓𝟒  = 3rd bending-z,也就是第4個「模態」(mode),也是第3個z-方向彎曲模態(z-bending mode),所對應的(𝜺𝒙, 𝜺𝒚, 𝜺𝒛)三個方向的「應變模態振型」(strain mode shapes),說明如下:

 

1.      圖示的「應變模態振型」,呈現的是「位移模態振型」的變形狀態,而不同色彩,代表的是不同大小的「應變」(strain)數值。

2.      可以觀察到:𝜺𝒙 Mode Shape的數值範圍=(-1.906, 1.906)。而,𝜺𝒚 Mode Shape的數值範圍=(-0.684,0.684),𝜺𝒛 Mode Shape的數值範圍=(-1. 067 1.067)。在這個模態,其「應變」(strain) 主要是x-方向所主導。注意:「應變」是無因次單位。

3.      再觀察𝜺𝒙 Mode Shape,出現最大、最小「應變」的位置,在左側的固定端,以及有最大變形的「反節點」(anti-nodal point)。

 

其次,參閱圖片中間圖示,顯示的是:第4個「模態」(mode),也是第3個z-方向彎曲模態(z-bending mode),所對應的(𝝈𝒙, 𝝈𝒚, 𝝈𝒛)三個方向的「應力模態振型」(stress mode shapes),說明如下:

 

1.      圖示的「應力模態振型」,呈現的是「位移模態振型」的變形狀態,而不同色彩,代表的是不同大小的「應力」(stress)數值。

2.      可以觀察到:x-方向「正向應力」(normal stress)𝝈𝒙 Mode Shape的數值範圍=(-0.486E12, 0.486E12)。而,𝝈𝒚 Mode Shape的數值範圍=(-0.252E12, 0.252E12),𝝈𝒛 Mode Shape的數值範圍=(-0.250E12, 0.250E12)。在這個模態,其「正向應力」(normal stress)主要是x-方向所主導。注意:「應力」的單位是Pa。

3.      再觀察𝝈𝒙 Mode Shape,出現最大、最小「應力」的位置,在左側的固定端,以及有最大變形的「反節點」(anti-nodal point)。此現象,和𝜺𝒙 Mode Shape有相同趨勢。可以理解:「應力」=「楊氏係數」x「應變」,𝝈=E 𝜺。

 

目前,觀察結構的「模態振型」(Mode shapes),有:

 

(1) 「位移模態振型」(displacement mode shapes)。

(2) 「應變模態振型」(strain mode shapes)。

(3) 「應力模態振型」(stress mode shapes)。

 

每一種類型的「模態振型」都有其對應物理量的單位。每一種類型的「模態振型」都有對應不同方向的「位移」、「應變」、「應力」。

 

實務上,更有興趣知道的是:結構的「等效應力模態振型」(equivalent stress mode shapes),此「等效應力」(equivalent stress)就是von Mises stress「麥西斯應力」來自「畸應變能破壞理論」(distortion strain energy failure theory),用於評估結構受應力狀態的安全性。有關「破壞理論」(failure theory),可參閱先前單元:#291,【甚麼是「破壞理論」 (Failure Theory)?如何應用於結構安全性評估?】。

 

參閱圖片右下方,顯示的是:懸臂樑前6個「模態」(mode)的von Mises stress「麥西斯應力」的「等效應力模態振型」(equivalent stress mode shapes),也就是𝝈𝒆𝒒𝒗 Mode Shape,重點說明如下:

 

1.      圖示的「等效應力模態振型」,呈現的是「位移模態振型」的變形狀態,而不同色彩,代表的是不同大小的𝝈𝒆𝒒𝒗 = von Mises stress「麥西斯應力」數值。

2.      觀察𝝈𝒆𝒒𝒗 Mode Shape,出現最大「應力」的位置,都是在左側的固定端。此隱含的意義是:當結構「共振」(resonance)時,如果結構受到簡諧外力激振(harmonic force excitation),如果此簡諧外力的𝒇𝒆「激振頻率」相等或相近於𝒇𝒓「自然頻率」,亦即𝒇𝒆=𝒇𝒓、或𝒇𝒆~𝒇𝒓時,可以觀察到結構的運動狀態,會是𝝓𝒓「位移模態振型」的變形狀態與運動行為。而,對應的「等效應力模態振型」顯示出可能率先破壞的位置,也就是出現最大「應力」的位置。

3.      再觀察𝝈𝒆𝒒𝒗 Mode Shape,除了左側的固定端外,如圖示的箭頭指出,會有最大變形的「反節點」(anti-nodal point),同時,也是有高的 𝝈𝒆𝒒𝒗 = von Mises stress「麥西斯應力」數值,都是潛在的、有風險的位置。

 

最後統整一下,有關結構的「模態振型」(Mode shapes),其類型可以觀察:

 

(1) 「位移模態振型」(displacement mode shapes)。

(2) 「應變模態振型」(strain mode shapes)。

(3) 「應力模態振型」(stress mode shapes)。

(4) 「速度模態振型」(velocity mode shapes)。

(5) 「加速度模態振型」(acceleration mode shapes)。

 

其中,「等效應力模態振型」(equivalent stress mode shapes),也就是𝝈𝒆𝒒𝒗 Mode Shape,可以用於結構受到「共振」(resonance)引發的破壞時,觀察von Mises stress「麥西斯應力」之「模態振型」(Mode shapes),在有高的 𝝈𝒆𝒒𝒗 = von Mises stress「麥西斯應力」數值、或是有「應力集中」(stress concentration)的地方,會是潛在的、風險的破壞位置。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.08.08

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《振動噪音產學技術聯盟》結構的「FRF」和「振動模態」有甚麼關聯性嗎?

 

 

這個單元要來探討的主題是:結構的「FRF」和「振動模態」(vibration mode)有甚麼關聯性嗎?

 

要探討這個主題,本單元就以一個高爾夫球桿來做說明,要取得高爾夫球桿的「振動模態」(vibration mode),可以透過EMA「實驗模態分析」(Experimental Modal Analysis, EMA),利用衝擊槌(impact hammer)敲擊結構,量測衝擊力的時間波形,同時,以加速度規(accelerometer)量測結構的振動響應。

 

首先,就破題來看,甚麼是「FRF」?英文全名:Frequency Response Function,所以簡稱FRF「頻率響應函數」,其定義:𝑭𝑹𝑭=𝑶𝒖𝒕𝒑𝒖𝒕/𝑰𝒏𝒑𝒖𝒕。也就是輸出響應的參數,除以輸入激振的參數。

 

如果,以衝擊槌和加速度規,進行EMA「實驗模態分析」,可以得到:𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇) = 𝑨𝒊 (𝒇) / 𝑭𝒋 (𝒇),典型的單位是:(g/N)。𝑯𝒊𝒋 (𝒇)的物理意義是:𝑨𝒊 (𝒇)加速度頻譜,除以𝑭𝒋 (𝒇)外力頻譜。其中,𝒊和𝒋,分別都代表了加速度規和衝擊力的位置與方向的資訊。

 

參閱圖片的右下方圖示,顯示的是𝒊=23和𝒋=23的𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇)。因為,是複數(complex number),所以圖示是其振幅值(amplitude) |𝑯𝒊𝒋 (𝒇)|。紅色的線條,就是來自EMA的實際量測結果。

 

接著,甚麼是「振動模態」?就是Vibration modes「振動模態」,完整的名詞是:Natural modes of vibration 「振動自然模態」。高爾夫球桿就是一個結構,每個結構都會有「振動模態」(vibration mode)。每一個「振動模態」,會有三個「模態參數」(modal parameters)。包括:

 

(1) 𝒇𝒓「自然頻率」(Natural frequencies),慣用單位:Hz。

(2) 𝝓𝒓「模態振型」(Mode shapes),慣用單位:m。

(3) 𝝃𝒓「模態阻尼比」(Modal damping ratios),無因次參數,慣用數值單位,常以%表示。

 

參閱圖片右邊標示EMA的系列圖示,顯示的是這個高爾夫球桿的前7個「振動模態」,例如,第1個「振動模態」:𝒇1=64.9Hz、𝝃1 =1.391%、𝝓1顯示出有兩個不動點,稱為「節點」(nodal point)。越高的「振動模態」,其𝒇𝒓「自然頻率」越大,而𝝓𝒓「模態振型」也越複雜。

 

再來的思考,如何求得結構的FRF「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)和「振動模態」(vibration mode)呢?可以有實驗與分析的方法:

 

1.      EMA「實驗模態分析」(Experimental Modal Analysis, EMA)。也可以稱為「模態試驗」(Modal Testing)。

2.      FEA「有限元素分析」(Finite Element Analysis, FEA)。

 

如何進行EMA「實驗模態分析」呢?可以歸納為兩個步驟:

 

1.      量測「FRF」「頻率響應函數」:採用衝擊槌和加速度規,經過訊號處理可以得到:𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇) = 𝑮𝒂𝒊 𝒂𝒊 (𝒇) / 𝑮𝒂𝒊 𝒇𝒋 (𝒇)。其中,變數符號𝑮(𝒇),代表的是「功率頻譜密度函數」(Power Spectral Density function, PSD)。𝑯𝒊𝒋 (𝒇)的物理意義,仍是:𝑨𝒊 (𝒇)加速度頻譜,除以𝑭𝒋 (𝒇)外力頻譜。

2.      進行「曲線嵌合」(curve fitting):由前一步驟量測得到的𝑯𝒊𝒋 (𝒇)「頻率響應函數」,透過「曲線嵌合」可以得到量測頻帶範圍內,所有「振動模態」的三個「模態參數」(modal parameters)。包括:𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。

 

在量測一個結構的「FRF」「頻率響應函數」,可以有兩種方式:

 

1.      移槌定規(roving hammer, fixed accelerometer):𝑯𝒊𝒋 (𝒇), 𝒋=𝟏,𝟐,…,𝒎。

2.      移規定槌(roving accelerometer, fixed hammer):𝑯𝒊𝒋 (𝒇), 𝒊=𝟏,𝟐,…,𝒎。

 

概念上,需要量到一系列的𝑯𝒊𝒋 (𝒇),才能夠透過「曲線嵌合」(curve fitting),取得「振動模態」的三個「模態參數」(modal parameters)。包括:𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。因為,結構的「FRF」和「振動模態」(vibration mode)確實有明確的對應關係,也是本單位要討論的重點。

 

其次,如果採用分析的FEA「有限元素分析」(Finite Element Analysis, FEA),也會有兩個階段的分析:

 

1.      TMA:「理論模態分析」(Theoretical Modal Analysis):一般來說,通常採用的是「正交模態分析」(normal mode modal analysis),所以只可以求得:𝒇𝒓「自然頻率」及𝝓𝒓「模態振型」。參閱圖片右邊標示FEA的系列圖示,顯示的是這個高爾夫球桿,由分析得到的前7個「振動模態」,例如,第1個「振動模態」:𝒇1=66.1Hz、𝝓1顯示出有兩個不動點,和EMA的結果很相近,代表此分析模型,很接近於實體結構的振動特性,可以是等效於實體結構的分析模型,可進行後續的其他分析。

2.      HRA:「簡諧響應分析」(Harmonic Response Analysis):完成前述的TMA,可繼續HRA。一般可以直接取得,𝑯𝒊𝒋 (𝒇) = 𝑿𝒊(𝒇) / 𝑭𝒋(𝒇),也就是位移除以外力。因為,要與實驗的𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇)作比較,需要經過轉換才可以得到:𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇) = 𝑨𝒊 (𝒇) / 𝑭𝒋 (𝒇)。參閱圖片的右下方圖示,顯示的是𝒊=23和𝒋=23的𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇)。水藍色、有三角框的曲線是來自FEA的分析結果,可以觀察和EMA的𝑭𝑹𝑭比較,相當吻合。

 

到這裡,知道了甚麼是「FRF」?甚麼是「振動模態」?也知道如何求得結構的「FRF」「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)和「振動模態」(vibration mode)呢?可以有實驗與分析的兩種方法。

 

回到本單元的主題:結構的FRF「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)和「振動模態」(vibration mode)有甚麼關聯性嗎?參閱圖片右邊的7個紅色箭頭指出的位置,點出了兩者之間的關聯性,說明如下:

 

1.      在𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇)的振幅圖(amplitude plot) |𝑯𝒊𝒋 (𝒇)|:出現峰值(peaks),對應的頻率值,就是𝒇𝒓「自然頻率」。

2.      在|𝑯𝒊𝒋 (𝒇)|顯示的頻帶範圍,本案例是:(0, 2500) Hz,有7個峰值(peaks),可以推論有7個「振動模態」(vibration mode)。

3.      每一個「振動模態」,都會有三個「模態參數」(modal parameters)。包括:𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。

4.      結構的「模態參數」,由EMA可以得到𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓。由FEA只可以求得:𝒇𝒓、𝝓𝒓。

 

綜合一下這個單元的討論:結構的FRF「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)和「振動模態」(vibration mode)有甚麼關聯性嗎?彙整如下:

 

1.      甚麼是「FRF」?英文全名:Frequency Response Function,所以簡稱FRF「頻率響應函數」,其定義:𝑭𝑹𝑭=𝑶𝒖𝒕𝒑𝒖𝒕/𝑰𝒏𝒑𝒖𝒕。以衝擊槌和加速度規,進行EMA「實驗模態分析」,可以得到:𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇) = 𝑨𝒊 (𝒇) / 𝑭𝒋 (𝒇),典型的單位是:(g/N)。

2.      甚麼是「振動模態」?就是Vibration modes「振動模態」,完整的名詞是:Natural modes of vibration 「振動自然模態」。高爾夫球桿就是一個結構,每個結構都會有「振動模態」(vibration mode)。每一個「振動模態」,會有三個「模態參數」(modal parameters)。包括:(1) 𝒇𝒓「自然頻率」(Natural frequencies),(2) 𝝓𝒓「模態振型」(Mode shapes),(3) 𝝃𝒓「模態阻尼比」(Modal damping ratios)。

3.      如何求得結構的FRF「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)和「振動模態」(vibration mode)呢?可以有實驗與分析的方法:(1) EMA「實驗模態分析」(Experimental Modal Analysis, EMA)。也可以稱為「模態試驗」(Modal Testing)。(2) FEA「有限元素分析」(Finite Element Analysis, FEA)。

4.      結構的FRF「頻率響應函數」(Frequency Response Function, FRF)和「振動模態」(vibration mode)有甚麼關聯性嗎?參閱圖片右邊的7個紅色箭頭指出的位置,點出了兩者之間的關聯性。此綜合的圖示與呈現方式,可以應用到其他結構,能夠清楚地表示、呈現出 𝑭𝑹𝑭=𝑯𝒊𝒋 (𝒇),與「振動模態」(vibration mode) 𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓,之間的關係。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.08.11

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