SUPERVISOR
Mehdi Keshmiri,Saeed ZeiaeiRad
مهدی کشمیری (استاد راهنما) سعید ضیائی راد (استاد مشاور)
STUDENT
Esmaeil Ghorbani
اسماعیل قربانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Modal Analysis of Linear Time Periodic Systems with Application to Beam- Moving Mass Systems
Similar to linear time invariant systems, modal analysis methods for linear time-varying systems have been developed both in frequency and time domains. However due to the variable nature of these systems with time, use of time-frequency identification methods have been also considered in the recent years. Many well-developed concepts and analytic methods of linear time-invariant systems cannot be applied to linear time varying systems and these system have been often dealt on a case-by-case basis In this thesis, first, according to the modal analysis methods for linear time invariant systems, a time domain method for extracting modal parameters of linear time varying systems is presented and after introducing the procedure, the modal parameters of a beam with moving mass have been extracted and the results are examined. Generally, mathematical theory of the time domain modal analysis methods is complex and difficult to implement. The method presented in this thesis is no exception. In order to introduce an easier approach with higher convergence criteria, Hilbert–Hong transform is presented. Hilbert–Hong transform is a comparative method and in contrast to other time-frequency methods such as wavelet method, is simpler and more capable After introducing a Hilberrt-Hong based method completely, modal parameters of a vibration system are extracted using free and forced vibration response of the system. Empirical mode decomposition is the key point of Hilbert - Huang that extract several intrinsic mode functions from a multi frequency vibration signal. Many linear structural dynamic systems, such as wind turbines, helicopter blades, turbo machinery, and a variety of nonlinear structures linearized about a periodic limit cycle, are modeled with time-periodic coefficients. Linear time periodic systems such as these may exhibit parametric resonance, where the damping in the system is negative at certain rotational frequencies, leading to catastrophic failure. Therefore, modal analysis of these LTP systems has been a main concern for researchers and engineers. A method for extracting modal parameters of linear time-periodic systems in the frequency domain are introduced too. It has been showed that the frequency response function and the assumptions used to determine the frequency response function of linear time invariant systems can not be used for linear time periodic systems. However, using a new frequency space, a frequency response function for a linear time periodic system is introduced and it is shown that, with a combination of this function and frequency domain modal analysis methods for linear time invariant systems, modal parameters of a linear time-varying periodic system can be extracted. At the end, a very preliminary approach is presented to extract the time invariant modal natural frequency of a bridge from modal analysis of the bridge response in the presence of moving vehicles. To perform this analysis a modified homotopy perturbation method is used to relate the natural frequencies of the LTI and LTP responses. Key Words: Beam with Moving Mass, Modal Analysis of Linear Time Varying Systems, Hankel Matrix, Hilbert-Huang Transform, Modified Homotopy Perturbation Method.
روشهای آنالیز مودال برای سیستمهای متغیر با زمان، همانند سیستمهای LTI ، هم در حوزه فرکانس و هم در حوزه زمان توسعه یافتهاند، ولی به دلیل ماهیت متغیر با زمان بودن این سیستمها، استفاده از روشهای زمان-فرکانسی برای شناسایی این سیستمها نیز در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در این پایاننامه ابتدا، با توجه به روشهای آنالیز مودال برای سیستمهای LTI ، روشی در حوزه زمان برای استخراج پارامترهای مودال سیستمهای LTV ارائه میگردد و پس از شناخت مراحل روش، پارامترهای مودال یک تیر با جرم متحرک با استفاده از این روش استخراج میشوند و نتایج مورد بررسی قرار میگیرند. عموماً روشهای آنالیز مودال در حوزه زمان از ریاضی پیچیدهای برخوردار بوده و پیادهسازی آنها نیز مشکل است (روش معرفیشده در این پایاننامه نیز از این قاعده مستثنی نیست). در ادامه برای جایگزین کردن روشی سادهتر و همچنین با همگرایی بالاتر، سراغ روشها زمان-فرکانسی رفته و تبدیل هیلبرت-هانگ معرفی میگردد. تبدیل هیلبرت-هانگ روشی تطبیقی بوده که نسبت به دیگر روشهای زمان-فرکانسی مانند تبدیل موجک، روشی سادهتر بوده و همچنین از توانمندیهای بیشتری برخوردار است. پس از معرفی کامل روش مدنظر، روش استخراج پارامترهای مودال با استفاده از پاسخ ارتعاشات آزاد و اجباری یک سیستم ارتعاشی به کمک این تبدیل تشریح میگردد و روشهای معرفی شده بر روی سیستمهای مختلف پیاده سازی شده و پارامترهای مودال استخراج میشوند. نکته کلیدی تبدیل هیلبرت-هانگ استفاده از روش تجربی تجزیه مودی میباشد، که با تجزیه یک سیگنال ارتعاشی به چندین تابع ذاتی، برای استخراج اطلاعات هر مود، از این توابع استفاده میکند. همانند روشهای آنالیز مودال برای سیستمهای LTI ، که هم در حوزه زمان و هم در حوزه فرکانس توسعه یافتهاند، در ادامه روشی برای استخراج پارامترهای مودال سیستمهای خطی متغیر با زمان پریودیک در حوزه فرکانس معرفی میشود. در همین راستا ابتدا با اثبات عدم کارایی فرضهای در نظر گرفته شده برای تعیین تابع پاسخ فرکانسی سیستمهای LTI ، به منظور تعیین تابع پاسخ فرکانسی سیستمهای خطی متغیر با زمان پریودیک، با تعریف فضای فرکانسی جدید، تابع پاسخ فرکانسی برای یک سیستم خطی متغیر با زمان به صورت پریودیک محاسبه میگردد و در ادامه نشان داده میشود که با تلفیقی از این تابع و روشهای آنالیز مودال در حوزه فرکانس برای سیستمهای LTI ، میتوان پارامترهای مودال یک سیستم متغیر با زمان پریودیک را استخراج کرد. نکته کلیدی در این فصل، تعداد فرکانسهای طبیعی در هر مود برای یک سیستم متغیر با زمان است. در انتها نیز با طرح این سؤال که آیا برای یک پل در حال استفاده، با فرض رفتار خطی پل و استفاده از پاسخ پل به حرکت ماشینها بر روی آن، میتوان فرکانسهای طبیعی پل تنها را محاسبه کرد؟ روش اختلالی هموتوپی مورد بررسی قرار میگیرد. مطالعات و تحقیقات انجام گرفته در زمینه هموتوپی، یا به بهبود روش هموتوپی پرداختهاند و یا از این روش برای حل معادلات غیرخطی استفاده کردهاند. البته اخیراً از این روش برای تحلیل پایداری سیستم هایی مانند سیستم مورد مطالعه نیز استفاده میشود. در این پایاننامه ابتدا با تعمیم این روش برای سیستمهای چند درجه آزادی، روش حل بهبود داده شده و در ادامه با استفاده از این ایده و استفاده از جملات سکولار در فرآیند حل، فرکانسهای طبیعی تیر نیز استخراج میشوند. کلمات کلیدی : 1- تیر با جرم متحرک 2- آنالیز مودال سیستمهای خطی متغیر با زمان 3- ماتریس هنکل 4- تبدیل هیلبرت-هانگ 5- روش اختلالی هموتوپی