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《振動噪音產學技術聯盟》結構的振動分析需要設定阻尼效應嗎?

這個單元要來探討的主題是:結構的振動分析需要設定「阻尼效應」(damping effect)嗎?

 

這是進行結構振動分析時,經常會提問的問題。首先,就破題,做主題的「關鍵詞」(keywords)分析提問:

 

1.      「結構」(Structure):有甚麼樣的結構嗎?

2.      「振動分析」(Vibration Analysis):有哪些種類的分析?

3.      「需要」(Needed):設定「阻尼效應」(damping effect)是必要的嗎?

4.      「設定」(Set / Specify):需要怎樣設定呢?

5.      「阻尼效應」(damping effect):有甚麼樣的「阻尼效應」?

 

其次,來看「結構/振動系統」(structure/vibration system)的分類,參閱圖片右上方表格,說明如下:

 

1.      「離散系統」(Discrete system):又可概分為:(1) 「單自由度系統」(SDOF system),例如圖示的m、c、k質塊彈簧阻尼系統。(2) 「多自由度系統」(MDOF system),如圖示,是三個質塊和三個彈簧阻尼的三個自由度的系統。「離散系統」的主要特徵,質塊會是「剛體」(rigid body)的假設,通常會由彈簧、阻尼元件,連接組成。

2.      「連續系統」(Continuous system):物體都是考慮為「彈性體」(elastic body)或「撓性體」(flexible body)的假設,也就是結構體是會變形的。常見的結構振動系統(structural vibration system):(1)「線側向振動」(string lateral vibration)。(2) 「柱軸向振動」(bar axial vibration)。(3)「軸扭轉振動」(shaft torsional vibration)。(4)「樑側向振動」(beam lateral vibration)。(5)「板側向振動」(plate lateral vibration)。(6)「任意結構三軸向振動」(arbitrary structure in triaxial vibration)。

 

「線側向振動」就是,如小提琴弦、吉他弦的振動。「柱軸向振動」就是,只考慮了沿著柱軸向的振動特性。「軸扭轉振動」就是,考慮了旋轉的振動模態效應。其他,如樑、板、殼、甚至是任意結構形狀,都會有所謂的「振動模態」(vibration mode)。

 

而結構「振動模態」(vibration mode)的特徵,會有軸向、側向、扭轉等,基本上就是結構「自由度」(degree of freedom, DOF)的概念。會有三個方向的「平移振動模態」(translation vibration mode),以及三個方向的「旋轉振動模態」(rotational vibration mode)。

 

再來,「振動分析」(vibration analysis)可以概分為有4種振動分析類型(four types of vibration analysis):

 

1.      「模態分析」(Modal analysis)

2.      「簡諧響應分析」(Harmonic response analysis)

3.      「暫態響應分析」(Transient response analysis)

4.      「頻譜響應分析」(Spectrum response analysis)

 

參閱圖片中央的截圖,係來自ANSYS軟體的分析選項,可以看出,也是有:Modal、Harmonic、Transient、Spectrum,4個分析選項。

 

有關此4種振動分析類型(four types of vibration analysis)的簡介說明,讀者可參閱以下單元:

 

1.      #151,【「外力激振」的「單自由度系統」之振動分析】。

2.      #153,【「基座激振」的「單自由度系統」之振動分析】。

3.      #172,【「外力激振」的「多自由度系統」之振動分析】。

4.      #170,【樑結構之振動分析有哪些?】。

5.      #175,【印刷電路板振動分析】。

 

接著,再看甚麼是「阻尼效應」(damping effect)?模擬結構的阻尼,主要有兩種「阻尼模型」(damping model):

 

1.      「黏滯阻尼」(Viscous damping):參閱圖示,通常以c,代表「黏滯阻尼係數」(Viscous damping coefficient)。讀者可參閱:#390,【甚麼是黏滯阻尼(viscous damping)?黏滯阻尼比(viscous damping ratio)?】。

2.      「結構阻尼」(Structural damping):參閱圖示,通常以h,代表「結構阻尼係數」(Structural damping coefficient)。讀者可參閱:#391,【甚麼是結構阻尼(structural damping)?散失因子_損耗因數(loss factor)?】。

 

最後,回到這個單元主題的提問:結構的振動分析需要設定「阻尼效應」(damping effect)嗎?簡單的答案:是,進行結構的振動分析,需要設定「阻尼效應」(damping effect)!針對4種振動分析類型(four types of vibration analysis)的阻尼影響,將另闢單元討論。

 

由結構系統(structure system),來看「阻尼效應」(damping effect)的設定,說明如下:

 

1.      「離散系統」(Discrete system):如圖示的「單自由度系統」(SDOF system)、或是「多自由度系統」(MDOF system),因為有阻尼元件 c,已經自動納入了「阻尼效應」。

2.      「連續系統」(Continuous system):對任意結構的連續系統,都需要對結構,設定其材料的「阻尼參數」(damping parameter)。如何設呢?再另闢單元討論。

 

雖然,簡單的答案:是。但是,在「模態分析」(Modal analysis),設定材料的「阻尼參數」(damping parameter),則不是必要的!為什麼呢?再另闢單元討論。

 

綜合這個單元的討論:結構的振動分析需要設定「阻尼效應」(damping effect)嗎?總結如下:

 

1.      探討主題的「關鍵詞」(keywords)分析。

2.      探討「結構/振動系統」(structure/vibration system)的分類。

3.      說明了「振動分析」(vibration analysis)可以概分為4種振動分析類型(four types of vibration analysis)。分別是:模態Modal、簡諧Harmonic、暫態Transient、頻譜Spectrum。

4.      模擬結構的阻尼,主要有兩種「阻尼模型」(damping model):(1)「黏滯阻尼」(Viscous damping)。(2) 「結構阻尼」(Structural damping)。

5.      結構的振動分析需要設定「阻尼效應」(damping effect)嗎?簡單的答案:是,進行結構的振動分析,需要設定「阻尼效應」(damping effect)!但是,在「模態分析」(Modal analysis),設定材料的「阻尼參數」(damping parameter),則是,不一定是必需的!

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2024.12.28

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