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《振動噪音科普專欄》結合「CAE」與「EMA」之工程設計與應用:後懸吊扭曲管件結構


先前單元:【甚麼是「模型驗證」?】,主要是在探討如何驗證對應於「實際結構」所建立的「分析模型」的正確性。【如何應用EMA於分析模型的模型驗證?】,則是深入說明EMA的概念,也對結構模型修正的方法及原理作介紹。【模型驗證的意義與虛擬測試之應用】,則是探討了UV車架結構變更設計流程。

這個單元再以一個實際案例,說明「虛擬測試(virtual testing, VT)的結構「設計變更(design modification)流程,如圖示,主要包括三個步驟:

1.      模型驗證(model verification, MV):針對系統結構,分別透過分析與實驗的解析,比對驗證系統模態參數相吻合,以確認結構系統之分析模型的正確性。
2.      響應預測(response prediction, RP):引用驗證後的結構系統分析模型,設定外力負荷條件以及邊界狀態,可以進行響應預測,得到設定的性能指標(performance index)
3.      設計變更(design modification, DM):透過模型變更(model modification),可以對結構系統分析模型,進行如幾何形狀尺寸的設計變更,並進行虛擬測試(virtual testing, VT)

本單元的標題:【結合「CAE」與「EMA」之工程設計與應用】,其中:

1.      CAE電腦輔助工程分析(computer aided engineering),最常採用的有限元素分析(finite element analysis, FEA),或是泛稱CAE電腦輔助工程分析。對應於EMA,所需要的分析技術,包括:(1)理論模態分析(theoretical modal analysis, TMA)(2) 簡諧響應分析(harmonic response analysis)
2.      EMA實驗模態分析(Experimental Modal Analysis, EMA) 也可稱為模態試驗(modal testing)EMA是一種實驗方法,主要在求得結構的模態參數,包括:自然頻率、模態振型及模態阻尼比。EMA的基本步驟:(1)量測取得結構的頻率響應函數。(2)由頻率響應函數透過曲線嵌合求得模態參數。甚麼是【實驗模態分析】?What is 'Experimental Modal Analysis' (EMA)】、【如何量測得到結構的頻率響應函數?

進行「虛擬測試」的結構「設計變更」,首先,對此「後懸吊扭曲管件結構」進行「模型驗證」,由圖示顯示模型驗證的比較重點:

1.      頻率域(frequency domain):結構系統的頻率響應函數(frequency response function, FRF)。在傳統以衝擊鎚及加速度規進行EMA,得到的FRF物理意義是:加速度除以外力的比值,單位:g/N。如圖之右下FRF圖示,水平座標是頻率(Hz),垂直座標是FRF振幅值(g/N)。每一個峰值頻率,就是結構的自然頻率
2.      模態域(modal domain):結構系統的模態參數(modal parameters)FRF圖示的第2自然頻率,上方所對應的分析與實驗之模態振型,可看出有良好的對應。

因此,從頻率域的FRF及模態域的各模態之模態參數比對相吻合,可以判斷模型驗證很成功,取得了此「後懸吊扭曲管件結構」的「分析模型」能夠「等效」於「實際結構」。

其次,可以引用驗證的「分析模型」,進行「響應預測」,本案例也分別進行了彎曲剛性(bending stiffness)以及扭曲剛性(torsion stiffness)分析,可以得到彎曲剛性扭曲剛性性能指標(performance index)

再則,引用驗證的「分析模型」,可以快速變更結構的幾何形狀、尺寸,以相同的分析手法,取得不同幾何狀態的性能指標。這就是「虛擬測試」的意義,在沒有製造出實際的結構情況下,就可以透過CAE軟體的應用分析,預測結構設計目標的性能指標

本單元的重點理念在【結合「CAE」與「EMA」之工程設計與應用】,以EMA進行結構系統分析模型的驗證與確認,是有效的、可靠的、有理論依據的系統性做法。

CAE模擬分析技術在工業界逐漸受到重視,並且應用在產品的開發與設計。同時,還要能夠導入EMA的實驗技術,落實「模型驗證」的應用,將可大大提升CAE的準確性與可靠性。

本單元以實際的「後懸吊扭曲管件結構」設計變更流程,探討模型驗證的意義與虛擬測試之應用,希望對讀者在引用EMA模型驗證的應用,有進一步的了解與體會!

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.07.30