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《振動噪音科普專欄》知道【模態振型】對結構設計有幫助嗎?

每一個結構都有其模態參數,包括:自然頻率、模態振型、及模態阻尼比。先前多個單元花了不少工夫在解讀結構的模態振型。為什麼我們要深入的探討模態振型的物理意義?知道結構的模態振型,有甚麼意義?有甚麼用途?對結構設計有幫助嗎? 首先,我們回顧一下結構模態振型的節點(nodal point)、節線(nodal line)的物理意義。結構的彈性體模態,可以說是結構體本身變形的振動狀態。如果,看到的是一維樑結構,如圖示是典型的自由邊界樑結構的第1個振動模態的模態振型,在結構變形振動時,可以看到呈現出兩個節點,也就是結構變形振動時的不動位置。 如果,也觀察如圖示的一個二維平板結構,如先前以沙子做實驗觀察模態振型的單元:【結構的模態振型(modeshape)可以看得到嗎?】,圖示中,沙子聚集的位置,就是節線,也就是結構變形振動時的不動位置。 知道了模態振型之節點(nodal point)、節線(nodal line)的物理意義,因為在節點、節線附近的振動位移振幅小,可以在節點/節線附近做挖洞、或減小厚度方式之處理,這樣,可以減輕結構重量,而對結構的振動變形也不會有太大的改變,可達到對結構輕量化的效果。 相對於「節點」、「節線」的不動點位置,在「模態振型」之「最大變形處」,因為位移振幅大,可以在此位置進行適當的結構補強,如加大厚度或加入肋骨結構補強之。 在此要強調一個理念:「模態振型」是結構在受到對應於其「自然頻率」下激振時,結構振動的形態。一個機器結構在穩定運轉狀態下,結構體呈現的變形振動狀態,稱為「操作變形振型」(operational...