Rozwiązywanie problemów związanych ze zjawiskami wpływającymi na wytrzymałość i poprawne funkcjonowanie elementów różnych urządzeń, czy konstrukcji wymaga stosowania odpowiednich metod badawczych umożliwiających uzyskanie danych na temat ich natury. Badanie własności dynamicznych daje możliwość zgromadzenia danych na temat wpływu czynników zewnętrznych generowanych przez środowisko oraz wewnętrznych, związanych z rodzajem użytego materiału, jego zużyciem czy powstałymi uszkodzeniami i ich wpływu na pojawiające się zaburzenia istniejącego stanu równowagi – pojawiające się obciążenia czy wibracje. Jednym ze sposobów na badanie tego rodzaju zjawisk jest przeprowadzenie analizy modalnej. Przekonajmy się, na czym ona polega oraz w jaki sposób może być wykonana.
Na czym polega analiza modalna?
Projektowanie maszyn, urządzeń oraz ich elementów wymaga przyjęcia wielu założeń teoretycznych, co do zachowania się konkretnych podzespołów przy działaniu różnych oddziaływań, pojawiających się podczas rzeczywistej eksploatacji. Choć założenia te mają dobre podstawy teoretyczne, opierając się na wiedzy na temat charakterystyki zastosowanych materiałów i fizyki oddziałujących na nie sił i obciążeń, to ostateczną weryfikacją może być dopiero przeprowadzenie badań eksperymentalnych. Jednym ze sposobów sprawdzania i poprawy charakterystyk dynamicznych podzespołów działających pod obciążeniem jest wykonanie analizy modalnej.
Analiza modalna polega na wymuszeniu pojawienia się obciążeń, które mogą działać na badany obiekt podczas jego normalnego funkcjonowania. Zastosowane siły pozwalają na sprawdzenie reakcji struktury obiektu na określony stan i wykorzystanie uzyskanych danych do jego modernizacji czy przewidywania zachowania w określonych sytuacjach. Badanie jest zwykle przeprowadzane na modelu analizowanego obiektu, a w niektórych przypadkach również na gotowych podzespołach, np. przy sprawdzaniu wpływów pojawiających się efektów eksploatacji na wytrzymałość na konkretne obciążenia.
Schemat badań pozwalających na przeprowadzenie analizy modalnej jest stosunkowo prosty. W jego ramach na badanym obiekcie instaluje się czujniki pozwalające na rejestrację pojawiających się drgań i wibracji, co daje możliwość rejestrowania ich rozchodzenia się, charakterystyki oraz tłumienia. Na bazie uzyskanych rezultatów można przygotować model zachowania się sprawdzanego elementu po pojawieniu się konkretnego czynnika.
Jak przeprowadza się analizę modalną?
Analizę modalną przeprowadza się, sprawdzając własności dynamiczne obiektów mechanicznych wymuszając powstanie drgań i rejestrując ich charakterystykę. Do wywołania odpowiedniego efektu w postaci zadziałania siły wymuszającej pojawienie się drgań używa się młotka modalnego albo odpowiednio dobranych wzbudników drgań. Narzędzia te dają możliwość wygenerowania odpowiedniego impulsu oraz dostarczają precyzyjnych informacji o użytej sile, tj. jej amplitudzie oraz częstotliwości. Dane o rozchodzeniu się wymuszonych wibracji są zbierane za pomocą rozmieszczonych na badanym elemencie czujników. Zazwyczaj są one otrzymywane w postaci przyspieszenia drgań. Zebrane informacje pozwalają na stworzenie tzw. modelu modalnego. Składają się na niego uzyskane postaci drgań własnych, współczynników tłumienia oraz częstotliwości drgań własnych.
Analiza modalna może być przeprowadzana zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i podczas eksploatacji w warunkach naturalnych. Pomiar laboratoryjny umożliwia precyzyjną kontrolę nad wszystkimi czynnikami, jego ograniczeniem jest jednak to, że otrzymane rezultaty w dużym stopniu zależą od przygotowania eksperymentu, w tym choćby identyfikacji kluczowych dla całego procesu punktów. Problemem może być również odtworzenie istniejących w trakcie normalnej eksploatacji warunków. Pomiar eksploatacyjny daje znacznie lepszy obraz występujących naturalnie zjawisk, a w dodatku pozwala na badanie elementów o dużych rozmiarach czy masie.
Analiza modalna może być stosowana w wielu obszarach. Sprawdza się ona zarówno przy wprowadzaniu nowych rozwiązań i badaniu powstających prototypów urządzeń, jak i przy kontrolowaniu ich funkcjonowania oraz przewidywaniu możliwych efektów, np. podczas częściowego osłabienia struktury. Z metody tej można również skorzystać dla weryfikowania jakości wytwarzanych elementów i zgodności uzyskiwanej charakterystyki z modelową. Praktycznymi przykładami stosowania analizy modalnej mogą być problemy inżynierskie, np. poszukiwania sposobów na ograniczenie rezonansu pojawiającego się we współpracujących ze sobą układach mechanicznych. Jest ona również stosowana przy próbach ograniczenia hałasu pojawiającego się podczas pracy urządzeń.