SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Mehdi Keshmiri
سعید ضیائی راد (استاد مشاور) مهدی کشمیری (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Masjedian
محمدحسن مسجدیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1382
TITLE
Operational Modal Analysis in the Presence of Harmonic Excitation
Nowadays experimental modal analysis has found a wide range of applications in dynamic improvement of structures, enhancing analytical models, optimal dynamic design, vibration control, fault detection and structural health monitoring in numerous fields of mechanical, aerospace and civil engineering. The modal test is normally performed at laboratory where the boundary conditions are replicated and the system is excited by artificial forces. By processing the data acquired from system’s response and input force measurements, frequency response functions are computed through which different modal analysis methods enable to obtain modal parameters. Experimental vibration analyses which concerns large industrial or masonry structures, encounter technical difficulties and limitations. For instance, transferring a bridge for this purpose to the laboratory site is neither practical nor plausible in financial terms. Furthermore, measuring the system’s frequency response in its location will necessitate shutting it off and also eliminating mechanical and electrical disturbance noises, not to mention the difficulty of applying excitation forces in such conditions. On the other side, the system operational conditions are not identical to those present in the test and hence the results are not appropriate to our purpose. In order to alleviate these limitations, the operational modal analysis (OMA) has been developed. This method is purposed to obtain modal parameters by measuring vibrations under the influence of ambient forces in normal work conditions of the system. One of the obvious advantages of this method comparing to the conventional modal analysis resides in the dispensability of using specific excitation sources, recreating actual boundary conditions or stopping the system’s normal operation, hence enhancing the speed and reducing the cost. In this method, the model linearized about the actual force and boundaries of the whole system (and not a separated part of it) is obtained. Modal analysis of rotary machines and bearing structures finds many applications in investigating induced vibrations complications but is not applicable via performing conventional experimental modal tests because of above-mentioned limitations. OMA can be suitable for the purpose of obtaining the modal parameters of rotary machines. The vibration response of rotary machines contains a multitude of powerful harmonics which cause problem to the method as the excitation force is essentially assumed as white noise. In order to rectify the OMA method to deal with these harmonics present in the excitation source, these latter are identified in a first attempt and their influence on the resulting modal parameters are investigated. Another method may consist of splitting the response signals into stochastic and periodic parts then using the former for further analysis. In this thesis, different indexes for identifying harmonic components are investigated in order to reach a more sensitive and accurate method. Methods based on frequency domain decomposition (FDD), consisting of EFDD and CFDD, are studied and implemented for obtaining the modal parameters. In these methods, the harmonics parts identified via the harmonic index are eliminated from the frequency response by performing linear interpolation. For enhancing the performance, a novel MCFDD method has been proposed. Another method presented in this project for getting rid of the harmonic excitation forces consists of separating the response signals before performing the operational modal analysis. The stochastic part of the signal is used for obtaining the modal parameters via the FDD method in the frequency domain and SSI method in the time domain. Accuracy and effectiveness of existing and proposed methods are investigated and compared through computer simulations. Then their effectiveness has been evaluated in practical tests performed on a steel beam and a large industrial fan in Mobarakeh Steel Complex. Both simulations and tests show enhancements in the results in comparison to other methods. Keywords: Operational modal analysis, harmonic excition, rotating machinery, signal separation.
امروزه آنالیز مودال تجربی کاربردهای گستردهای در تصحیح دینامیک سازهها، بهبود مدلهای تحلیلی، طراحی دینامیکی بهینه، کنترل ارتعاشات، عیبیابی و پایش سلامت سازهها در زمینههای مهندسی هوافضا، مکانیک و عمران پیدا کرده است. برای انجام آزمون مودال معمولاً سیستم مورد نظر به آزمایشگاه منتقل شده و پس از شبیهسازی شرایط مرزی با اعمال نیروهای تحریک ساخته شده و معین به ارتعاش واداشته میشود. سپس با استفاده از پاسخ و نیروی تحریک اندازهگیری شده توابع پاسخ فرکانسی محاسبه و از طریق روشهای مختلف آنالیز مودال، پارامترهای مودال سیستم شامل فرکانسهای طبیعی، نسبتهای میرایی و شکل مودها استخراج میشود. برای بسیاری از سیستمهای ارتعاشی نظیر سازههای بزرگ صنعتی و عمرانی آنالیز مودال تجربی با مشکلات و محدودیتهایی روبرو میشود. به عنوان نمونه انتقال یک پل یا یک ماشین صنعتی بزرگ به آزمایشگاه در عمل ناممکن است. اندازهگیری 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 محدودیتها، 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 اندازهگیری شده و به منظور استخراج پارامترهای مودال سیستم مورد استفاده قرار میگیرد. از مزایای این روش در مقایسه با آنالیز مودال متعارف عدم نیاز به دستگاههای تحریک و شبیهسازی 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 شدهای از آن) بدست میآید. آنالیز مودال ماشینهای دوار بزرگ و سازههای 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 محدودیتهای ذکر شده انجام آزمون مودال تجربی به روشهای متعارف معمولاً غیر ممکن و یا بسیار پر هزینه است. OMA میتواند روشی کاربردی برای استخراج پارامترهای مودال ماشینهای دوار باشد. اما پاسخ ارتعاشی ماشینهای دوار حاوی تحریکهای هارمونیک متعدد و قدرتمندی است که روشهای OMA را با مشکل روبرو میکند. زیرا در همه این روشها نیروهای تحریک بصورت نویز سفید فرض میشوند. به منظور استفاده از OMA در شرایط وجود تحریکهای 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 اندیسهای مختلف تشخیص اجزای هارمونیک مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته به منظور افزایش دقت و حساسیت در تشخیص هارمونیکها یک اندیس جدید پیشنهاد گردیدهاست. به منظور استخراج پارامترهای مودال روشهای مبتنی بر تبدیل حوزه فرکانس (FDD) شامل EFDD و CFDD، مورد مطالعه و پیادهسازی قرار گرفتهاند. در این روشها قبل از استخراج پارامترهای مودال، اجزای هارمونیک شناسایی شده بوسیله اندیس هارمونیک، از طریق میانیابی خطی از توابع پاسخ فرکانسی حذف میگردند. به منظور بهبود عملکرد این روشها در شرایط وجود تحریکهای هارمونیک در این رساله روش اصلاح شده MCFDD پیشنهاد شده است. روش دیگری که در این پروژه برای عبور از مشکل وجود تحریکهای هارمونیک مورد استفاده قرار گرفته جداسازی سیگنالهای پاسخ قبل از آنالیز مودال عملیاتی است. پس از مطالعه و بررسی روشهای مختلف موجود جهت جداسازی سیگنالها به دو بخش تصادفی و پریودیک، روشهای مناسب پیادهسازی و مورد استفاده قرار گرفته است. از بخش تصادفی سیگنال جهت استخراج پارامترهای مودال توسط روشهای FDD در حوزة فرکانس و SSI در حوزه زمان استفاده شده است. دقت و کارآیی روشهای موجود و پیشنهادی ابتدا از طریق شبیهسازی نرمافزاری 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 شبیهسازی و آزمونهای عملی بهبود نتایج حاصل از روش پیشنهادی نسبت به روشهای موجود را نشان داده است. کلمات کلیدی: 1- آنالیز مودال عملیاتی 2-تحریک هارمونیک 3-ماشین دوار 4- جداسازی سیگنال