Development of a Modal Analysis Software in Which Vibration Properties of Mechanical Systems Obtained Experimentally

Öz

In this paper, the theoretical framework and architecture of a software developed to experimentally identify modal parameters of mechanical systems is given and the results obtained from the software for two case studies defined for verification purposes are presented. As part of the development work of the software, modal identification techniques available in the literature are investigated and commonly used ones are selected to be used in the software. Commercially available modal analysis softwares are also investigated in order to identify for what a typical modal analysis software should have as features. Labview is chosen as the environment to develop the software. Labview is preferred for its graphical advantages over other programming techniques and for the fact that Labview use for development of full fledged modal analysis software is a novel application. In order to validate the software, analytically (via finite element analysis) and experimentally obtained frequency response functions of two seperate case studies are given as inputs to the developed software and verification is done by comparing modal parameters identifed by the developed software reference modal parameter values

Anahtar Kelimeler

• Experimental Modal Analysis
• Modal Parameter Estimation
• Modal Identification Techniques
• Curve Fitting
• Mechanical Vibrations

Mekanik Sistemlerin Titreşim Özelliklerinin Deneysel Olarak Elde Edilebileceği Bir Modal Analiz Yazılımı Geliştirilmesi

Öz

Bu makalede, mekanik sistemlerin modal parametrelerini deneysel olarak tanımlamak amacıyla geliştirilen bir yazılımın teorik altyapısı ve mimarisi anlatılmış ve doğrulama amaçlı olarak tanımlanan iki durum çalışması için yazılımdan elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Yazılımın geliştirilmesi kapsamında, literatürde mevcut olan modal parametre tanımlama teknikleri araştırılmış ve aralarından yaygın olarak kullanılanlar yazılımda kullanmak üzere seçilmiştir. Tipik bir modal parametre tanımlama yazılımının ne tür özellikleri olduğunun belirlenmesi için mevcut ticari yazılımlar da incelenmiştir. Yazılım geliştirme ortamı olarak Labview seçilmiştir. Labview, diğer programlama tekniklerine göre sunduğu görsel avantajlar ve tam teşekküllü bir modal parametre tanımlama yazılımı geliştirmek için kullanımının yenilikçi bir uygulama olması bakımından tercih edilmiştir. Geliştirilen yazılımın doğru çalıştığını göstermek için, iki farklı durum çalışmasında analitik (sonlu elemanlar analizleriyle) ve deneysel olarak elde edilen frekans tepki fonksiyonları geliştirilen yazılıma girdi olarak verilmiş ve yazılım ile tanımlanan modal parametreler referans modal parametre değerleriyle karşılaştırılarak doğrulama yapılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Deneysel Modal Analiz
• Modal Parametre Kestirimi
• Modal Tanımlama Teknikleri
• Eğri Uydurma
• Mekanik Titreşimler

Kaynakça

1. 1. Brown, D., Allemang, R.J., Zimmerman, R., Mergeay, M. (1979) Parameter Estimation Techniques for Modal Analysis. SAE Technical Paper Series, No.790221.
2. 2. Ewins, D.J. (1984) Modal Testing, Theory and Practice. Research Studies Press, Ltd., Taunton, UK.
3. 3. Allemang R.J. 1999. Experimental Modal Analysis. UC-SDRL-RJA-CN-20-263-663/664, Class Notes, Revision: June 7,1999+.
4. 4. Schwarz, B.J., Richardson, M.H. (1999) Experimental Modal Analysis. Vibrant Tech. Inc., Orlando FL.
5. 5. Fundamentals of Modal Testing Application Note 243-3. (2000) Agilent Technologies
6. 6. Jimin, H., Fu Z.-F., (2001) Modal Analysis. Butterworth– Heinemann, Oxford/Boston.
7. 7. Maia, N.M.M., Silva, J.M.M. (2001) Modal Analysis Identification Techniques. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 359: 29-40. https://doi.org/10.1098/rsta.2000.0712.
8. 8. Allemang, R.J., Brown, D.L. (2022). Experimental Modal Analysis Methods. In: Allemang, R., Avitabile, P. (eds) Handbook of Experimental Structural Dynamics. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-4547-0_36

9. 9. Altunışık A.C., Kalkan E., Başağa H.B. (2017) Kemer barajların yapısal davranışlarını belirlemek amacıyla geliştirilen mühendislik yazılımı. DSİ Teknik Bülteni (126).
10. 10. Kılıç, İ., Bozdoğan K.B. , Aydın, S., Gök, S.G., Gündoğan S. (2020) Kule tipi yapıların dinamik davranışının belirlenmesi: Kırklareli Hızırbey Camii minaresi örneği. Pteknik Dergisi 23(1): 19-26.
11. 11. Okuyucu D. (2020) Tek katlı betonarme bir yapı üzerinde operasyonel modal analiz uygulaması. DÜMF Mühendislik Dergisi 11(3): 1407-1419.
12. 12. Öztürkoğlu, O., Taner, Y., Yurtseven, V., Özçelik, Ö., Günel, S. (2023) Kullanımda Olan 2,5 MW Kapasiteli Bir Rüzgâr Türbininden Veri Toplanması, Sistem Tanımlama ve Model Güncelleme. DEÜ FMD 25(75): 611-622.
13. 13. Aydın, Y.N., Korkut, T.B.,3 , Özaydın, O., Armakan, E., Sarı, G., Aytaç, G. (2021) Numerical and experimental modal analysis of wheels of Solaris 10 solar car and parametric design of lightweight EV wheel. DEÜ FMD 23(68): 689-699.
14. 14. Allemang, R.J., Brown, D.L. (1998) A unified matrix polynomial approach to modal identification. Journal of Sound and Vibration. 211(3):301-322.
15. 15. Richardson, M. H. & Formenti D. L. (1982) Parameter Estimation From Frequency Response Measurements Using Rational Fraction Polynomials. , Proceedings of the 1st International Modal Analysis Conference (IMAC), Orlando, Florida.
16. 16. Richardson, M. H. & Formenti, D.L. (1985) Global Curve Fitting of Frequency Response Measurements using the Rational Fraction Polynomial Method. Proceedings of the 3rd International Modal Analysis Conference (IMAC), Orlando, Florida.
17. 17. Richardson, M. H. (1986) Global Frequency & Damping Estimates From Frequency Response Measurements. Proceedings of 4th International Modal Analysis Conference (IMAC), Los Angeles, CA.
18. 18. Lembregts, F., Leuridan, J., Van Brussel H. (1990) Frequency Domain Direct Parameter Identification for Modal Analysis: State Space Formulation. Mechanical Systems and Signal Processing. 4(1): 65-75.
19. 19. Maia, N. M. M. & Silva, J. M. M. (1997) Theoretical and experimental modal analysis. Baldock, UK: Research Studies Press (distributed by Wiley, Chichester).
20. 20. Ibrahim, S.R. & Mikulcik, E.C. (1977) A Method for the Direct Identification of Vibration Parameters from the Free Response. The Shock and Vibration Bulletin. 47(4): 183-198.
21. 21. Juang, J.N., Pappa, R.S. (1985) An Eigensystem Realization Algorithm for Modal Parameter Identification and Model Reduction. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 8(5):620-627.
22. 22. Vold, H., Kundrat, J., Rocklin, G.T., Russel, R. (1982) A Multi-Input Modal Estimation Algorithm for Mini-Computers. SAE Transactions, 91, 815–821. http://www.jstor.org/stable/44631984
23. 23. Vold, H. & Rocklin G.T. (1982) The Numerical Implementation of a Multi-Input Modal Estimation Method for Mini-Computers, Proceedings of the 1st International Modal Analysis Conference (IMAC), Orlando, Florida.
24. 24. Zhang, L., Yao, Y., Lu, M. (1987) An Improved Time Domain Polyreference Method for Modal Identification. Mechanical Systems and Signal Processing. 1(4): 399-413.
25. 25. Structural Dynamics Research Lab at the University of Cincinnati. Universal File Formats for Modal Testing. Available at https://www.ceas3.uc.edu/sdrluff/all_files.php
26. 26. Williams, R., Crowley, J. & Vold, H. (1985) Multivariate Mode Indicator Function in Modal Analysis. Proceedings of the 3rd International Modal Analysis Conference (IMAC), Orlando, Florida.
27. 27. Shih C.Y., Tsue Y.G., Allemang R.J., Brown D.L. (1989) Complex Mode Indication Function and its Applications to Spatial Domain Parameter Estimation. Proceedings of the 7th International Modal Analysis Conference (IMAC) Las Vegas, Nevada.