آنالیز مودال عملیاتی در حضور تحریکهای هارمونیک

امروزه آنالیز مودال تجربی کاربردهای گسترده ای در تصحیح دینامیک سازه ها، بهبود مدل های تحلیلی، طراحی دینامیکی بهینه، کنترل ارتعاشات، عیب یابی و پایش سلامت سازه ها در زمینه های مهندسی هوافضا، مکانیک و عمران پیدا کرده است. برای انجام آزمون مودال معمولاً سیستم مورد نظر به آزمایشگاه منتقل شده و پس از شبیه سازی شرایط مرزی با اعمال نیروهای تحریک ساخته شده و معین به ارتعاش واداشته می شود. سپس با استفاده از پاسخ و نیروی تحریک اندازه گیری شده توابع پاسخ فرکانسی محاسبه و از طریق روش های مختلف آنالیز مودال، پارامترهای مودال سیستم شامل فرکانس های طبیعی، نسبت های میرایی و شکل مودها استخراج می شود. برای بسیاری از سیستم های ارتعاشی نظیر سازه های بزرگ صنعتی و عمرانی آنالیز مودال تجربی با مشکلات و محدودیت هایی روبرو می شود. به عنوان نمونه انتقال یک پل یا یک ماشین صنعتی بزرگ به آزمایشگاه در عمل ناممکن است. اندازه گیری توابع پاسخ فرکانسی در محل نیز مستلزم خارج کردن مجموعه از سرویس کاری، حذف تمام نویزهای مزاحم مکانیکی و الکتریکی و تحریک آن سازه بزرگ بوده که بسیار مشکل و گاه ناممکن است. از طرف دیگر در بسیاری مواقع شرایط کاری سیستم با شرایط آزمون متفاوت و نتایج حاصل جوابگوی نیازها نخواهد بود. به منظور رفع این محدودیت ها، روش آنالیز مودال عملیاتی (oma) توسعه و بکار گرفته شده است. در این روش پاسخ ارتعاشی سیستم تحت تأثیر نیروهای محیطی در شرایط کاری عادی اندازه گیری شده و به منظور استخراج پارامترهای مودال سیستم مورد استفاده قرار می گیرد. از مزایای این روش در مقایسه با آنالیز مودال متعارف عدم نیاز به دستگاه های تحریک و شبیه سازی شرایط مرزی، خارج نکردن سازه از سرویس کاری و در نتیجه سرعت بالاتر و هزینه کمتر است. به علاوه در این روش مدل خطی شده حول شرایط نیرویی و مرزی واقعی برای کل سیستم (و نه بخش جدا شده ای از آن) بدست می آید. آنالیز مودال ماشین های دوار بزرگ و سازه های مرتبط با آنها یکی از مواردی است که به دلیل وجود نیروهای ارتعاشی حاصل از ماشین و بروز مسایل و مشکلات ارتعاشی، کاربرد زیادی دارد اما به دلیل محدودیت های ذکر شده انجام آزمون مودال تجربی به روش های متعارف معمولاً غیر ممکن و یا بسیار پر هزینه است. oma می تواند روشی کاربردی برای استخراج پارامترهای مودال ماشین های دوار باشد. اما پاسخ ارتعاشی ماشین های دوار حاوی تحریک های هارمونیک متعدد و قدرتمندی است که روش های oma را با مشکل روبرو می کند. زیرا در همه این روش ها نیروهای تحریک بصورت نویز سفید فرض می شوند. به منظور استفاده از oma در شرایط وجود تحریک های هارمونیک لازم است اجزای هارمونیک ابتدا شناسایی شده و سپس تأثیر آنها در oma و پارامترهای مودال حاصل مد نظر قرار گیرند و یا اینکه سیگنال پاسخ ابتدا به دو قسمت تصادفی و پریودیک جداسازی شده و سپس بخش تصادفی مورد استفاده قرار گیرد. در این رساله اندیس های مختلف تشخیص اجزای هارمونیک مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته به منظور افزایش دقت و حساسیت در تشخیص هارمونیک ها یک اندیس جدید پیشنهاد گردیده است. به منظور استخراج پارامترهای مودال روش های مبتنی بر تبدیل حوزه فرکانس (fdd) شامل efdd و cfdd، مورد مطالعه و پیاده سازی قرار گرفته اند. در این روش ها قبل از استخراج پارامترهای مودال، اجزای هارمونیک شناسایی شده بوسیله اندیس هارمونیک، از طریق میانیابی خطی از توابع پاسخ فرکانسی حذف می گردند. به منظور بهبود عملکرد این روش ها در شرایط وجود تحریک های هارمونیک در این رساله روش اصلاح شده mcfdd پیشنهاد شده است. روش دیگری که در این پروژه برای عبور از مشکل وجود تحریک های هارمونیک مورد استفاده قرار گرفته جداسازی سیگنال های پاسخ قبل از آنالیز مودال عملیاتی است. پس از مطالعه و بررسی روش های مختلف موجود جهت جداسازی سیگنال ها به دو بخش تصادفی و پریودیک، روش های مناسب پیاده سازی و مورد استفاده قرار گرفته است. از بخش تصادفی سیگنال جهت استخراج پارامترهای مودال توسط روش های fdd در حوزه فرکانس و ssi در حوزه زمان استفاده شده است. دقت و کارآیی روش های موجود و پیشنهادی ابتدا از طریق شبیه سازی نرم افزاری بررسی و مقایسه شده و سپس کارآیی آنها در آزمایشات عملی از طریق آزمون آنالیز مودال عملیاتی یک تیر فولادی و یک فن شرکت فولاد مبارکه ارزیابی گردیده است. نتایج شبیه سازی و آزمون های عملی بهبود نتایج حاصل از روش پیشنهادی نسبت به روش های موجود را نشان داده است.