Academic literature on the topic 'Modalanalys'

Att konstruktioner som innehållande roterande element riskerar att utsättas för resonans är något en konstruktör alltid bör ha i åtanke. Alla konstruktioner har naturliga frekvenser även kallat egenfrekvenser, naturliga rörelsemönster, vars frekvens beror på dess massa och styvhet. Resonans uppstår då dessa naturliga frekvenser ligger nära angripande krafters frekvens. Resonansfenomenet amplifierar den dynamiska lasten och ofta uppstår väldigt höga påfrestningar på konstruktionen. Denna rapport redogör för en vibrationsanalys av en fläktkonstruktion, samt ett utvecklingsarbete för att optimera denna fläkt utifrån uppsatta krav från samarbetspartnern Quant Service Sweden AB. Fläktkonstruktionen finns hos kabeltillvärkaren NKT i Karlskrona. Arbetet har utförts tillsammans med Quant Service, ansvariga för underhållet på NKT. Fläktkonstruktionen har under flera tillfällen havererat genom att motorfästets skruvförband har gett vika efter allt för stora påfrestningar. Mycket tyder på att konstruktionen utsätts för stora vibrationer, där man tror att orsaken är resonans. Detta eftersom roterande delar enligt leverantör och egna tester ska vara balanserade inom givna gränsvärden. Samarbetspartnern Quant vill nu ha en redogörelse för om de höga vibrationerna orsakas av resonans eller inte, samt hur problemet kan lösas på bästa sätt. Arbetet innehåller två olika experiment, ett impulstest med impulshammare och ett test där fläktens motor startas och körs under två minuter. Konstruktionens respons har mätts med en accelerometer och den erhållna datan har använts för att beräkna en frekvensresponsfunktion, samt ett Power Spectra Density (PSD) i Matlab. Syftet med dessa experiment var att kartlägga konstruktionens egenfrekvenser och dynamiska laster för att se om dessa ligger nära varandra, och på så vis bekräfta att resonansfenomenet orsakat de kraftiga vibrationerna. Det experimentella resultatet visar på att konstruktionen har en dynamisk last på 48,3 Hz vilket motsvarar motorns varvtal på 2900 rpm. Denna dynamiska last ligger väldigt nära en utav konstruktionens egenfrekvenser, 45 Hz, vilket stärker hypotesen om resonans. De experimentella resultaten har validerats med hjälp av en modalanalys gjord i FEM-programmet Simulation Mechanical. Det experimentella impulstestet har också simulerats i programmet. Arbetet innehåller även utveckling av tre olika typer av förstärkning av fläktkonstruktionen. Syftet var att förstärka konstruktionen för att höja dess naturliga frekvenser och på så vis undvika resonansfenomenet. De tre konstruktionerna är rankade utifrån uppsatta krav med hjälp av en konceptbedömningsmatris enligt modellen concept scooring. Modalanalyser i FEM-programmet har gjorts för samtliga tre konstruktioner för att undersöka dess egenfrekvenser. Samtliga tre konstruktioner har inga egenfrekvenser under 100 Hz. Efter arbetet har Quant möjligheten att välja en utav de tre konstruktionerna för vidare implementering.<br>A designer must have in mind that constructions containing rotating elements risks being subjected to resonance. All constructions have got natural frequencies, also called eigenfrequencies, natural motions, where the frequency depends on its mass and stiffness. This report describes a work consisting a vibrational analysis of a fan construction. The fan construction is located at the cable manufacture NKT in Karlskrona. The work has been performed together with Quant Service, a company responsible for the maintenance at NKT. The fan construction struggle with recurrent breakdowns where the screw joints for the engine attachment were broken after large vibrations. The problem seems to occur due to the resonance phenomena, this because the rotating elements are balanced within limits according to the supplier of the fan wheels and own test performed by Quant themselves. The partner Quant service want to know if the large vibrations occurs due to resonance. The work contains two different experiments, one impulse test with an impulse hammer, and one experiment where the fan’s engine was running and driven for 2 minutes. The construction response was sampled with an accelerometer and the obtained data was used to calculate a frequency response function, and a power spectra density (PSD) in Matlab. The aim of these experiments were to obtain a survey of the constructions natural frequencies and dynamic force to analyse if they are close to each other, and by that confirm that resonance is the causing factor. The experimental result show that the construction has got a dynamic force acting with 48,3 Hz, which corresponds to the engine speed at 2900 rpm. This dynamic force is very close to one of the constructions natural frequencies at 45 Hz. This supports the hypothesis that the problems occur due to resonance. The experimental results have been validated with a modal analysis in the FEM program Simulation Mechanical. The experimental impulse test has been simulated in the program as well. The work also consists a development of three different types of strengthening of the fan construction. The aim is to increase the natural frequencies and by that avoid the resonance phenomena. The three constructions are ranked based on the requirements set by using a concept scooring matrix. Modal analysis for each of the three new constructions were created to confirmed the increased natural frequencies. The constructions all seems to have the first natural frequencies over 100 Hz. When the work was finished Quant had the possibility to pick one of the new constructions for further implementation.

This doctoral thesis concerns flanking transmission in light weight, wooden multi-storey buildings within the low frequency, primarily 20-120 Hz. The overall aim is to investigate how the finite element method can contribute in the design phase to evaluate different junctions regarding flanking transmission. Two field measurements of accelerations in light weight wooden buildings have been evaluated. In these, two sources; a stepping machine, and an electrodynamic shaker, were used. The shaker was shown to give more detailed information. However, since a light weight structure in field exhibit energy losses to surrounding building parts, reliable damping estimates were difficult to obtain. In addition, two laboratory measurements were made. These were evaluated using experimental modal analysis, giving the eigenmodes and the damping of the structures. The damping for these particular structures varies significantly with frequency, especially when an elastomer is used in the floor-wall junction. The overall damping is also higher when elastomers are used in the floor-wall junction in comparison to a screwed junction. By analysing the eigenmodes, using the modal assurance criterion, of the same structure with two types of junctions it was concluded that the modes become significantly different. Thereby the overall behavior differs. Several finite element models representing both the field and laboratory test setups have been made. The junctions between the building blocks in the models have been modeled using tie or springs and dashpots. Visual observation and the modal assurance criterion show that there is more rotational stiffness in the test structures than in the models. The findings in this doctoral thesis add understanding to how modern joints in wooden constructions can be represented by FE modelling. They will contribute in developing FE models that can be used to see the acoustic effects prior to building an entire house. However, further research is still needed.<br>Denna doktorsavhandling behandlar flanktransmission i flervåningshus med trästomme, inom det lågfrekventa området, främst 20-120 Hz. Det övergripande målet är att undersöka hur finita elementmetoden kan bidra i konstruktionsfasen för att utvärdera olika knutpunkters inverkan på flanktransmissionen. Två fältmätningar av accelerationer i trähus har utvärderats. I dessa har två olika lastkällor använts, i den första en stegljudsapparat och i den andra en elektrodynamisk vibrator (shaker). Det visades att shakern kan ge mer detaljerad information, men eftersom vibrationerna även sprider sig till omgivande byggnadsdelar vid fältmätningarna var det svårt att estimera tillförlitliga dämpningsdata även då shaker användes. Fältmätningarna följdes av två mätningar i laborationsmiljö. Dessa två experiment utvärderades med experimentell modalanalys, vilket ger egenmoder och dämpning hos strukturerna. Dämpningen för dessa trähuskonstruktioner varierar kraftigt med frekvens. Extra stora variationer registreras då en elastomer användes i knutpunkten mellan golv och vägg. Den totala dämpningen är generellt högre när elastomerer används i knutpunkten mellan golv och vägg i jämförelse med då knutpunkten är skruvad. Genom att analysera egenmoder och deras korrelationer (MAC), för samma trästruktur men med olika typer av knutpunkter, drogs slutsatsen att knutpunkten drastiskt förändrar strukturens dynamiska beteende. Flera finita elementmodeller av både fält- och laboratorieuppställningar har gjorts. I dessa har knutpunkterna mellan byggnadsdelar modellerats helt styvt eller med hjälp av fjädrar och dämpare. Visuella observationer av egenmoder och korrelationen dem emellan visar att det finns mer rotationsstyvhet i försöken än i finita elementmodellerna. Resultaten i denna doktorsavhandling har gett förståelse för hur knutpunkter i träkonstruktioner beter sig och kan simuleras med finit elementmodellering. Vidare kan resultaten bidra till utvecklingen av FE-modeller som kan användas för att kunna se de akustiska effekterna redan under konstruktionsstadiet. Dock behövs ytterligare forskning inom området.

Sammanfattning Intresset för höghuskonstruktioner i trä ökar allt mer runt om i världen. I Sverige ligger fokus på höghuskonstruktioner som utnyttjar intern vindstabilisering med skivor i KL-trä. I de högsta byggnaderna som använder trä som konstruktionsmaterial idag är det fackverk av limträ på byggnadernas ytterkant som når högst byggnadshöjder. Av den anledningen inleddes examensarbetet med målet att undersöka de dynamiska egenskaperna hos olika fackverkskonstruktioner med hänsyn till komforten för brukarna, något som vanligtvis är den mest kritiska analysen. För att bedöma komforten användes ISO 10137. Eftersom egenskaperna hos trä är sämre lämpade för höghuskonstruktioner jämfört med stål och betong valdes att förstärka byggnadens styvhet med en kärna i KL-trä runt hiss och trapphus. Den dynamiska analysen på fackverken har två delar, en av dem berör byggnadens dynamiska egenskaper och utförs i huvudsak i FEM-programmet Robot Structural Analysis och den andra delen handlar om byggnadens acceleration under inverkan av vind och består av handberäkningar. Båda områden inleddes med en litteraturstudie för att försäkra att resultatet i Robot Structural Analysis motsvarar beteendet hos en riktig byggnad och att sätta sig in i beräkningsgången av byggnadens acceleration, samt förstå bakgrunden till beräkningarna. Olika varianter av fyra sorters fackverk analyserades, X-fackverk, K-fackverk, diagridsystem och singulärt diagonala fackverk. Efter genomförda analyser framgick att diagridsystemet uppnådde den högsta byggnadshöjden på 87 m. X-fackverket klarar komfortkraven upp till 81 m och har mindre materialåtgång till fackverket jämfört med diagridsystemet. Jämfört med tidigare arbeten och konstruktioner klarar de undersökta konstruktionerna komfortfortkraven på högre höjder. Förklaringen till de höga konstruktionshöjderna kopplas till robustheten hos fackverken och kombinationen med KL-träkärnan.<br>Abstract There has been an awakening in high-rise buildings in timber around the world. In Sweden, the focus has been placed on high-rise building that utilize internal stabilisation against wind loading using panels made of cross laminated timber. However, the tallest timber buildings today utilize external stabilisation of glulam trusses. Therefore, the thesis work began with the purpose of examining the dynamical properties of different braced frame structures with regard to not cause discomfort to occupants, which is usually the most critical part of the building design. ISO 10137 was used to assess the comfort. Since the properties of timber are less well-suited for high-rise building constructions in comparison to steel and concrete, a decision was made to strengthen the rigidity of the building using a core made of cross laminated timber around the elevator and stairwell. The dynamic analysis of the braced frame structures has two parts. The first part concerns the building’s dynamic properties and is carried out mainly by using the FEM-software Robot Structural Analysis. The second part focuses on the acceleration of the building under the influence of wind and consists of hand calculations. Furthermore, the work in both areas began with a literature study in order to ensure that the result from Robot Structural Analysis corresponds with the behaviour of a real building and to familiarise oneself with the calculations regarding the acceleration of the building, as well as to understand the background of the calculations. Different variations of four types of braced frames structures were analysed: X-braced, K-braced, diagrid system and single-diagonal types. The analyses showed that the diagrid system reached highest with a building height of 87 m, while the X-braced type meets the comfort requirements up to 81 m and require less material compared to the diagrid system. As a result of the robustness of the trusses and the combination with the core made of cross laminated limber the examined constructions manage to meet the comfort requirements at higher heights than previous works and constructions.

<p>Följande examensarbete omfattar en fallstudie av Bro norr om Söderströmsbron, en tunnelbanebro i stål med fyra spår. Den byggdes 1956 som en del av förbindelsen mellan station Gamla stan och station Slussen i Stockholm. I fallstudien, som är ett samarbete mellan KTH och SL, ingår att bedöma brons dynamiska egenskaper, tillstånd avseende utmattning samt att skapa en finita elementmodell av bron. Vidare begränsas fallstudien till brokonstruktionen för det spår som går närmast slussen mellan Mälaren och Saltsjön, och som i dagsläget utgör gröna tunnelbanelinjen mot Farsta strand, Hagsätra och Skarpnäck.</p><p>Under 2005 trafikerades det aktuella spåret under högtrafik av 30 tåg i timmen och under lågtrafik av 15 tåg i timmen. När tåg passerar visar bron stora förskjutningar och glapp mellan sliprar och underliggande stålkonstruktion. Dessa förskjutningar skapar spänningar i stålet och avgörande för brons tillstånd avseende utmattning är antalet skadliga spänningsvidder vid kritiska snitt som inträffat sedan brons färdig­ställande.</p><p>Dagens spänningsvidder mäts med hjälp av töjningsgivare placerade i fältmitt. Mätningen har utförts av KTH, avdelningen för Brobyggnad i samband med examens­arbetet. Av intresse är utmattningsrisk för svetsad anslutning mellan lång- och tvär­balkar. Utmattningsrisken beräknas dels med typiserade spänningskollektiv enligt BSK 07, dels med verkliga spänningskollektiv enligt Palmgren-Miners delskade­hypotes. Enligt båda metoderna konstateras utmattningshållfastheten vara uttömd, med reservation för förbandsklasser och partialkoefficienter. Kollektivparametern <em>κ</em> enligt BSK 07, vilken vid dimensionering beaktar spänningskollektivets form, uppskattas vara närmare 2/3 än SL:s nuvarande värde 5/6.</p><p>Ur responsen från givarna konstateras att den dynamiska förstoringsfaktorn vid 60 km/h varierar mellan 0.63 och 1.43, vilket visar att brons respons har ett stort dynamiskt innehåll.</p><p>En finita elementmodell skapas i Abaqus med hjälp av Matlab, med syftet att komplettera resultat från mätningar. I modellen studeras töjning, vertikal förskjutning och acceleration, dynamisk förstoringsfaktor och egenmoder. Den statiska responsen för modell och bro konstateras vara snarlik.</p><br><p>This thesis includes a case study of the Bro norr om Söderströmsbron, a steel subway bridge with four rail tracks. The bridge was built in 1956 as a part of the connection between the two subway stations Gamla stan and Slussen in Stockholm. The case study, which is a collaboration between KTH and SL, includes an evaluation of the dynamic properties of the bridge, in which condition it is regarding fatigue and the creation of a finite element model of the bridge. The case study is limited to the construction carrying the rail track closest to the lock between Mälaren and Saltsjön, and now represents the green subway line towards Farsta strand, Hagsätra and Skarpnäck.</p><p>In 2005, the train frequency during rush hour was 30 trains per hour and during low traffic 15 trains per hour. When a train crosses, the bridge shows large displacements and gaps between the sleepers and the underlying steel structure. The displacements cause stresses in the steel and crucial to the bridge fatigue state is the number of damaging stress ranges that have occurred since the opening of the bridge.</p><p>The current stress variations are measured using strain gauges positioned in the mid-span. Measurements were carried out by KTH, division of Structural Design & Bridges, during this thesis. Of key interest is a welded edge between the main- and crossbeams. The risk of fatigue is calculated using standardised stress ranges according to BSK 07 and Palmgren-Miners cumulative damage theory. According to both methods, the fatigue life of the bridge is exceeded, with reservations to the detail category and partial coefficients. The stress collective parameter <em>κ</em> according to BSK 07, which in design accounts for the distribution of the stress collective, is estimated closer to 2/3 than SL’s present value of 5/6.</p><p>According to the strain gauges, the dynamic amplification factor at 60 km/h varies between 0.63 and 1.43, indicating that the bridge’s response has a large dynamic content.</p><p>A finite element model is created in Abaqus using Matlab, with the purpose of complementing results from the measurements. In the model, the strain, vertical displacements and acceleration, dynamic amplification and natural modes are studied. The static response of the model and bridge were found to be similar.</p><br>QC 20100707

Knowledge about the dynamic behaviour is a basic condition for a secure operation of modern machine tools. Hence numerical methods predicting the dynamic properties are gaining in importance. Usually for complex and coupled structures, the results of dynamic property calculation are yet insufficient. Therefore Finite Element model updating is a tool to improve the hypothetical factor of the analysis. Within the present thesis Finite Element modelling is performed using the example of the “Scherenkinematik”, a machine tool based on hybrid-kinematics. Initially the results of an Experimental Modal Analysis are evaluated by identifying Modal parameters and deriving possible structural modifications. In the second part of the thesis, the machines Finite Element model is created using the FEA-Software ANSYS. Afterwards the Finite Element model updating is performed by coupling ANSYS and the CAE-Software FEMtools. Therefore two approaches are formulated and tracked. It turns out, that there is no improvement of the analytical and experimental models correlation, neighter with nor without a steady reduction of the search domain needed for mode coupling. It is reasoned, that the characteristics and the results of an Finite Element updating process are affected by the quality of the model at start time and the approach as well as the technique chosen for model updating and parameter modification. Therefore the CAE-Software FEMtools is suitable to only a limited extent for Finite Element updating of strongly coupled mechanical structures as a result of the sensitivity analysis used for parameter modification.