Modal analiz: doğal frekans, mod şekli ve rezonans nasıl okunur?

Bir parçanın statik yük altında az esnemesi, çalışma sırasında titreşim sorunu yaşamayacağı anlamına gelmez. Motor, fan, dişli veya tekrarlı hareket mekanizması yapıya zamana bağlı uyarımlar taşır. Modal analiz, bu sistemin doğal frekanslarını ve mod şekillerini incelemek için kullanılan yöntemdir. Doğru okunduğunda tasarımın hangi yönde ve hangi bölgede hareket etmeye eğilimli olduğunu gösterir; tek başına gerçek çalışma titreşiminin genliğini vermez.

Bu yazıdaki devirler ve frekanslar yöntem örneğidir. Belirli bir makinede ölçülmüş değerler, uygulanmış bir iyileştirme veya doğrulanmış ürün performansı olarak sunulmuyor.

Modal analiz hangi soruya cevap verir?

Doğal frekans ve mod şekli, modellenen sistemin kütlesi, rijitliği ve kısıtlarıyla ilişkilidir. Aynı metal parçayı serbest bırakmak, bir ucundan tutmak veya başka bir gövdeye bağlamak farklı sistemler oluşturur. Bu nedenle “bu parçanın frekansı kaç?” sorusu, montaj durumunu belirtmeden eksik kalır.

[Ansys'in modal analiz kılavuzu](https://ansyshelp.ansys.com/public/Views/Secured/corp/v251/en/ans_str/Hlp_G_STR3.html), yöntemi doğal frekanslar ve mod şekilleri için tanımlar; sonraki dinamik analizlere başlangıç oluşturabileceğini açıklar. Hesabın başına beklenen çalışma durumunu yazın: Montajlı gövde mi, tek bileşen mi, ön yük altındaki mekanizma mı inceleniyor? Sonuçların karşılaştırılması ancak bu kapsam aynı tutulursa anlamlıdır.

Mod şekli gerçek deformasyon ölçeği değildir

Bir modal animasyonda gövde çok büyük hareket ediyor gibi görünebilir. Bu, gerçek çalışma sırasında aynı miktarda yer değiştireceği anlamına gelmez. Mod şekilleri seçilen ölçekleme veya normalizasyonla görüntülenir. [Ansys'in modal sonuç inceleme dokümanı](https://ansyshelp.ansys.com/public/Views/Secured/corp/v251/en/ans_str/Hlp_G_STR3_8.html), özvektör ölçeklemesini ve sonuçların okunmasını ele alır.

İki tasarımın animasyonunu kıyaslarken otomatik görsel büyütmeyi performans ölçütü olarak kullanmayın. Önce frekansı, modun karakterini ve ilgilendiğiniz arayüzün hareket yönünü karşılaştırın. Genel eğilme, burulma ve yerel kapak titreşimi aynı tasarım sorusuna cevap vermeyebilir. Ekrandaki en hareketli bölge, dış uyarımla en güçlü etkileşen bölge olmak zorunda değildir.

Devir sayısını frekansa çevirin

Varsayımsal bir motor 1.800 dev/dak ile çalışıyorsa dönme frekansı 1.800 / 60 = 30 Hz'dir. Bu temel dönüşüm, uyarım tablosunun başlangıcıdır. Sistemde başka tekrarlama mekanizmaları varsa bunlar ayrıca yazılır. Örneğin altı kanatlı bir fanın kanat geçişi, uygun sabit gözlem noktasında 6 × 30 = 180 Hz bileşeni oluşturabilir. Bu örnek, her fanın yalnızca iki frekansta uyarım yaptığı anlamına gelmez.

Devir aralığı değişiyorsa tabloya yalnızca nominal değeri koymayın. Kalkış ve yavaşlama sırasında geçilen aralık da önemlidir. 900–1.800 dev/dak arasında çalışan örnek motorda temel dönme frekansı 15–30 Hz, altı kanatlı geçiş bileşeni 90–180 Hz aralığındadır. Hangi bileşenin baskın olduğu ayrıca uyarım verisiyle değerlendirilmelidir.

Yakın frekans gördüğünüzde ne yapmalısınız?

Varsayımsal modelin bir modu 31 Hz çıksın. Motorun 30 Hz dönme bileşenine yakın görünmesi inceleme gerektirir, fakat tek başına kabul veya ret kararı değildir. Uyarım yönü, kuvvet seviyesi, mod şekli ve sönüm birlikte önem taşır. Genel bir yüzde uzaklık kuralı, bütün makineler ve bütün çalışma koşulları için otomatik güvence olarak kullanılmamalıdır.

Bu noktada rapora açık soru yazılabilir: “İncelenen montajın 31 Hz modu, temel dönme uyarımının etkili olduğu yönde mi?” Eğer cevap evetse gerçekçi yük ve sönüm kabulleriyle dinamik cevap değerlendirilir. Modelde bir frekansı bulmakla, çalışma sırasında oluşacak gerilme veya yer değiştirmeyi belirlemek farklı çıktılardır.

Harmonik analiz ne zaman devreye girer?

Sürekli periyodik bir yük altında kararlı dinamik cevabı incelemek için harmonik analiz kullanılabilir. Bu çözümde frekans aralığı, yükün genliği ve fazı, sönüm ve sınır koşulları belirlenir. [Ansys'in harmonik analiz açıklaması](https://ansyshelp.ansys.com/public/Views/Secured/corp/v251/en/ans_str/Hlp_G_STR4.html), yöntemin zorlanmış titreşimde kararlı cevabı değerlendirdiğini belirtir.

Örneğimizde sadece 30 Hz noktasını çözmek, 31 Hz civarındaki değişimi kaçırabilir. İnceleme aralığı ve çözüm adımları araştırılan soruya göre seçilir. Zamana bağlı darbe, değişen temas veya belirgin doğrusal olmayan davranış söz konusuysa aynı çözüm türünün otomatik olarak uygun olduğu varsayılmaz. Analiz adı, fiziksel davranışa göre seçilmelidir.

Modeldeki kütle ve bağlantıları kontrol edin

Çizimdeki gövdeyi analiz ortamına taşırken motor, kablo, kapak veya bağlantı parçalarının kütleleri unutulabilir. Bunları ayrıntılı modellemiyorsanız eşdeğer temsilin konumu ve dayanağı açık olmalıdır. Bir kütlenin doğru toplam değerde fakat yanlış yerde tanımlanması da hareket karakterini değiştirebilir.

[Ansys'in modal model kurma kılavuzu](https://ansyshelp.ansys.com/public/Views/Secured/corp/v251/en/ans_str/Hlp_G_STR3_5.html), rijitlik ve kütle verilerinin tanımını, doğrusal davranış kabulünü ve temasın nasıl ele alındığını açıklamaktadır. Gerçekte esnek bir desteği tamamen sabitlemek veya açık bir teması bağlı kabul etmek, hesaplanan sistemin gerçek montajdan uzaklaşmasına yol açabilir. Ön yüklü sistemlerde çalışma durumunun temsil edildiği ayrıca kontrol edilir.

İyileştirmeyi tek sayıya göre seçmeyin

Bir kaburga eklemek rijitliği değiştirir, aynı zamanda kütleyi de artırır. Motor yerini değiştirmek kütle dağılımını ve arayüz yüklerini etkiler. Bağlantı açıklığını büyütmek farklı bir modun davranışını değiştirebilir. Tasarım varyantlarını yalnızca ilk doğal frekans büyüdü diye sıralamayın; ilgilendiğiniz modun hâlâ aynı fiziksel hareketi temsil ettiğini kontrol edin.

Örneğin ince bir kapağın yerel modu değişirken ana gövdenin kritik hareketi aynı kalabilir. Varyant tablosunda değişiklik, ilgili modun karakteri, frekansı, üretim etkisi ve yeni açık soru bulunmalıdır. Bir modun sırası değiştiğinde aynı sıra numarasını kıyaslamak yanıltıcı olabilir; şekli ve davranışı izlemek gerekir.

Ölçümle karşılaştırmayı baştan planlayın

Deneysel kontrol düşünülüyorsa sensör konumu, ölçülen yön ve montaj durumu analizle ilişkilendirilmelidir. Yalnızca tek bir frekans tepesinin yakın çıkması, modelin bütün davranışını doğrulamaz. Uyarımın nereden verildiği ve hangi noktaların gözlendiği karşılaştırmanın kapsamını belirler.

Rapor; model revizyonu, malzeme ve kütle kaynakları, bağlantı kabulleri, incelenen frekans aralığı, önemli modlar ve sonraki doğrulama adımıyla tamamlanmalıdır. Bu kayıt, sonraki tasarım değişikliğinde aynı değerlendirmeyi yeniden yapmayı mümkün kılar. Fiziksel modelin kurulmasını daha geniş ele almak için [sonlu elemanlar analizi rehberindeki yük yolu ve sınır koşulları bölümüne](/blog/fea-nedir) bakabilirsiniz.