Estimation of frequency response function for experimental modal analysis

Abstract

Bu tez kapsamında deneysel modal analiz incelenmiştir. Ölçüm ve analizlerin tekniğine uygun olarak tasarlanıp uygulanması durumunda bu teknik ile yapısal bir sistemin dinamik özellikleri (frekanslar, sönüm oranları ve modal şekilleri) kestirilebilmektedir. Bu dinamik parametreler her sistem için tektir.Bu tezin temel amacı, birçok yapısal basit sistem kullanılarak deneysel ve analitik parametrelerin Frekans Yanıt Fonksiyonuna (FYF) etkisini incelemektir.Bu tez çalışması kapsamında ilk olarak deneysel modal analiz ile ilgili genel bilgiler verilmiştir. Basit kiriş, kare plaka, H-çerçeve ve 2 boyutlu çerçeve elemanları ile deneysel modal analiz testleri yapılmış ve her bir sistemin dinamik özellikleri olan frekanslar, sönüm oranları ve modal şekilleri bulunmuştur. Yapısal sistemlerin dinamik parametreleri sonlu elemanlar modelleri ile karşılaştırılmıştır ve çıkan sonuçlar irdelenmiştir. Ayrıca, deney sırasında kullanılan farklı sertlikteki çekiç uçlarının, ivmeölçer ile sistemi tutturmakta kullanılan sıcak tutkal, yapıştırıcı, çimento ve alçı malzemelerini kullanarak yapılan ölçümlerin FYF'na etkileri incelenmiştir. Ek olarak, FYF'larının kalitesinin parazit ve sistematik hatalar gibi faktörlerle olumsuz yönde nasıl etkilendiği araştırılmıştır. Deneysel modal analizde kullanılan örtüşme önler filtrenin, dörtgen ve üstel pencereleme yöntemlerinin ve ortalama alma işlemlerinin FYF'u üzerinde nasıl değişim gösterdiği araştırılmıştır. Deneysel modal analizde sisteme giren dürtü yanıtlarını kestirmede kullanılan H1, H2 algoritmalarının FYF'u üzerindeki etkileri gösterimiştir.

Every structural system has unique dynamic parameters based on the mass, stiffness and the damping characteristics. If the system is linear and time invariant, dynamic parameters could be shown to be measured and formulated by the Frequency Response Function (FRF). The study of defining the dynamic parameters of a system thru well designed experiments and analysis is called experiment modal analysis. Experimental modal analysis has two major study areas which are modal testing and modal parameter estimation. FRFs are calculated based on the measured data in modal experiment and it is main input to the modal parameter estimation. Based on the measured/synthesized FRF dynamic parameters of the structures considered could be obtained. These parameters are the natural frequencies, mode shapes and damping ratios. In this study basics of the experimental modal analysis is studied. The primary objective is to see the effects of various testing and analysis parameters on the synthesis of FRF. This goal is achieved by testing and discussion of several simple structural systems.In the first chapter general information about experimental modal analysis is presented. In the second chapter a brief explanation of the theory of vibration necessary for modal analysis of linear systems is presented. In the third chapter modal data acquisition and related experimental modal analysis methods is explained. In the fourth chapter the experiment and the modal analysis results of the of the studied systems, which are simple beam, H-frame, square plate and 2D frame, is presented. In the fifith chapter selected parameters that are effective on the FRF synthesis is discussed. These parameters are the attachment of the accelerometers, the tip hardness of the impact hammer and the digital signal processing errors such as leakage, windowing, filtering and averaging. The hammer and accelerometers calibrations will be discussed briefly as well. The results are discussed in order to provide some guidance for understanding the effects of the selected parameters on the FRFs.