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《振動噪音科普專欄》要如何對一個結構進行實驗模態分析EMA?

這個單元要來探討的主題是:要如何對一個結構進行實驗模態分析EMA

 

如果對實驗模態分析EMA,這個主題還不熟悉,就建議先以4W思維」來思考:

 

1.      What is EMA? 甚麼是EMA呢?

2.      Why to do EMA? 為甚麼要進行EMA呢?

3.      What goals for EMA? 進行EMA要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢?

4.      How to do EMA? 要如何進行EMA呢?

 

What is EMA? 甚麼是EMA呢?就是Experimental Modal Analysis,「實驗模態分析EMA。參閱圖片右上方兩個圖示,分別是EMA量測系統架構,和實際進行EMA量測的照片。

 

Why to do EMA? 為甚麼要進行EMA呢?就是想要知道一個結構的「振動模態(vibration modes),也就是要取得結構的「模態參數(modal parameters),包括:

 

1.      自然頻率natural frequencies

2.      模態振型mode shapes

3.      模態阻尼比modal damping ratios

 

注意,在3模態參數」的英文名詞,都有加上了s,也就是複數,因為,實際的結構,理論上會有無窮多個振動模態」。當然,實務上會著重在低頻率、或是有興趣的頻率範圍之「振動模態」。

 

What goals for EMA? 進行EMA要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢?就是要以實驗方法,取得結構的「振動模態」,也就是3模態參數」。

 

How to do EMA? 要如何進行EMA呢?簡要步驟概述如下:

 

1.      選擇「驅動器(actuator)及量測「感測器(sensor):參閱圖示,可以知道是採用「衝擊鎚(impact hammer)當做激振源,而採用「加速度計(accelerometer)量測結構的響應。關於EMA量測系統架構所需要的設備,我們再另闢單元討論。

2.      對結構進行「佈點規劃(grid points planning):如圖示的EMA量測照片,結構是振動試驗機中的音圈結構,參閱圖示中間下方的「佈點規劃」,總點數有168個點,分別在頂面圓、上下環、及每一個葉片上都有佈點。「佈點規劃」的Why & What goals? 就是要得到有興趣的頻率範圍之結構「振動模態」。而「佈點規劃」,需要決定其數量、量測方向等,特別是要取得結構的「模態振型」。關於進行EMA的「佈點規劃」,我們再另闢單元討論。

3.      量測一系列的FRF:針對所完成的「佈點規劃」,在每一個量測點,進行敲擊與量測,可以得到一系列的FRF。其中,FRFFrequency Response Function頻率響應函數」,也就是「輸出」除以「輸入」,在這裡是「加速度」除以「」。而「一系列」是指對所有的佈點,都要量測,所以可以得到168FRF,如圖示右下方,是其中一個量測點的FRFFRF也是一種「頻譜(spectrum),圖示顯示最高頻率是3000 HzFRF有峰值所對應的頻率,就是「自然頻率」,就有其對應的「模態振型」及「模態阻尼比」。

4.      進行「曲線嵌合(curve fitting),取得「模態參數」:圖示右側中間,顯示此音圈結構的「第一個模態振型」以及其「自然頻率」。在所量的到3000 Hz頻率範圍內,FRF中所有的峰值,都可以得到對應的3個「模態參數」。

 

綜合一下這個單元的討論,要如何對一個結構進行實驗模態分析EMA?就建議以4W思維」來思考,包括:

 

1.      What is EMA?

2.      Why to do EMA?

3.      What goals for EMA?

4.      How to do EMA?

 

針對如何進行「實驗模態分析EMA?提出有4個簡要步驟:

 

1.      選擇「驅動器」及量測「感測器」。

2.      對結構進行「佈點規劃」。

3.      量測一系列的FRF

4.      進行「曲線嵌合」,取得「模態參數」。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2022.04.23

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《振動噪音科普專欄》What is “CAE”? CAE’s Value? 甚麼是”CAE”?CAE的價值?

 

這個單元要來探討的主題是:甚麼是CAECAE的價值(Value)

 

首先,CAEComputer Aided Engineering 的縮寫,就是「電腦輔助工程分析」,有設計分析的內涵。產業界已經廣泛地採用CAE進行各種工程分析(engineering analysis)的應用。

 

要採用CAE進行一件工程分析專案,當然需要具備」、「」、「」三個條件:

 

1.          」:當然就是「工程師」,特別是CAE EngineerCAE工程師」。

2.          」:就是專業「知識(Knowledge)和「技術(Technology)

3.          」:有了「CAE工程師」的「」,也具備了「知識」和「技術」的「」,當然,「巧婦難為無米之炊」,還是需要有「CAE軟體(Software),才能執行「CAE工程分析專案,同時,CAE工程師」必須有整合的「應用技術(Application Technique)能力。

 

那麼一位CAE工程師」需要具備甚麼樣的「能力(Ability)呢?參閱1是「F-C/S-A/M-I-V-C-I」流程圖,讀者可參閱先前單元:#88工程設計的新思維:F-C(S)-A(M)-I-V/C-I】,說明如下:

 

1.          To define the purpose of analysis Function】:CAE工程師」要有能力定義分析的目的。

2.          To do analysis by CAE software CAE/FEA è Analysis Technique】:CAE工程師要能夠應用CAE軟體」進行所需要的分析,廣泛使用的是「有限元素分析(Finite Element Analysis, FEA),必須熟悉所需要應用的分析功能。

3.          To understand what he is doing Knowledge/Technology】:CAE工程師」必須瞭解正在進行的工作內涵,當然就需要具備相關的背景「知識(Knowledge)和「技術(Technology)。注意:「技術(Technology)和「技術(Technique),兩者是有些差異,雖然中文都稱為「技術」!

4.          To evaluate why he is doing Index è Value è Criterion】:CAE工程師」要能夠評估為什麼正在進行這樣的分析,特別要能夠透分析取得「評估指標(Index)對應的「數值(Value),並和「允收標準(Criterion)做比較探討。

5.          To correlate to experimental verification Sensor è Measurement】:CAE工程師」要能夠和實驗結果做比較驗證(experimental verification),當然,就需要「感測器(Sensor)和「量測(Measurement)相關的實驗技術。

6.          To know how to improve the product Improvement】:CAE工程師」要能夠根據模擬分析的結果,對產品提出「設計變更(design modification, DM)的「改善(Improvement)對策。

7.          To realize how to do it right in every stage F-C/S-A/M-I-V-C-I】:更重要的是,CAE工程師」對F-C/S-A/M-I-V-C-I】整個流程的每一個步驟,要能夠正確的執行。

 

接下來,引用先前單元:#243,【如何應用FCAIVCI FSMIVCI於響鈴板的設計分析與實驗驗證?】,參閱2來說明如何應用CAE,以及CAE的價值(Value),簡要步驟統整如下:

 

1.      設定設計目標Function:要設計「C6響鈴板」。

2.      瞭解設計要求的允收標準Criterion:第一個發聲頻率和音階標準頻率的誤差,必須在0.34%以內。

3.      定義明確的評估指標Index:必須能夠取得第一個發聲頻率」,也就是響鈴板」的「自然頻率」,以能計算音階標準頻率誤差」。

4.      進行「響鈴板」結構振動的「模態分析Analysis:才能夠求得「響鈴板」分析之「模態參數」,包括,「自然頻率」及對應的「模態振型」。

5.      建構「響鈴板」結構的「有限元素分析模型CAE/FEA:才能夠進行結構振動的「模態分析」。

6.      對實體的「C6響鈴板」進行EMA:確認「C6響鈴板」分析模型和實際結構是等效的(equivalent)

7.      對實體的「C6響鈴板」進行聲音量測:確認「C6響鈴板」的打擊聲音。

8.      如果NG:也就是IndexValue沒能夠符合Criterion,就要啟動Improvement,就是改善對策。CAE的價值(Value)就是在這個「虛擬測試(Virtual Testing, VT)循環,在還沒有製作出實體結構前,進行反覆的設計變更(DM),使得能夠達到設計要求

9.      如果OK:就根據設計的幾何參數,可以加工製作出實體的「C6響鈴板」,再做最後的產品認證(Product Validation, PV)

 

綜合一下這個單元的討論,甚麼是CAECAE的價值(Value)

 

1.      參閱1右上角的事物$示意圖:要採用CAE進行一件工程分析專案,當然需要具備」、「」、「」三個基本條件,還要知道「」、「」,甚麼時候需要用到CAE,要用在哪裡?更重要的是「$」,公司的經費支持。

2.      參閱1下方的F-C/S-A/M-I-V-C-I」流程圖CAE工程師」對F-C/S-A/M-I-V-C-I】整個流程的每一個步驟,要能夠正確的執行、整合應用,才能夠創造出CAE的價值(Value)

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2022.04.06


1、甚麼是CAECAE的價值(Value)

2、如何應用FCAIVCI FSMIVCI於響鈴板的設計分析與實驗驗證?