KÍSÉRLETI MODÁLIS ELEMZÉS ÉAÜLT
BME
ÉAGT
EMA J 01 01 JEGYZET Dr. Pápai Ferenc 2011
1. EGY SZABADSÁGFOKÚ RENDSZEREK 1.1 MOZGÁSEGYENLETEK TARTALOMJEGYZÉK 1
BEVEZETÉS....................................................................................................................................................... 1
2
RENDSZEREGYENLET, ÁTVITELI FÜGGVÉNY ..................................................................................... 2 2.1.1 2.1.2 2.1.3
A rendszer pólusai, sajátfrekvenciái és csillapítási tényezői .......................................................... 5 Rezídumok ..................................................................................................................................... 7 Frekvencia válasz függvény, impulzus válasz függvény ................................................................ 7 2.1.3.1
3
Fizikai paraméterek változtatásának hatása ............................................................................................ 10
HISZTERÉZISES CSILLAPÍTÁS ................................................................................................................. 13
1 BEVEZETÉS Ebben a fejezetben bevezetünk néhány, a kísérleti modális elemzéssel kapcsolatos alapfogalmat [Sas_1]. Ezeket a fogalmakat többszabadságfokú rendszereknél is értelmezni fogjuk. A mozgásegyenletből kiindulva levezetjük az átviteli függvényt. Ez a kimenet (output) és a bemenet (input) hányadosa az operátor tartományban. Ennek a függvénynek a nevezője a rendszer karakterisztikus egyenlete, mely meghatározza a rendszer pólusait, sajátfrekvenciáit és csillapítási hányadosait. Az átviteli függvény részlettört alakjának a számlálója tartalmazza az ún. rezidumokat. Tárgyaljuk az átviteli függvény frekvenciatartománybeli és időtartománybeli megfelelőit. Megmutatjuk a tömeg, a csillapítás és a merevség változtatásának a hatását az egyszabadságfokú rendszer viselkedésére. Végül kitérünk a szerkezeti (hiszterézises) csillapítás mozgásegyenleteire.
D:\papai\modal\jegyzetek\EMA J 01 01 SDOF rendszerek.doc
2
2 RENDSZEREGYENLET, ÁTVITELI FÜGGVÉNY Tekintsük az 1. ábrán látható egy szabadságfokú lineáris lengőrendszer modelljét.
1.1-1. ábra Egy szabadságfokú lineáris lengőrendszer modellje Viszkózusan csillapított egy szabadságfokú (SDOF = Single Degree of Freedom) rendszer mozgásegyenlete (1.1-1) a tehetetlenségi erők, a csillapító erők, a rugalmas erők és a külső erők közötti egyensúlyt fejezi ki [Sas_1. ..
.
m x(t ) c x(t ) k x(t ) f (t ) ahol:
tömeg kg m csillapítás Ns / m c merevség N / m k f (t ) külső erő, N (1) megoldása
x(t ) x (t ) x(t ) t
(1.1-1)
gyorsulás m / s 2 sebesség m / s elmozdulás m idő s
x(t ) xc (t ) x p (t ) , ahol
xc (t ) x p (t )
tranziens rész, állandósult rész.
Homogén egyenlet általános megoldása: (A megoldás tranziens része) f (t ) 0 helyettesítéssel (1) homogén egyenletét kapjuk. ..
A megoldást xc (t ) X e t egyenletébe:
.
m x(t ) c x(t ) k x(t ) 0 (1.1-2) alakban keresve, ahol konstans behelyettesítve (1.1-1) homogén (2 m c k ) X e t 0
(1.1-3)
t
Nem triviális ( X e 0) megoldáshoz akkor jutunk, ha: 2 m c k 0 . (1.1-4) a rendszer karakterisztikus egyenlete. A karakterisztikus egyenlet gyökei a rendszer pólusai (sajátértékei):
(1.1-4)
c k c 1, 2 (1.1-5) 2m m 2m Mivel az m, c, k együtthatók valósak, a 1, 2 gyökök vagy valósak, vagy konjugált komplex párok. 2
Példa: Számítsuk ki az 1.1-1. ábrán látható lengőrendszer karakterisztikus egyenletének gyökeit: m 1kg , k 16 N / m , különböző c csillapítási értékek esetére: EMA J 01 01 SDOF rendszerek
1, 2 j 4 rad / s 1, 2 0,5 j 3,969 rad / s 1 2 rad / s
c 0 Ns / m c 1Ns / m
c 10 Ns / m
3
2 8 rad / s
A rendszer pólusainak a segítségével a tranziens megoldástag a következőképpen írható fel: xc (t ) X 1 e 1t X 2 e 2t , (1.1-6) ahol X 1 és X 2 a t 0 időpillanatban meglévő kezdeti feltételek alapján meghatározható. Példa: F17 timefunc.xmcd Írjuk fel tetszőleges x(0) , x (0) (konstansok) esetére a tranziens válasz függvényét. A mozgásegyenletnek ki kell elégítenie a kezdeti feltételeket, így az előírt kezdeti elmozdulásra és kezdeti sebességre a mozgásegyenlet: x(0) X 1 e 1 0 X 2 e 2 0 X 1 X 2 x (0) 1 X 1 e 1 0 2 X 2 e 2 0 1 X 1 2 X 2 A fenti egyenletrendszerben keresük X 1 , X 2 értékét, tehát a megoldandó egyenletrendszer:
1 1 X 1 x(0) X x (0) 2 2 1 Az együtthatómátrix inverzének felhasználásával a megoldás: 1 X 1 1 1 x(0) 1 2 1 x(0) 1 2 x(0) x (0) X x (0) 1 x (0) 2 1 1 x(0) x (0) 2 1 2 1 2 1 1 2 x(0) x(0) e 1t 1 1 x(0) x(0) e 2t xc (t ) 2 1 2 1 x(0) x (0) 2t xc (t ) 2 e 1t 1e 2t e e 1t 2 1 2 1 A fenti megoldásfüggvény mindkét tagjának mindkét tényezője tiszta képzetes mennyiség, ezért mindkét tag valós. Ellenőrizzük le, hogy az így felírt megoldásfüggvény teljesíti-e a kezdeti feltételeket: x(0) x (0) 2 0 x(0) 2 1 x(0) 1 1 x(0) xc (0) 2 e 1 0 1e 2 0 e e 1 0 2 1 2 1 2 1 2 1 x(0) x (0) x (0) 2 1 x(0) x c (0) 2 1e 1 0 12 e 2 0 2 e 2 0 1e 1 0 0 2 1 2 1 2 1 Valóban, a megoldásfüggvény teljesíti a kezdeti feltételeket. A megoldásfüggvényt tovább részletezve, csak elmozdulásra vonatkozó kezdeti feltételek esetére: x(0) x(0) xc (t ) 2 e 1t 1e 2t ( j )e ( j )t ( j )e ( j )t 2 1 ( j ) ( j )
x(0) t x(0) t e ( j )e jt ( j )e jt e ( j )cost j sin t ( j )cost j sin t 2 j 2 j x(0) t x(0) t xc (t ) e 2 j cost j ( j j ) sint e 2 j cost 2 j sint 2 j 2 j x(0) t xc (t ) e 2 j cost 2 j sint x(0)e t cost sint 2 j
xc (t )
Az 1.1-2. ábrán különböző csillapítási értékekre és különböző kezdeti értékekre ábrázoltuk a megoldásfüggvény alakját (időbeli lefutását)
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
4 c 0 Ns / m
c 1Ns / m
c 10 Ns / m
x(0) 1 m , x (0) 0 m / s
x(0) 0 m , x (0) 1m / s
1.1-2. ábra A szabad rendszer megoldás függvényének alakja különböző kezdeti feltételekre és csillapítási értékekre Megfigyelhető, hogy a c csillapítás értéke lényegesen befolyásolja a megoldásfüggvény alakját. A válaszfüggvény a kezdeti értékeknek megfelelően ’indul, kezdeti elmozdulásra vonatkozó előírás esetén a megoldásfüggvény értéke veszi fel az előírt elmodulást, míg a kezdeti sebességre vonatkozó előírás esetén a válaszfüggvény deriváltja veszi fel a megfelelő értéket a t 0s időpillanatban. Állandósult megoldás Az (1) egyenletet a Laplace (operátor) tartományba transzformálva, 2 m c k X ( ) (m c) x(0) mx(0) F ( ) ahol kezdeti feltételek a t 0 időpillanatban, x(0) , x (0) X ( ) a rendszer x(t ) válaszának Laplace transzformáltja, F ( ) a rendszer f (t ) gerjesztésének Laplace transzformáltja,
Zérus kezdeti feltételekkel, vagyis, feltételezve, hogy az x(0) kezdeti elmozdulás és kezdeti sebesség zérus, a következő kifejezéshez jutunk: 2 m c k X ( ) F ( ) vagy Z ( ) X ( ) F ( ) ahol Z ( ) a dinamikai merevség. Definíciószerűen az átviteli függvény (transfer function) a dinamikai merevség H ( ) Z 1 ( ) : X ( ) H ( ) F ( ) . X ( ) 1/ m H ( ) c k F ( ) 2 m m A H ( ) átviteli függvény komplex értékű.
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
(1.1-7)
az x (0) (1.1-8) (1.1-9) inverze, (1.1-10) (1.1-11)
5 2.1.1
A rendszer pólusai, sajátfrekvenciái és csillapítási tényezői
A karakterisztikus egyenlet alapján néhány fontos mennyiség vezetünk be. Csillapítalan körfrekvencia Ha nincs csillapítás ( c 0 ), a rendszer konzervatív, ekkor az (1.1-5) egyenletből az ún. csillapítatlan körfrekvenciát kapjuk (rad/sec): k . (1.1-12) m Kritikus csillapítás Kritikusnak nevezzük a csillapítást, ha a c csillapítás értéke olyan, hogy a karakterisztikus egyenletben a gyök alatti mennyiség (D diszkrimináns) zérussá válik: 2
k c D (1.1-13) 0. m 2m A fenti egyenletből a kritikus csillapítást kifejezve k . (1.1-14) c krit 2m m Csillapítási tényező A csillapítási tényező, mint dimenziónélküli számadat azt fejezi ki, hogy a rendszer csillapítási együtthatója a kritikus csillapításnak hányadrésze. A csillapítási tényező: c 1 (1.1-15) ckrit A csillapítási tényező értékétől függően a rendszereket a következők szerint csoportosíthatjuk: 0 o csillapítatlan D<0 konjugált képzetes gyökök 1 o alulcsillapított D<0 konjugált komplex gyökök 1 o kritikusan csillapított D=0 két egybeeső valós gyök 1 túlcsillapított. D>0 két (különböző) valós gyök o A továbbiakban az alulcsillapított rendszereket vizsgáljuk. Ebben az esetben a karakterisztikus egyenlet (5) megoldása két konjugált gyökhöz vezet: 1 1 j 1 2 1 j 1 (1.1-16) ahol a csillapítási faktor, a komplex gyök valós része a csillapított sajátkörfrekvencia, a komplex gyök képzetes része. Az 1.1-3. ábrán a gyökök komplex síkon való elhelyezkedését mutatjuk be.
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
6
2 1* Im
c Im
1 2
1 j
1 j
j
Re
Re
j
2 j
2 j
Alulcsillapított
Csillapítatlan
1.1-3. ábra A gyökök elhelyezkedése a komplex síkon Csillapítatlan rendszereknél a gyökök tiszta képzetes mennyiségek. A c csillapítás növelésével a gyököknek megfelelő komplex vektrok az origó körül elfordulnak, abszolút értékük nem változik. Ugyanis:
c k c k c k c 1 j 2m m 2m 2m m 2m m Re 2
1
2
2
(1.1-17)
Im 1
Tehát a csillapított rendszer komplex gyökeinek abszolút értéke megegyezik a csillapítatlan rendszer gyökeinek abszolút értékével. Az 1.1-4. ábrán a komplex síkon feltüntetve ábrázoljuk, hogyan módosul a tranzens megoldástag időbeli lefutása, attól függően, hogy a karakterisztikus egyenelet gyökei a sík mely pontjára esik.
1.1-4. ábra A tranziens megoldástag időbeli lefutása a komplex gyök elhelyezkedésének függvényében Amennyiben a gyök a valós tengelyre esik, képzetes része 0 , a megoldásfüggvény nem tartalmaz szinuszos tényezőt, nem alakul ki oszcilláció. 0 esetén a lengések csillapodnak, 0 esetén a lengések minden határon túl növekednek, 0 esetén nem csillapodnak. A komplex sajátértékek és a csillapítási tényező közötti további összefüggések:
j 1 2
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
(1.1-18)
7
(1.1-19)
2 2
(1.1-20)
2 2
(1.1-21)
2.1.2 Rezídumok A (11) felhasználásával az átviteli függvény gyöktényezős alakja a következőképpen írható: 1/ m H ( ) (1.1-22) 1 2
Ezt átírva parciális tört, másnéven részlettört alakba: P1 P2 H ( ) 1 2
(1.1-23)
A részlettört alak P, P* számlálóit rezídumoknak nevezzük. Határozzuk meg a P1 , P2 rezídumokat.
P1 P2 P 2 P2 1 ( P1 P2 ) P12 P2 1 1 (1.1-24) 1 2 1 2 1 2 (1.1-22) és (1.1-24) számlálójában a azonos kitevői szerinti együtthatókat egyenlővé téve P1 P2 0 , P12 P2 1 1 / m . A megoldandó egyenletrendszer mátrixos alakban: 1 P1 0 1 P 1 / m 1 2 2 Ebből 1 1 0 P1 1 1 1 1 0 1 / m 1 1 / m 1 j P 1 / m 1 1 / m 2 j 1 2 1 1 2 2 2 2 1 H ( )
Tehát a keresett P1 , P2 rezidum paraméterek 1/ m 1/ m P1 P j P2 P * j 2 2 Tehát az egy szabadságfokú, viszkózusan csillapított rendszer rezídumai tiszta képzetes mennyiségek, az átviteli fv. két tagjának rezídumai egymás konjugáltjai. Végül az átviteli függvény részlettört alakja: P P* H ( ) (1.1-25) 1 2 1/ m P j ahol: 2 Az átviteli függvéy részlettört alakja többszabadságfokú rendszerek tárgyalásánál nagy jelentőséggel bír.
2.1.3
Frekvencia válasz függvény, impulzus válasz függvény
A H ( ) átviteli függvényben j helyettesítést végezve kapjuk a Frekvenciaválasz függvényt (FRF = Frequency Response Function). P* P H ( ) H j . (1.1-26) j j 1 j 2 EMA J 01 01 SDOF rendszerek
8 Az FRF függvény komplex értékű függvény, megjelenítési módjai a következők: Abszolút érték – frekvencia , H j
Fázisszög – frekvencia , arcH j Valós rész – frekvencia , ReH j Képzetes rész – frekvencia , ImH j Valós rész –képzetes rész (Nyquist-plot) ReH j , ImH j Az 1.1-5.- 9. ábrákon ezek jellegét mutatjuk be. 1.1-5. ábra Abszolút érték – frekvencia diagram Jellegzetességei: Maximumhely a csillapított körfrekvencia közelében. Zérus frekvencián helyettesítési értéke a statikus hajlékonysággal egyenlő
1.1-6. ábra Fázisszög – frekvencia Jellegzetességei: Sajátfrekvencián a fázisszög arcH ( j ) / 2 . Fázisváltozás sebessége maximális.
1.1-7. ábra Valós rész – frekvencia diagram Szélsőértékei az helyeken. helyettesítési értéke 0 körfrekvencián Re H (0) 1 / k , statikus hajlékonyság.
1.1-8. ábra Képzetes rész – frekvencia diagram Minimumhelye az körfrekvencián.
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
9 1.1-9. ábra Nyquist plot: Valós rész –képzetes rész diagram
1.1-1. táblázat. Az FRF függvényből származtatott mennyiségek elnevezései. Compliance Mobility Inertance / Receptance
elmozdulás / erő sebesség / erő gyorsulás / erő
Dynamic Stiffness Impedance Dynamic Mass
erő / elmozdulás erő / sebesség erő / gyorsulás
Modal körök: Igazoljuk, hogy az SDOF rendszer részlettört alakban felírt FRF függvénye két tagjának helyettesítési értékei a Nyquist síkon egy kör kerületére esnek. P* P H ( j ) j 1 j 2 H1 ( j )
H 2 ( j )
Fodor György [Fodor_1] alapján igazoljuk, hogy a két tag mindegyikének a helyettesítési értéke az körfrekvencia függvényében egy-egy olyan kör kerületére esik, amelynek középpontja az P* P * első tag esetében H 0 , a második tag esetében pedig H 0 . 2 2 Az első tag esetében képezzük egy tetszőleges H 1 ( j ) kerületi pont és a H 0 középpont távolságát: P 2 P P j ( j ) P R1 H 1 ( j ) H 0 j ( j ) 2 2 1 j ( j ) P 2 j j P j ( ) P j ( ) P 2 j ( j ) 2 j ( ) 2 j ( ) 2 A számítás utolsó lépésénél kihasználtuk, hogy a második tényező számlálója éppen a nevező konjugáltja, így hányadosuk abszolút értéke egyenlő abszolút értékük hányadosával, ami konjugáltak esetén 1-gyel egyenlő. A H 1 ( j ) kerületi pont és a H 0 pont távolsága állandó, tehát
a kerületi pontok valóban egy H 0 középpontú kör kerületére esnek. A kör sugara: R1 H 0 . A
H 1 ( j ) tagnak megfelelő kör az origót érinti és esetén. A második tagra hasonlóan elvégezhetjük az ellenőrzést: P P R2 H 2 ( j ) H 0* H 2* ( j ) H 0 j (1 j 1 ) 21
2P P j ( j ) P 2 j j P j ( ) 2 j ( j ) 2 j ( j ) 2 j ( )
P j ( ) P 2 j ( ) 2
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
10 Im
H 2 ( j )
H 2 ( j )
P* j 2
0 0 H0
P 21
P R 2
H0
Re
R
H 1 ( j )
P j 1
1.1-10. ábra Modal körök Vizsgáljuk meg, hogy milyen mértékű hibával kell számolnunk akkor, ha az FRF függvény két tagja helyett, csak az első tagot, az ún. főtagot vesszük figyelembe, és a második tagot elhanyagoljuk. Ehhez a H 2 ( j ) H ( j ) kifejezés elemzése szükséges. 2.1.3.1 Fizikai paraméterek változtatásának hatása A következőkben azt vizsgáljuk, hogy a csillapított rendszer FRF függvénye Abszolút érték – frekvencia diagramjának milyen változásait idézik elő a modell tömeg, csillapítás és merevségi paraméterének módosításai.
1.1-11. ábra A k merevség, a c csillapítás és az m tömeg növelésének hatása az FRF diagramra. [v_2_2.pdf] EMA J 01 01 SDOF rendszerek
11 A merevség növelésével az amplitúdó maximum helye a frekvencia tengely mentén jobbra tolódik (A csillapított sajátfrekvencia növekedik.). A statikus merevség növekszik (a hajlékonyság csökken). A csillapítás növelésekor az Abs-frekv függvény maximumhelye lényegesen nem változik, a maximum értéke csökken. Tehát a csillapítás növelésével a hajlékonyság csökken. A tömeg növelésével a maximumhely balra tolódik, vagyis a sajátfrekvencia csökken, a hajlékonyság pedig növekszik. FRF függvény érzékenysége Az FRF függvények érzékenységi egyenletei a H ( j ) Z ( j ) 1 azonosságból képezhetők. Ezt az azonosságot deriválva fizikai változás együtthatója szerint H ( j ) Z ( j ) (1.1-27) Z ( j ) H ( j ) 0. pm pm Átrendezve: H ( j ) Z ( j ) (1.1-28) H ( j ) H ( j ) pm pm Tömegváltoztatásra Z ( j ) ( 2 m jc k ) 2 (1.1-29) m m Behelyettesítve, tehát az FRF függvény érzékenysége tömegváltoztatásra: H ( j ) (1.1-30) H ( j )( 2 ) H ( j ) 2 H 2 ( j ) m Hasonlóan csillapítás változtatásra és merevségváltoztatásra hasonlóan számítható az érzékenységi függvény. Az összefüggéseket az az alábbi táblázatban foglaljuk össze: 2. táblázat FRF függvény érzékenysége H ( j ) H ( j )( 2 ) H ( j ) 2 H 2 ( j ) tömeg m H ( j ) H ( j )( j ) H ( j ) jH 2 ( j ) csillapítás c H ( j ) H ( j ) 1 H ( j ) H 2 ( j ) merevség k
A sajátérték paraméterek érzékenysége Azt vizsgáljuk, hogy infinitézimálisan a komplex sajátérték milyen változását idézi elő a tömeg, csillapítás és merevség változása 2 1 c k c (1.1-31) m m 2m 2m m 2 1 c k c (1.1-32) c c 2m 2m m 2 1 c k c (1.1-33) k k 2m 2m m EMA J 01 01 SDOF rendszerek
12 Nyquist kerületi sebesség Az FRF függvény körfrekvencia szerinti deriváltja. A függvény értéke komplex. dH ( ) Npervel( ) d A fenti definíciós képlet kifejtve:
(1.1-34)
dH ( ) dH 1 ( ) dH 2 ( ) d P d P* jP jP * d d d d j 1 d j 2 j 1 2 j 2 2 Elhanyagolva a második tagot, közelítő alakja: dH 1 ( ) jP (1.1-35) Npervele ( ) d j 1 2 Npervel( )
Relatív komplex Nyquist kerületi sebesség Az előzőekben definiált Nyquist kerületi sebesség, osztva az FRF függvénnyel. A függvény értéke komplex. dH ( ) Npervel( ) Rcnp ( ) d (1.1-36) H ( ) H ( ) Közelítő alakja:
jP dH 1 ( ) j 1 2 j (1.1-37) Rcnp e ( ) d P H 1 ( ) j 1 j 1 Rcnp e ( ) függvény grafikonja a komplex síkon egy kört ír le. -nál helyettesítési értéke: j j j (1.1-38) Rcnp e ( ) j 1 j ( j )
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
13
3 HISZTERÉZISES CSILLAPÍTÁS Ebben a fejezetben az ún. hiszterézises (hysteretic damping), másnéven szerkezeti (structural damping) csillapítású SDOF rendszereket vizsgáljuk [Zaveri_1]. A gyakorlatban sok olyan eset van, amikor az ilyen csillapítási mechaniznus feltételezés közelíti meg jobban a valóságot. Sok szerkezeti anyagnál a (rugalmassági határ alatti) ciklikus terhelés hatására a feszültségalakváltozás görbe egy hiszterézis hurkot ír le. Az anyag belső súrlódása miatt fellépő, ciklusonként disszipált energia arányos a hiszterézis hurok területével, innen ered a hiszterézises csillapítás kifejezés. Ennek a hiszterézishuroknak a területe független az alakváltozási sebességtől (a ciklikus terhelés frekvenciájától) és csak az alakváltozás nagyságától függ. Így a csillapító erő nagysága arányos a rugalmas erővel, de fázisa a sebesség irányába esik. Tehát hiszterézises csillapítás esetén harmónikus mozgásnál a csillapító erő az alábbi: x j k x k
ahol
szerkezeti csillapítási faktor [-].
Az egyszabadságfokú, szerkezeti csillapítású rendszer mozgásegyenlete k m x x k x F e jt , vagy m x k (1 j ) x F e jt . ahol k (1 j ) az ún. komplex merevség. A fenti egyenlet állandósult megoldása: 1 F x X e jt e jt . 2 1 / j k A nevezőből küszöböljük ki a komplex mennyiséget úgy, hogy bővítjük a törtet a nevező konjugáltjával: 1 / 2 F j x e jt . 2 2 2 2 2 2 1 / 1 / k Különválasztva a válaszjel valós és képzetes részét, a valós rész: 2 1 / F Re( x) e jt . 2 2 1 / 2 k
a képzetes rész: Im( x)
1 /
2 2
2
F jt e k
Karakterisztikus egyenlete
2 m k (1 j ) 0 , a karakterisztikus egyenlet gyökei pedig: 4mk (1 j ) k 1, 2 j 1 j j 1 j . 2m m (Diagramon ábrázolni kell, függvényében)
EMA J 01 01 SDOF rendszerek
14
1.1-12. ábra
EMA J 01 01 SDOF rendszerek