Transient Vibration Analysis

Когда вы ударяете по гитарной струне или камертону, он переходит из состояния бездействия в вибрацию, чтобы создать музыкальный тон. Этот тон сначала кажется самым громким, потом постепенно затихает. Условия меняются с первого момента взятия ноты. Когда электродвигатель запускается, он в конечном итоге достигает стабильного режима работы. Но чтобы добраться туда, он начинает с нуля и проходит бесконечное количество скоростей, пока не достигнет рабочей скорости. Каждый раз, когда вы запускаете двигатель в автомобиле, вы создаете кратковременную вибрацию. Когда вещи вибрируют, вибрация создает внутренние напряжения. Эти напряжения могут быть разрушительными, если возникает резонанс между устройством, производящим вибрацию, и конструкцией, на которую реагирует. Мост может вибрировать от ветра или когда по нему проезжают автомобили и грузовики. Могут возникать очень сложные модели вибрации. Поскольку вещи постоянно меняются, инженеры должны знать, каковы частоты и напряжения в любой момент времени. Иногда кратковременные колебания чрезвычайно сильны и недолговечны. Представьте себе торпеду, ударяющуюся о борт корабля и взрывающуюся, или машину, врезавшуюся в бетонный упор, или роняющую кофейник на твердый пол. Такие вибрации называются «толчками», что вы и можете себе представить. В реальной жизни шок редко бывает хорошим и почти всегда незапланированным. Но потрясения все равно случаются. Из-за вибрации удары всегда более разрушительны, чем если бы та же сила применялась постепенно.

 

Vibration Analysis (Modal Analysis)

По самой своей природе вибрация включает повторяющиеся движения. Каждое появление полной последовательности движений называется «циклом». Частота определяется как количество циклов в заданный период времени. «Циклов в секунду» или «Герц». Отдельные части имеют то, что инженеры называют «собственными» частотами. Например, струна скрипки при определенном натяжении будет вибрировать только на определенном количестве частот, поэтому вы можете воспроизводить определенные музыкальные тона. Есть базовая частота, при которой вся струна движется вперед и назад в простой форме лука.

Гармоники и обертоны возникают из-за того, что отдельные секции струны могут колебаться независимо в пределах большей вибрации. Эти различные формы называются «модами». Говорят, что базовая частота колеблется в первом режиме и так далее по лестнице. Каждая форма моды будет иметь соответствующую частоту. Более высокие формы колебаний имеют более высокие частоты. Наиболее катастрофические последствия возникают, когда приводимое в действие устройство, такое как, например, двигатель, создает частоту, с которой присоединенная конструкция естественным образом колеблется. Это событие называется «резонансом». Если приложить достаточную мощность, прикрепленная конструкция будет разрушена. Обратите внимание, что древние армии, которые обычно шли «в ногу», при переходе мостов сбивались. Если ритм марширующих ног совпадет с собственной частотой моста, он может упасть. Инженеры должны спроектировать так, чтобы резонанс не возникал при нормальной работе машин. Это основная цель модального анализа. В идеале первая мода имеет частоту выше, чем любая потенциальная частота возбуждения. Часто резонанса невозможно избежать, особенно на короткое время. Например, когда двигатель набирает обороты, он производит различные частоты. Таким образом, он может проходить через резонансную частоту.

 

Анализ устойчивости

Если вы надавите рукой на пустую банку из-под безалкогольных напитков, ничего особенного не произойдет. Если поставить баллончик на пол и постепенно увеличивать силу, наступая на него ногой, в какой-то момент он внезапно раздавится. Это внезапное сморщивание известно как «коробление».

Модели с тонкими деталями имеют тенденцию к короблению при осевой нагрузке. Изгибание можно определить как внезапную деформацию, которая возникает, когда накопленная мембранная (осевая) энергия преобразуется в энергию изгиба без изменения приложенных извне нагрузок. Математически, когда возникает изгиб, общая матрица жесткости становится сингулярной.

При нормальном использовании большинства продуктов коробление может иметь катастрофические последствия. Разрушение происходит не из-за напряжения, а из-за геометрической стабильности. Как только геометрия детали начинает деформироваться, она больше не может поддерживать даже часть первоначально приложенной силы. Худшая часть потери устойчивости для инженеров заключается в том, что потеря устойчивости обычно возникает при относительно низких значениях напряжения, которые выдерживает материал. Поэтому они должны провести отдельную проверку, чтобы убедиться, что изделие или его часть в порядке с точки зрения коробления.

Тонкие конструкции и конструкции с тонкими частями, нагруженными в осевом направлении, изгибаются при относительно небольших осевых нагрузках. Такие конструкции могут выйти из строя при продольном изгибе, если их напряжения намного ниже критических уровней. Для таких конструкций критическим расчетным фактором становится нагрузка изгиба. С другой стороны, коренастые конструкции требуют больших нагрузок для изгиба, поэтому анализ потери устойчивости обычно не требуется.

Деформация почти всегда связана со сжатием; см. Рисунок-3. В машиностроении конструкции с участием тонких деталей в гибких конструкциях, таких как самолеты и автомобили, подвержены короблению. Несмотря на то, что напряжение может быть очень низким, коробление локальных участков может вызвать обрушение всей конструкции из-за быстрой серии «распространяющегося коробления». Анализ потери устойчивости рассчитывает минимальную (критическую) нагрузку, необходимую для потери устойчивости модели. Устойчивые нагрузки связаны с режимами потери устойчивости. Разработчиков обычно интересует самый низкий режим, потому что он связан с самой низкой критической нагрузкой. Когда потеря устойчивости является критическим фактором проектирования, расчет нескольких режимов потери устойчивости помогает определить слабые места модели. Это может предотвратить возникновение более низких форм потери устойчивости путем простых модификаций.

Рисунок 3. Пример изгиба

 

Термический анализ

Есть три механизма передачи тепла. Эти механизмы - проводимость, конвекция и излучение. Термический анализ вычисляет распределение температуры в теле за счет некоторых или всех этих механизмов. Во всех трех механизмах тепло течет от более высокотемпературной среды к более низкотемпературной. Передача тепла за счет теплопроводности и конвекции требует наличия промежуточной среды, а передача тепла за счет излучения - нет.

Есть два режима анализа теплопередачи