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《振動噪音科普專欄》如何進行結構的「靜力分析」?

 

這個單元要來探討的主題是:如何進行結構的「靜力分析」(Static Analysis)?

 

在前一個單元:#289,【「靜力分析」和「振動分析」有什麼不同?】,主要在區別「靜力分析」(Static Analysis)和「振動分析」(Vibration Analysis)有什麼不同?這個單元就深入來討論如何進行「靜力分析」(Static Analysis)?

 

在此,先以「4W」的心法,來討論「靜力分析」:

 

1.      What is “Static Analysis”? 甚麼是「靜力分析」?

2.      Why to do “Static Analysis”? 為什麼要進行「靜力分析」?

3.      What goals for “Static Analysis”? 「靜力分析」要達到甚麼目標?

4.      How to do “Static Analysis”? 如何進行「靜力分析」?

 

首先,甚麼是「靜力分析」呢?主要的假設:

 

1.      外力: 𝒇(𝒕) = 常數。雖然,實際的受力狀態,可能是隨時間變化,但是,在「靜力分析」,外力是假設不會隨時間變化的。

2.      物體是沒有運動/振動:所以,結構的速度:𝒗(𝒕)=𝟎和加速度:a(𝒕)=𝟎。

 

在此,舉一個案例:懸臂樑受均佈壓力之靜力分析,參閱右上方第一個圖示,樑的左端是牆面的固定邊界。在樑結構的上表面,受到均佈壓力P (N/m2)的作用,若是進行「靜力分析」,就是假設此均佈壓力P是常數,也就是不隨時間變化。

 

為什麼要進行「靜力分析」?或是說,為什麼可以進行「靜力分析」呢?

 

1.      如果,外力P沒有大變動。

2.      如果,外力P可以簡化、假設為常數。

 

其次,如果進行了「靜力分析」,要達到甚麼目標呢?就是要得到結構的變形與應力狀態,分別是整個結構的「位移」變形,以及結構上每個位置的「應力」。得到結構「應力」,才可以進行結構的安全性評估,再另闢單元討論。

 

接下來,切入本單元的主題:如何進行結構的「靜力分析」(Static Analysis)?

 

1.      問題定義:要對實際結構有完整的說明,可採用【F → GMBI → R】的心法。讀者可參考單元:#95,【結構系統之振動模擬分析:問題定義的F-GMBI-R】

2.      數學模型:對實際結構做適當地假設,取得數學模型,參閱右邊第二個圖示,也是採用【F → GMBI → R】心法,分別說明之。G=Geometry幾何,如圖示懸臂樑,就需要交待幾何參數,如長度、寬度、厚度。M=Material材料,也需說明這個樑結構所使用的材料,如鋼材、鋁材等。B=Boundary邊界條件,本案例,懸臂樑的左端是固定於牆面。I=Interface接觸介面,本案例是單一材料結構,沒有接觸效應,所以可忽略。F=Force外力負荷,本案例在樑結構的上表面,受到均佈壓力P的作用。最後就是R=Response結構響應,在「靜力分析」得到的R,就是結構的「位移」變形以及結構上每個位置的「應力」。

3.      有限元素模型:針對後續要採用有限元素分析FEA軟體進行分析,需要構想所擬進行有限元素分析的模型,必須包括4個項目:(1)元素Element、(2)分割Mesh、(3)位移限制Constraints、(4)負荷條件Loadings。每個項目都必須具體明確,才能夠進到下一個步驟

4.      FEA軟體應用分析:可以求得結構的變形和結構應力。

5.      分析結果討論評估:結構上任意的位置都可以取得變形的位移,通則來說,可取得:𝒖, 𝒗, 𝒘以及𝜽𝒙,𝜽𝒚,𝜽𝒛,也就是3個方向位移以及3個方向旋轉角度等6個自由度的響應。主要會依照所選用的元素特性而定。而結構應力,通則來說,可取得:𝝈𝒙,𝝈𝒚,𝝈𝒛,𝝉𝒙𝒚,𝝉𝒚𝒛, 𝝉𝒙𝒛,就是3個方向的正向應力Normal stress以及3個方向的剪應力Shear stress。由正向應力和剪應力可以推算出3個主應力Principal stress,𝝈𝟏,𝝈𝟐,𝝈𝟑,通常令𝝈𝟏>𝝈𝟐>𝝈𝟑。也可得到𝝈𝒆𝒒𝒗,是等效應力Equivalent/Effective stress,也稱為von Mises stress麥西斯應力,來自von Mises failure theory麥西斯破壞理論,再另闢單元說明。

 

綜合這個單元主題的討論:如何進行結構的「靜力分析」(Static Analysis)?並不是直接就討論如何進行,而是以「4W」的心法,來討論「靜力分析」:

 

1.      What is?

2.      Why to do?

3.      What goals?

4.      How to do?

 

另外,舉了一個案例:懸臂樑受均佈壓力之靜力分析,探討如何進行「靜力分析」,主要步驟:

 

1.      定義問題:

2.      建構數學模型:

3.      發展有限元素模型:

4.      進行FEA軟體應用分析:

5.      解讀分析結果討論評估:

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2022.10.15










《振動噪音科普專欄》「靜力分析」和「振動分析」有什麼不同?


這個單元要來探討的主題是:「靜力分析」(Static Analysis)和「振動分析」(Vibration Analysis)有什麼不同?這是常常會提出的疑問,如果結構是會振動,那就要做「振動分析」,那麼做了「振動分析」,為什麼還要做「靜力分析」?又,「靜力分析」和「振動分析」到底有甚麼差別?

 

首先,參閱圖示左上方,就從SDOF「單自由度系統」看起,觀察系統示意圖,其中:

 

1.          「系統參數」(system parameters),就是:𝒎、𝒄、𝒌,分別是質塊的「質量」(mass)、彈簧的「黏滯阻尼係數」(viscous damping coefficient)、彈簧的「彈簧常數」(spring constant)。

2.          「輸入」是𝒇(𝒕),為系統的外力,以及質塊本身的兩個「初始條件」(initial condition, IC),包括:「初始位移」(initial displacement) 𝒙𝟎及「初始速度」(initial velocity) 𝒗𝟎。

3.          「輸出」是𝒙(𝒕),為系統質塊的位移響應。

 

由系統的「數學模型」,可以推導出這個「單自由度系統」的「運動方程式」:𝒎 a + 𝒄 𝒗+ 𝒌 𝒙= 𝒇(𝒕)。是「二階的常微分方程式」,所以需要兩個「初始條件」:「初始位移」𝒙𝟎及「初始速度」𝒗𝟎。【備註:比較明確的數學方程式,請讀者參考圖示,在文字說明,受限於方程式編寫,分別以x、𝒗、a,代表位移、速度、加速度。】

 

參閱圖示右上方,再解剖運動方程式的每一項,可以區別出:

 

1.      「彈簧力」(spring force) = 𝒌 𝒙。和「位移」成正比。

2.      「阻尼力」(damping force) = 𝒄 𝒗。和「速度」成正比。

3.      「慣性力」(inertial force) = 𝒎 a。和「加速度」成正比。

4.      「外力」(external force) = 𝒇(𝒕) = 「慣性力」+「阻尼力」+「彈簧力」。

 

其次,舉先前的單元:#207,【SDOF簡諧激振系列(1):甚麼是簡諧激振(harmonic excitation)?】,SDOF單自由度系統受簡諧激振之響應,參閱圖示左下方,簡要回顧如下:

 

1.      「簡諧外力」激振:外力為正弦函數 𝒇(𝒕)=𝑭𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕),其中,𝝎= 𝟐𝝅𝒇;𝑭 =「簡諧外力振幅」;𝒇=「簡諧外力」的「激振頻率」。由圖示中央的𝒇(𝒕)示意圖,可以從時間波形,分別界定出「簡諧外力振幅」 𝑭,以及「激振頻率」𝒇是「週期」T的倒數。

2.      分析「質塊位移響應」:𝒙(𝒕)=𝒙_𝐈𝐂 (𝒕)+𝒙_𝐈𝐑𝐅 (𝒕),可以解剖出兩個效應:𝒙_𝐈𝐂 (𝒕)是自由振動響應,𝒙_𝐈𝐑𝐅 (𝒕)是外力激振響應。也可以區別出來質塊響應𝒙(𝒕),會有「暫態響應」(transient state response),以及「穩態響應」(steady state response)的區間。

 

由圖示的動畫顯示,可以知道「振動分析」確實就是在解析結構受到外力時,結構的位移 𝒙(𝒕)、速度 𝒗(𝒕)、加速度 a(𝒕)隨時間變化的狀態。

 

接著,來看「靜力分析」,主要的假設如下:

 

1.      外力: 𝒇(𝒕)= 常數,也就是不隨時間變化。

2.      速度:𝒗(𝒕)=𝟎。

3.      加速度:a(𝒕)=𝟎。

 

當假設了𝒗(𝒕)=𝟎、a(𝒕)=𝟎,就是假設結構是沒有運動/振動的。所以「振動分析」的運動方程式:𝒎 a + 𝒄 𝒗+ 𝒌 𝒙= 𝒇(𝒕),在「靜力分析」,就簡化為:𝒌 𝒙= 𝒇(𝒕)。也就是:「彈簧力」=「外力」,其中,𝒌 是彈簧的「彈簧常數」,通則來說,可以視為結構的剛性值。

 

參閱圖示右下方,是一個樑結構放在兩側的基座上,在樑結構的上表面,受到均佈壓力的作用,若是進行「靜力分析」,就是假設此均佈壓力是常數,也就是不隨時間變化。完成「靜力分析」就可以得結構的變形與應力狀態,分別是「位移」變形以及結構的「應力」,如圖示樑結構下方是正值的拉伸應力,而上方是負值的壓縮應力。至於,進行「靜力分析」會得到甚麼結果,我們再另闢單元討論。

 

這個單元主要在區別「靜力分析」(Static Analysis)和「振動分析」(Vibration Analysis)有什麼不同?透過SDOF「單自由度系統」來解釋說明,由運動方程式比較如下:

 

1.      「振動分析」:𝒎 a + 𝒄 𝒗+ 𝒌 𝒙= 𝒇(𝒕)。「慣性力」+「阻尼力」+「彈簧力」=「外力」。

2.      「靜力分析」:𝒌 𝒙= 𝒇(𝒕)。「彈簧力」=「外力」。

 

所以,「靜力分析」只得到了結構的位移 𝒙(𝒕),忽略了速度 𝒗(𝒕)、加速度 a(𝒕)。而且,外力: 𝒇(𝒕)= 常數,也就是不隨時間變化,所以位移 𝒙(𝒕) 也是不隨時間變化。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2022.10.15