Mô phỏng các đặc trưng rung động tự nhiên của kết cấu

    Thí nghiệm Thử rung và tương tác động lực học được sử dụng để xác định các đặc trưng rung động và ảnh hưởng của nó đến tuổi thọ và chế độ làm việc của thiết kế. Đây là một công đoạn không thể thiếu trong quá trình phát triển các sản phẩm. Các mô phỏng thí nghiệm thử rung khi tiến hành phân tích thiết kế trên máy tính có thể kể đến như: Phân tích rung động tự nhiên, hoặc dao động riêng (Modal Analysis), phân tích đáp ứng điều hòa (Harmonic Response Analysis), Phân tích đáp ứng ngẫu nhiên (Random Vibration Analysis), Phân tích quá độ (Transient Analysis), v.v…

  Hình 1 Một số mô phỏng liên quan đến thí nghiệm thử rung sản phẩm

   Bước đầu tiên trước khi tiến hành mô phỏng thí nghiệm thử rung chính là tiến hành khảo sát các đặc trưng rung động tự nhiên của thiết kế. Để làm được điều này, các phần mềm mô phỏng số thường cung cấp một công cụ có tên Modal Analysis.

  Trong bài viết này chúng ta chỉ đề cập đến phân tích Modal, các phân tích khác (Harmonic Response Analysis, Random Vibration Analysis, Transient Analysis…) sẽ được đề cập trong bài viết khác.

   Phân tích Modal giúp người kỹ sư thiết kế xác định được các đặc trưng rung động tự nhiên của kết cấu khi chưa có tải trọng tác động lên kết cấu, bao gồm các giá trị tần số rung động tự nhiên của kết cấu.

  
Hình 2 Hình ảnh động biểu diễn dao động của kết cấu ở tần số tự nhiên.

   Bên cạnh việc xác định được các giá trị tần số dao động riêng của kết cấu, những thông số khác như:

• Xu hướng hay hình dáng rung động ứng với các tần số tự nhiên.
• % khối lượng rung động ở một tần số tự nhiên

   cũng là những thông tin quan trọng mà công cụ mô phỏng số cung cấp cho người kỹ sư.

   Các thông số này giúp cho các kỹ sư định hướng thiết kế để hạn chế, hoặc tăng cường các vùng kết cấu tham gia vào rung động, nhằm nâng cao hiệu suất làm việc.

   Trước mỗi quá trình mô phỏng, mô hình hình học, mô hình vật liệu, mô hình chia lưới cho kết cấu phải được tiến hành một cách chi tiết và tỉ mỉ, đảm bảo độ chính xác và tin cậy cho mỗi phân tích trên máy tính.

   Trong ví dụ, một bo mạch công suất được tiến hành mô hình hóa chi tiết. Các thành phần linh kiện điện tử được gắn chặt lên bo mạch và được đặc trưng bởi một mô hình vật liệu tương ứng. Để đảm bảo kết quả đáng tin cậy, mô hình hình học được tiến hành chia lưới và kiểm tra chất lượng trên từng linh kiện [Hình 3].

   Đối với phân tích Modal, sau khi phân tích, công cụ mô phỏng sẽ đưa ra kết quả: Bảng kết quả các tần số rung động tự nhiên của kết cấu bo mạch kèm theo hình ảnh động các dạng rung động tương ứng [Hình 4].

Hình 3 Mô hình hình học và lưới của bo mạch sử dụng trong mô phỏng

Hình 4 Các kết quả phân tích Modal của bo mạch điện tử

   Ứng dụng của phân tích Modal:

• Xác định các tần số cộng hưởng (tần số rung động riêng) của kết cấu
• Xác định các dạng rung động ứng với các tần số rung động cộng hưởng
• Xác định các thành phần khối lượng tham gia vào rung động ở các tần số cộng hưởng khác nhau.
• Sử dụng để kiểm tra liên kết giữa các thành phần trong mô hình cụm chi tiết lắp ghép.
• Xác định các đặc trưng rung động của kết cấu chịu trạng thái ứng suất trước
• Các kết quả Modal được sử dụng để xác định các đáp ứng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo thời gian, tần số và ngẫu nhiên.

Bài tiếp theo: Mô phỏng rung động của kết cấu dưới tác dụng của kích thích nền.

Hình 5: Ví dụ kết quả biên độ đáp ứng ở các tần số khác nhau trong phân tích rung động điều hòa.