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モーダル試験とモーダル解析

構造力学試験および
解析ソリューション

モーダル試験とモーダル解析は、あらゆる構造物の固有振動数,減衰比,モード形状を求めるために不可欠なツールです。DEWESoftのモーダル試験ソリューションでは、構造物をインパルスハンマーや複数のモーダルシェーカーで加振し、簡単に応答を計測できます。SISO,SIMO,MISO,MIMOのテスト構成に対応しています。ジオメトリをインポートまたは描画し、豊富な視覚化やアニメーションを実行できます。モーダル解析拡張機能は、モーダルパラメータを推定するツールを提供します。

実験モーダル試験(EMA)、運用たわみ形状(ODS)、運用モーダル解析(OMA)のためのすぐに使用できるモーダルソリューションです。

モーダル試験の概要

モーダル試験と収録した試験データはモーダル解析を実施し、試験対象物の構造力学に関する結論を出すための基礎となります。システムの固有振動数,モード減衰比,被計測物のモード形状を決定できます。

モーダル試験には、人工的な加振源を加えて試験体を振動させる方法と、試験体を運転状態にして現場の振動を計測する方法があります。

モーダル試験は次の目的で使用されます。

  • トラブルシューティング:過度の振動レベルを低減するため、または共振が加振周波数から遠ざかるようにする
  • 「もしも」の場合のシミュレーション:複雑な加振に対する力や応答の決定
  • 構造アセンブリ解析:組み立てられたサブコンポーネントの動的特性を予測する
  • 有限要素モデル(FEM)の改良:プロトタイプでのテストによる検証、またはダンピングを含めることによる有限要素解析モデルの改良

モーダル解析の概要

モーダル解析は構造物や物体がどのように振動し、加えられた力に対してどの程度の抵抗力を持つかという構造物固有の動的特性を理解し、最適化するために不可欠です。モーダル解析は、機械や構造物のテスト,最適化,検証を可能にします。

より軽く、より強く、より安全な構造、より少ない燃料/電力消費、より高い快適性、より優れた性能を実現するために、設計をテストし、最適化し、検証します。 構造物の計測は、振動特性の完全な演算的モデルを構築するために使用され、そこから構造の挙動を観察することができます。物体の固有共振周波数と減衰パラメータを計算し、計測された物体のアニメーションジオメトリ上でモード形状を視覚化できます。

共振周波数と減衰比およびモード形状は、被試験装置のモードパラメータです。複雑な構造の有効なモーダルパラメータを推定するには、モーダル解析を行う必要があります。決定されたパラメータは、試験された構造の構造ダイナミクスに関する豊富な洞察を提供し、構造の最適化の方法を理解することを可能にしまう。

モーダル試験と解析のための
アプリケーション

モーダル解析は土木工学や航空宇宙,自動車などの産業において、次のような幅広い用途で使用されています。


  • 共振を加振周波数から確実に分離する
  • コンポーネントおよび組み立てられた構造物の動的挙動の予測
  • 構造の動的特性(質量,剛性,減衰)の最適化
  • 複雑な加振による応答の予測
  • 有限要素モデルに減衰を含める
  • ダメージの検出と評価

モーダル試験でサポートされる計測技術

DEWESoftのモーダルテストスイートは、いくつかの計測技術やモーダルテスト構成方法をサポートしています。

  • SISO:シングル入力 シングル出力のテスト構成
  • SIMO:シングル入力 マルチ出力のテスト構成
  • MISO:マルチ入力 シングル出力のテスト構成
  • MIMO:マルチ入力 マルチ出力のテスト構成

モーダル試験は、シングル基準加振器試験,シングル基準ロービングハンマー試験,ロービング加速度計試験により実行できます。マルチ基準ロービングハンマーおよびマルチ基準加振器試験もサポートされています。

MIMO方式 マルチ入力 マルチ出力

マルチシェーカーテストは通常、多数の加速度センサを使用して実行されます。 DEWESoftのモーダルテストスイートでは、複数の加振器を用いて複雑な構造物を加振し、実質的に無制限のチャネル数で計測および解析ができます。

MIMO計測技術は、FRFデータセットを収録するための実績のある確立された方法です。 特に大きな構造物を試験する際に、基本的なモードパラメータの計測と抽出において、いくつかの明確な利点があります。

複数の加振器を使用する主な利点は、入力された力のエネルギーが構造物のより多くの場所に分散されることです。 これにより特に大型で複雑な構造物や減衰の大きい構造物の場合、構造物全体にわたってより均一な振動応答が得られます。

ランダム,バーストランダム,サイン スイープ励起信号は、ファンクションジェネレータを使用してモーダルテスト設定画面で直接設定でき、MCOH(多重コヒーレンス)を使って加振器の設定を検証できます。

SIMO方式 シングル入力 マルチ出力

別のタイプの移動テストも選択できます。この場合、1つのモーダル加振器(ハンマーまたはシェーカー)を基準DOFとして使用し、1つまたは複数の加速度計がすべてのDOFを計測するまで移動します。これは「ロービング応答テスト」とも呼ばれます。

複数の加速度センサを使用する場合は、SIMO(シングル入力 マルチ出力)テスト構成になります。

DEWESoftでは、インパクトハンマー(1点加振またはロービングハンマーによる複数点加振)と任意の数の応答チャネルを用いて計測を行うことができます。

この方法は、構造力学や構造振動を詳細に評価するための強力な資産です。

計器
モーダル試験装置

モーダル試験とモーダル解析を行うには、通常いくつかの装置が使用されます。

  • モーダルシェーカーやインパクトハンマーなど、1つまたは複数の加振器
  • 入力加振信号を収録する力変換器
  • 出力応答信号を収録する加速度センサ
  • 試験を記録するデータ収集システム(DAQ)装置
  • 計算,結果の表示,レポート作成が可能な、モーダル試験および解析ソフトウェアを搭載したコンピュータ

DEWESoftは、上記のすべてのコンポーネントを備えたターンキーモーダル試験およびモーダル解析ソリューションを提供します。
利用可能なモーダルテストハードウェアの詳細は以下をご覧ください。

DAQシステム
モーダルテスト計測ハードウェア

DEWESoftはモード試験に最適なデータ収集システムを提供しています。 柔軟な入力チャネル数構成により、さまざまなモード試験のセットアップが可能です。 ハイエンドの信号調整アンプは、優れたダイナミックレンジで信号計測を提供します。

Dewesoft モーダルテスト推奨バンドル推奨

  • SIRIUS-MINI SIRIUSm-4xACC:4チャネルIEPE/圧電デバイス、モーダルハンマーと最大3つの加速度計の接続に最適
  • SIRIUSi-HD-16x-ACC:16チャネルIEPE装置、ロービングハンマーと最大5個の3軸加速度計を使用した作業に最適
  • SIRIUSi-HD-16xACC(アナログ出力オプション付):8つのアナログ出力チャネルを備えた16チャネルIEPE装置。モーダルシェーカーと最大16個のIEPE加速度計の使用に最適

DEWESoftのデータ収録システムは柔軟な設計になっており、ソフトウェアの追加費用なしで任意の入力チャネル数に拡張できます。

モーダルシェーカー
モーダル試験用振動シェーカー

高周波の加振あるいは信号制御試験が必要な場合は、モーダルシェーカーが唯一の加振ソリューションです。 DEWESoftの モーダルシェーカーは軽量でパワフルです。最大15,000Hzで作動し、最大25mmのストロークで最大440Nの加振力を提供します。

メリット

  • モーダルスティンガーは、スルーホールアーマチュアで簡単に調整可能
  • 軽量で耐久性に優れ、持ち運びが容易
  • 調整可能なトラニオンベースは高い柔軟性を実現
  • 最大25mmのストロークと広い周波数範囲

DEWESoftのモーダルシェーカーは、モーダル試験と構造力学に使用できます。 モーダルシェーカーシリーズは、電子基板やサブコンポーネントから、機械,車両,航空機,さらには構造物に至るまで、動的特性評価用の幅広い構造物をカバーしています。

ロービングハンマー
モーダル試験用インパクトハンマー

モーダルシェーカーと振動センサに加えて、DEWESoftは様々な力範囲のロービングハンマーも提供しています。

最大440Nまでのハンマーは、収録&解析ソフトウェアDewesoftXを使用したモーダル解析に最適です。

DEWESoftのモーダルハンマーは、TEDSスマートセンサを装備しています。これにより、DewesoftXが自動的にハンマーを検出し、正しいスケーリングを設定します。

シンプルな設定
自動入力設定

計測チャネル数が多い場合は自動入力セットアップ機能により、加振チャネルと応答チャネルの追加と削除を簡単に行うことができます。

自動入力機能は、次の場合に有効です。

  • 1軸および3軸センサ用自動入力(応答チャネル)
  • 開始ノードインデックスとインデックスインクリメントの選択
  • 追加チャネルの方向性と符号を定義
  • センサのグループ化とグループ数の定義

シンプルな操作
視覚的なステップバイステップガイダンス

DewesoftXには、モーダル試験と解析用にあらかじめ定義された表示画面が用意されています。 事前定義された表示画面には、計測データの収録と計測プロセスおよび計測データの事後解析に最も頻繁に使用される機器と配置が含まれています。

定義済みの各表示は、モーダルテストプロセスを段階的にガイドします。 計測の進捗状況を追跡し、ヒットの拒否,ポイントのリセット,ダブルヒットの自動検出が可能です。

構造物のアニメーションは3方向すべてで可能で、計測中にさまざまな投影法で構造物を見ることができます。

もちろん、デフォルトの表示をカスタマイズしたり、無制限のニュース表示を定義することはいつでも可能です。

驚異的なビジュアル
アニメーションによる3Dジオメトリ

アニメーション付き3Dジオメトリは、モーダルテストとモーダル解析の両モジュールに完全に統合されており、構造物の3Dモデル構築に必要なすべてを提供します。

ジオメトリエディタを使用すると簡単な3D構造をすばやく描画したり、UNVファイル形式を使用してより複雑なモデルをインポートすることもできます。 計測された構造物のジオメトリは、オブジェクト,ライン,またはポイントによって定義されます。ジオメトリエディタは直交座標系と円筒座標系をサポートしており、円形オブジェクトの描画に最適です。

非測定点を補間することで、3方向すべての単一周波数で構造物をアニメーション化することができます。さまざまなモード形状をアニメーション化し、無励振構造形状とたわみを比較することができます。 これにより、構造力学を完全に視覚化することができます。

計測中にポイントの色が変わるので、励起点と応答点が識別しやすくなります。構造物のジオメトリは、さまざまな投影法でレンダリングできます。

  • 3Dパース
  • 3D正投影法
  • いくつかの 2D プロジェクション

高度な演算機能を備えた
高度なモーダル解析

モーダルパラメータを推定するためのカーブフィット結果とLSCFアルゴリズムは、専用のウィジェット(安定化ダイアグラム)に表示されます。

また、複合モードインジケータ関数(CMIF)を他の任意のベクトルチャネルとともに表示することもできます。AutoMACは、さまざまなモード間の相関関係を示しています。合成されたFRFの計算をサポートし、計測されたFRFと簡単に比較する機能が含まれています。

モードインジケータ関数(MIF)、H1、H2推定器、パワースペクトル密度(PSD)は収録&解析ソフトウェアDewesoftXに実装されており、他の演算と組み合わせて使用できます。

保存された生データによる後処理

収録&解析ソフトウェアDewesoftXは、常に計測データの生の値を保存します。 これにより、加速度計とハンマー (またはシェーカー) の加振点からの生の信号を使用したオフライン計算が可能になります。

これは、モーダル試験セットアップ全体を繰り返す必要がなく、いくつかの追加計算を実行する必要がある場合に非常に便利です。

大きな構造体を簡単に処理
複数のデータファイルを結合

構造物全体を一度に計測する必要はありません。構造の異なる部分を計測し、別々のデータファイルに保存できます。DewesoftXを使用すると、被検体の各ポイントまたはグループごとに1つのデータファイルを簡単に記録することができます。

計測が終わったら、個別のデータファイルを簡単に統合して、構造全体を解析したりアニメーション化したりして、その挙動を観察することができます。

各伝達関数には、応答ノード,応答方向,参照ノード,参照方向に関する情報が含まれています。

さらなる解析のためにデータをエクスポート

すべての計測データは、さまざまな標準ファイル形式にエクスポートできます。 最も一般的で標準的なデータ形式には、UNV/UFF,Diadem,Matlab,Excel,テキスト(CSV)があります。しかしDewesoftXにはさらに多くのフォーマットが含まれています。

伝達関数は、Real,Imag,Ampl,またはPhaseパート別にエクスポートできます。

ユニバーサルファイル形式(UFFまたはUNV形式としても知られる)は、モーダル解析では非常に一般的です。ヘッダに応じて、伝達関数,コヒーレンス,ジオメトリなど,またはその他のさまざまなデータを含めることができます。モーダルテスト用に特別に作成された、UNV/UFFエクスポートも含まれています。

実験モード解析 (EMA)

実験モード解析(EMA)試験は現場でも、より制御されたラボ環境でも実施することができます。 ラボでのテストには信号対雑音比 (SNR) が高く、テストの設定を簡単に変更できるという利点があります。

EMA試験を行う場合、物体は人工的な力によって加振され、入力(加振)信号と出力(応答)信号の両方が計測され、モーダルモデルの推定に使用されます。

動作たわみ形状(ODS)

動作たわみ形状 (ODS) は動的解析を行う簡単な方法で、機械や構造物が動作条件内でどのように動くかを見ることができます。ODSテストでは人為的な力を加えず、応答振動信号のみを計測します。

ODS解析では、実際の運転と同じように、構造は機械自体によってのみ加振されます。周波数ODSは、機械や構造物が特定の周波数で動作中にどのように動くかを見る最も簡単な方法です。

DewesoftXモーダルスイートはODSテストをサポートしています。周波数ODSでは、加速度センサの1つを加振基準信号として定義し、他のセンサを応答センサとして定義する必要があります。アニメーションは通常通り表示できますが、一貫性が良好な領域でのみ最適に機能します。

ODSは機械の状態監視や、橋、建物、その他人工的な力で加振することが難しい構造物などの土木工学的用途に使用されています。

運用モーダル解析(OMA)

運用モーダル解析は、大規模な土木構造物,運転機械,その他の構造物に使用され、その出力応答のみを利用します。これらの構造物には、波荷重(海洋構造物),風荷重(建築物),交通荷重(橋梁)など、制御や計測が容易ではない自然荷重が常にかかっています。

Dewesoft ARTeMIS OMAソフトウェアを使用すると、出力応答データのみが収録された動作構造のモーダル パラメータを推定できます。 モードパラメータとは、モード形状,固有振動数,減衰比です。

OMAは単なるODS(Operating Deflection Shapes)の別名ではありません。OMAは、出力データからノイズと入力を判断して分離し、バイアスのかかっていないモーダル情報のみを返すので、運用データからモーダルモデルの推定を推定できます。OMAは、出力のみのモーダル解析,周囲応答解析,周囲モーダル解析,動作中モーダル解析,自然入力モーダル解析とも呼ばれます。

収録したDEWESoftの運用時間データファイル(DXD)をDEWESoftARTeMIS OMAアプリケーションで直接開き、解析を実行できます。

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