طراح قالب:
احسان جمشیدی
تهیه و تنظیم
آزمایشگاه آنالیز مودال
Advanced Engineering Mathematics (9th Edition, 2006) - Kreyszig
حل المسایل:
Advanced Engineering Mathematics 9ed by Erwin Kreyszig(Even-numbered Problems Solutions 416s)
ساده ترین روش به منظور تخمین پارامترهای مودال در OMA روش Peak-picking می باشد. فرکانس های طبیعی از طریق
در نظر گرفتن قله های نمودار های طیف قدرت (Power spectral function) به دست می آیند. نقص فرضیات اساسی
(دمپینگ پایین، فرکانس های طبیعی کاملا جدا از هم) منجر به پاسخ های پرخطا در این
روش می گردد. در حقیقت روش شکل های انحرافی محیطی (operational deflection shapes) را به جای شکل مودها مشخص می کند و
برای مودهای نزدیک به هم مانند یک شکل انحرافی محیطی، انطباق چندین مود خواهد بود.
مشکل دیگر این است که انتخاب فرکانس های طبیعی کار تقریبا دستی است و همچنین این
روش راهبردی برای تخمین دمپینگ ندارد.
روش دیگر و البته پیشرفته تر از محاسبه SVD ماتریس های خودهمبستگی و همبستگی
متقاطع طیفی بین خروجی ها استفاده می کند. این روش در منابع مختلف مورد بحث قرار
گرفته است و دارای نام های متفاوتی می باشد. مشهور ترین نام آن Frequency Domain Decomposition یا تجزیه حوزه فرکانسی می باشد. دیگر
نام های این روش عبارتند از ؛ Principal
Component Analysis (PCA)
، Complex Mode Indication Function (CMIF) . این روش قادر است تعدد مودها
(مودهای مختلف در یک فرکانس) را تشخیص دهد. اما همچنان یک روش نسبتا فردی Subjective است. روش های PP و
بر پایه SVD
هر دو از روش های غیر پارامتریک محسوب می شوند. در این روش ها فرکانس های ویژه با
نگاه کردن به مشخصه های بر پایه سیگنال بدون فیت کردن و یا تخمین یک مدل پارامتریک
تعیین می شوند.
یک روش جالب و پیشرفته تر برای Peak-picking روش Stochastic subspace identification یا همان SSI می باشد. در روش SSI یک مدل به اصطلاح فضای حالت اتفاقی
مستقیما از داده های خروجی اندازه گیری شده یا همبستگی خروجی ها مشخص می شود. می
توان نشان داد که یک مدل فضای حالت اتفاقی، یک ارائه خوب از ارتعاشات سازه های
تحریک شده توسط نیروهای ناشناخته است، که فرض می شود ورودی سیستم به صورت نویز
سفید است.
پیشرفت های مهم OMA در موضوعات زیر حاصل شده است.
اما از جمله مزیت های OMA را می توان چنین نام برد:
در سال های اخیر، روش جدیدی در کاربرد آنالیز مودال ظهور
کرده است. این روش operational modal
analysis نامیده می شود. به نظر می رسد صنعت در این خصوص بر روی لبه دوران
جدیدی ایستاده است، که به کاربردهای جدید به منظور فعالیت های حرفه ای در حوزه صوت
و ارتعاشات می پردازد.
آنالیز مودال همانگونه که در فصل پیش نیز اشاره شد به طور
وسیعی کاربرد دارد. آنالیز مودال سنتی EMA از ورودی (تحریک) و خروجی (پاسخ) به منظور تخمین پارامترهای مودال
استفاده می کند. این پارامترها شامل، فرکانس های مودال، نسبت های دمپینگ، شکل
مودها و فاکتورهای مشارکت پذیری مودال می باشند. در هر حال آنالیز مودال سنتی برخی
محدویت هایی دارد :
OMA نام تکنیکی است برای انجام آنالیز
مودال روی داده های محیطی، جایی که سازه را به صورت مصنوعی تحریک نمی کنیم، بلکه
اجازه می دهیم بارهای طبیعی سازه را تحریک کنند. به همین دلیل نام های جدید برای
این حوزه از آنالیز مودال در حال پدیدار شدن هستند. نام هایی مانند، آنالیز مودال
محیطی (ambient modal analysis)
، آنالیز مودال ورودی طبیعی (natural
input modal analysis) و همچنین نام معمول تنها خروجی (output-only modal analysis). به خاطر غلط اندازی که ظاهرا در
نام آخر وجود دارد، در سال های اخیر تلاش می شود از نام تنها خروجی استفاده نشود.
زیرا ممکن است این برداشت را ایجاد کند که
در این نوع آنالیز ورودی نداریم، که برداشت غلطی است. در واقع، ورودی های طبیعی و
ذاتی در سیگنال های خروجی وجود دارند، اما به نحوی که در آنالیز مودال سنتی EMA این ورودی ها روشن هستند، در این
تکنیک ها روشن نیستند.
در روزهای نخستین که محققین کار خود را در حوزه آنالیز
مودال آغاز کردند، ایده OMA و
اینکه چگونه می توان در مواردی که ورودی ها دقیقا شناخته شده نیستند، اطلاعات
مودال را به دست آورد، در کلیه تفکرات وجود داشت. محققان از این مسئله آگاهی
یافتند و بسیاری از مقالات قدیمی با این نمونه ها سرو کار داشتند. بحث ها در خصوص
ورودی ها شروع شد و این نتیجه حاصل شد که با دانستن ورودی ها دیگر نیاز به تخمین
آنها نیست. در ادامه محققان در مورد SISO، SIMO و MIMO ( یک ورودی یک خروجی، یک ورودی چند
خروجی و چند ورودی چند خروجی) بحث کردند. در این فرآیند OMA به جز در موارد اندکی که با سازه های
بزرگ سرو کار داشتند، مورد فراموشی واقع شد. از آغاز دهه 1970 تا اواخر دهه 1990
برخی پیشرفت ها در زمینه OMA
اتفاق افتاد، اما در کاربرد با شکست مواجه شد. اما اینکه دلیل این شکست چه بود،
شاید به این دلیل که صنعت دچار فقدان تجهیزات قابل قبول بود.
در حوالی سال 2000 میلادی شرکت های نرم افزاری مختلف شروع
به توسعه ابزارهای مختلف برای OMA
کردند و کم کم به نقطه ای رسید که اکنون OMA به یک تکنولوژی قابل قبول تبدیل شده است. اکنون کنفرانس های
فراوانی وجود دارند که منحصرا به این موضوع پرداخته اند و نرم افزارهای گوناگونی
در این زمینه وجود دارد.
در اوایل دهه 1990 آنالیز مودال عملیاتی operational modal analysis در مهندسی عمران در کاربردهایی مانند اسکله های دریایی، ساختمان ها، برج ها، پل ها و... به شکل وسیعی مورد توجه قرار گرفت. OMA برای مهندسین مکانیک و هوافضا نیز بسیار جذاب است.
مهندس ملک جعفریان
Data Upload & Preliminary Modal Analysis
The typical data upload is through the SVS Configuration File that encapsulates geometry, DOF information and references to the measurement files. When upload is complete an automatic preliminary modal analysis can be selected by a single click on a button.
The major features are:
The ARTeMIS modal software is an open, and user friendly platform for modal testing, modal analysis and modal problem solving. If you can measure the vibrations, ARTeMIS Extractor can give you the modes in terms of mode shape, natural frequency and damping ratio.
The new automatic mode estimation feature, available in all versions of new release ARTeMIS Extractor 2008, makes it easier than ever before to perform operational modal analysis.
No matter if you have small or extreme channel counts, pure ambient excitation or excitation mixed with harmonic signals, the new algorithm provides fast and reliable results of natural frequencies, damping ratios and mode shapes in a matter of seconds.
Refrence: Structural Vibration Solutions A/S Co.
There are many applications where Operational Modal Analysis is the natural choice of technology for supplying structural information.
Nondestructive testing
In non-destructive testing, NDT, the objective typically is to monitor the health of a structure over time. For this reason it is also known as Structural Health Monitoring, SHM. Since the structure is observed during service no other modal tool can provide modal information in such a case.
Damage Detection
For many years Operational Moda Analysis has been the preferred tool in damage detection of large structures. Mode shapes has been used to identify local damages that caused curvature changes and e.g. the modal frequencies has been used to identify global damages. Research is still extensive in this area combining technologies such as modal analysis, neural networks or response surfaces, and stochastic decision theory.
Vibration Level Documentation
If the vibration level needs to be documented in locations where no measurements can be made, Operational Modal Analysis can do it if you have a Finte Element Model, FEM, available. From the modal test you will obtain the modal coordinates or modal response at some measurable locations. These modal responses will then be extrapolated to other unmeasured locations through the mode shapes of the FE model, and by superposition the actual responses at the location is estimated. Even though the FE models only return normal modes this extrapolation will be good most structures.
Fatigue Analysis
The above mentioned vibration level documentation can also be extended to estimate the accumulated damage at unmeasured location such as underwater joints etc. In this way, ordinary inspections at e.g. offshore facilities can be optimized, since a few measurement points can give the engineers valuable fatigue estimates to help in the inspection planning.
Scaled Mode Shapes
The drawback of Operational Modal Analysis has been that the mode shape scaling has been arbitrary causing incorrect modal participation factors. This has caused problems in applications such as response simulation and structural modification. Recently, however, techniques to obtain the right scaling has been developed and they are now being tested on full scale structures. The results of these tests indicates that for even larger structures it is possible to obtain an accurate Frequency Response Function, FRF, from response measurements only.
Refrence: Structural Vibration Solutions A/S Co.
There are a number of benifits in using the Operational Modal Analysis compared to the more traditional techniques.
Multiple Input Multiple Output Modal Technology
The Operational Modal Analysis are Multiple Input Multiple Output, MIMO, techniques. This means that the techniques are capable of estimating closely space modes and even repeated modes with a high degree of accuracy. Traditional modal anlysis techniques are typically Single Input Multiple Output, SIMO, or Multiple Input Single Output, MISO, or in the worst case even Single Input Single Output, SISO. Such testing procedures will not be able to find repeated poles due to the lack of mode seperation.
Easier Laboratory Modal Testing
There is no need for vibration shaker or impact hammer anymore. If you are in your lab doing modal testing in a test rig on some structural component, just do some random tapping on the structure while you are measuring the vibration response in muliple locations. The tapping must be random in time but also spatially. The excitation produced in this way will be a good approximation of a multivariate white noise stochastic process.
Winning Technology in In-situ Modal Testing
Vibration shakers and impact hammers are impossible as excitation sources when it comes to insitu testing of structures, such as buildings or rotating machinery. In cases like this the traditional modalanalyse fails, because there are a number of unknown input acting on the structures. What is a problem for traditional modalanalysis is a strength for Operational Modal Analysis. The more random input sources there are the better the modal results gets. Since the real strength of the technology really lies in the in-situ testing it is no wonder why the technilogy is called Operational Modal Analysis. Another important features that comes for free are that the estimated modes are based on true boundary conditions, and the actual ambient excitation sources.
Refrence: Structural Vibration Solutions A/S Co.
You might wonder what Operational Modal Analysis, OMA, is and how it differs from the traditional experimental modal analysis that has been around for the last decades.
Operational Modal Analysis is also called output-only modal analysis, ambient response analysis, ambient modal analysis, in operation modal analysis, and natural input modal analysis.
No matter which name that is used the idea is the same: To do modal analisys without knowning and/or controlling the input excitation.
This new modal technology is capable of estimating the same modal paramters as the traditional known techniques. The modal parameters are the mode shape, the natural frequency and the damping ratio. Some thinks that Operational Modal Analysis just is another name for Operating Deflection Shapes, ODS. This is not the case. Operational Modal Analysis separates noise and input and returns the modal information only.
Refrence: Structural Vibration Solutions A/S Co.
