Kernpunten:
Een modale analyse levert de ‘dynamische signatuur’ van een ontwerp, zodat engineers kritieke zones kunnen identificeren en constructies trillingsbestendiger kunnen maken.
- Modale analyse (FEM) bepaalt eigenfrequenties en trillingsvormen (mode shapes) van een constructie
- Doel is resonantierisico’s vroeg signaleren; trillingen kunnen storingen, vermoeiing en geluid veroorzaken
- Uitkomst geeft geen amplitudes of spanningen door specifieke belasting; daarvoor zijn o.a. harmonische analyses nodig
- Modelkwaliteit is cruciaal: juiste geometrie, mesh, materiaaldata en realistische randvoorwaarden/verbindingen
- Onjuiste koppelingen of opleggingen kunnen kunstmatige modi met (bijna) nulfrequentie veroorzaken; check op starre-lichaamsmodi
Het moderne ontwerpen van mechanische constructies vraagt niet alleen om een klassieke sterkteanalyse van onderdelen, maar ook om het meenemen van dynamische verschijnselen. Trillingen kunnen leiden tot storingen, materiaalmoeheid of overmatige geluidsemissie – daarom maken engineers gebruik van FEM-berekeningen zoals modale analyse, om al in de ontwerpfase mogelijke problemen met trillingen in de constructie te signaleren en de veiligheid te borgen. Bekende voorbeelden laten zien dat het negeren van dynamica soms tragisch kan uitpakken – een klassiek voorbeeld is het instorten van de Tacoma Narrows-brug in 1940 als gevolg van door wind opgewekte resonantie. In dit artikel leggen we uit wat een MES-modale analyse inhoudt, welke informatie zij de ontwerper oplevert en hoe je er trillingsbestendige constructies mee kunt ontwerpen. We beschrijven de stappen van zo’n analyse, geven aan wanneer en waarom het zinvol is om die toe te passen, bespreken de relatie met analyses van gedwongen (harmonische) trillingen, akoestiek en modale tests, en laten bovendien zien hoe deze methode tegenwoordig in uiteenlopende sectoren wordt ingezet – van machinebouw en automotive tot energie en elektronica.
Wat is modale analyse en wat levert het de ingenieur op?
Een modale analyse is een simulatie van de eigentrillingen van een constructie, waarmee de eigenfrequenties (natuurlijke frequenties) en de trillingsvormen (mode shapes) kunnen worden bepaald. Eenvoudig gezegd beantwoordt zij twee kernvragen: bij welke frequenties zal de constructie in resonantie komen en welke vormen zal zij aannemen tijdens die trillingen. Het is belangrijk te benadrukken dat een modale analyse niet rechtstreeks informatie geeft over de grootte van verplaatsingen of spanningen onder invloed van specifieke belastingen – zij levert uitsluitend gegevens over de karakteristieke frequenties en trillingsvormen waarbij resonantie kan optreden. Voor een ingenieur is dit bijzonder waardevolle informatie: het maakt het mogelijk potentiële trillingsproblemen te voorzien en te beoordelen of een bepaalde constructie niet de neiging zal hebben tot resonantie onder invloed van typische excitatie (bijv. motorwerking, wind, voertuigbewegingen enz.).
Eigenfrequenties zijn karakteristieke frequenties waarbij een systeem het “liefst” trilt. Als we die kennen, kunnen we constructies zo ontwerpen dat ze niet samenvallen met externe excitatie (bijv. met de rotatiefrequentie van een machine, windstoten of bodemtrillingen tijdens een aardbeving). Trillingsvormen laten op hun beurt vervormingspatronen zien – dus welke delen van de constructie en op welke manier verplaatsen bij een bepaalde eigenfrequentie. Door trillingsvormen te analyseren kan een ingenieur kritieke zones van de constructie identificeren die het meest gevoelig zijn voor trillingen, en maatregelen nemen om ze te verstijven of te dempen. Het derde kernbegrip is demping – het mechanisme waarmee trillingsenergie wordt gedissipeerd. Hoewel een standaard modale FEM-analyse vaak uitgaat van ongedempte trillingen (demping = 0), kan een ingenieur materiaal- of structurele demping meenemen om in te schatten hoe snel de trillingen zullen uitdoven. Een passend dempingsniveau helpt de trillingsamplitudes te beperken en langdurige oscillaties te voorkomen.
Samengevat levert een modale analyse de ontwerper de “dynamische signatuur” van de constructie: een set eigenfrequenties en de bijbehorende trillingsvormen. Op basis daarvan kan men de gevoeligheid van de constructie voor resonantie beoordelen en nagaan of de ontworpen machine of het technische object tijdens gebruik veilig en efficiënt zal zijn. Dit vormt de basis voor verdere dynamische analyses en zorgt ervoor dat het ontwerp aan de eisen op het gebied van trillingen voldoet.
Hoe verloopt een modale FEM-analyse?
Een typische modale FEM-analyse bestaat uit meerdere stappen, die worden uitgevoerd met software voor de Eindige-Elementenmethode (FEM). Hieronder beschrijven we de belangrijkste fasen van zo’n analyse:
1. Voorbereiding van het model: geometrie, mesh en randvoorwaarden. In het begin wordt een FEM-model van de geanalyseerde constructie opgebouwd – dit model weerspiegelt de geometrie van het onderdeel of de samenstelling, de materiaaleigenschappen (dichtheid, elasticiteitsmodulus van Young, enz.) en de randvoorwaarden (wijze van ondersteuning, bevestiging, enz.). Het is belangrijk om de geometrie correct te discretiseren (meshing) in eindige elementen en de verbindingen tussen onderdelen passend te definiëren. In deze fase bewaakt de ingenieur de kwaliteit van het model – een juiste weergave van de werkelijke constructie, omdat daarvan de betrouwbaarheid van de resultaten afhangt. Een goed model betekent een voldoende verfijnde mesh op kritieke plaatsen, correcte materiaaleigenschappen en alle relevante randvoorwaarden (bijv. boutverbindingen, opleggingen) zo realistisch mogelijk gemodelleerd. Het is ook verstandig om te controleren dat het model geen “spelingen” bevat – verkeerd gekoppelde of niet-ondersteunde onderdelen kunnen zich in een modale analyse manifesteren als kunstmatige modi met een nulfrequentie (zogenoemde vrije verplaatsing van niet-verbonden delen). Door na te gaan of de eerste eigenmodi overeenkomen met de verwachte starre bewegingen van de volledige constructie (bijv. 6 starre verplaatsingen voor een vrij lichaam in de ruimte) kan de juistheid van de aangebrachte opleggingen en verbindingen worden geverifieerd.
2. Oplossen van het eigenwaardeprobleem (modale solver). De belangrijkste taak van een modale analyse is het oplossen van het eigenwaardeprobleem voor het stelsel bewegingsvergelijkingen van de constructie. Het FEM-programma genereert op basis van het model de globale massamatrix en de stijfheidsmatrix van de constructie en lost vervolgens de eigenwaardevergelijking op in de vorm (K – λ M) φ = 0, waarbij de oplossingen bestaan uit paren: eigenwaarden λ (gekoppeld aan de eigenfrequenties ω, meestal λ = ω²) en de bijbehorende eigenvectoren φ (die de trillingsvormen beschrijven). In de praktijk levert de solver een lijst met berekende eigenfrequenties (bijv. van de laagste naar boven) en een set verplaatsingsvectoren voor elke modus (die als trillingsvorm kan worden gevisualiseerd). De engineer bepaalt doorgaans vooraf hoeveel modi (trillingsvormen) moeten worden berekend of tot welke maximale frequentie de berekeningen moeten worden uitgevoerd. Meestal worden de eerste tientallen modi berekend (bijv. 6–20) of alle modi binnen een frequentiebereik dat vanuit gebruiksoogpunt relevant is. Daardoor richt de analyse zich op die eigentrillingen die binnen het bereik kunnen vallen van de excitatie die op de constructie inwerkt.
3. Interpretatie van de resultaten: frequenties en trillingsvormen. Na de berekeningen krijgt de engineer een set resultaten die geïnterpreteerd moet worden. De eerste stap is het doornemen van de eigenfrequenties – met bijzondere aandacht voor de laagste eigenfrequenties (omdat de laagste modus vaak het gemakkelijkst wordt aangeslagen en bij excitatie doorgaans de grootste amplitudes heeft). De verkregen frequenties worden vergeleken met de mogelijke excitatie-/aanstuurfrequenties waaraan de constructie tijdens bedrijf wordt blootgesteld. Als een eigenfrequentie dicht bij een bedrijfsfrequentie ligt (bijv. het toerental van een machine, de frequentie van voertuigwielen, de pulsatie van het elektriciteitsnet of de dominante component van grondtrillingen), is dat een waarschuwingssignaal – resonantierisico. De tweede stap is de analyse van de eigenvormen. Door de vervormingen voor opeenvolgende modi te bekijken, kan de engineer beoordelen welke delen van de constructie in die modus het meest verplaatsen – bijv. of het gaat om doorbuiging van het geheel, een lokale trilling van een bepaalde beplatingsplaat, of juist een trilling van een subassemblage. Deze kennis laat zien waar de constructie te slap is of gevoelig voor trillingen. Zo kan een eigenvorm onthullen dat een bepaalde balk zijdelings doorbuigt – wat wijst op de noodzaak om dwarsverstijvingen toe te voegen. Of dat een zwaar component los van de rest trilt – wat kan betekenen dat de bevestiging onvoldoende is.
De resultaten van de modale analyse – een overzicht van eigenfrequenties en trillingsvormen – worden vervolgens gebruikt om ontwerpkeuzes te onderbouwen. Als een bepaalde eigenmodus potentieel gevaarlijk is (bijv. wanneer de frequentie samenvalt met de excitatie of wanneer we grote vervormingen van kritieke onderdelen zien), kan de ontwerper de constructie aanpassen voordat deze wordt gebouwd. Het verhogen van de stijfheid (bijv. door dikkere doorsneden, verstijvingsribben), het wijzigen van de massa (toevoegen van contragewichten, materiaalwijziging) of het toepassen van trillingsdempers zijn typische manieren om eigenfrequenties te verschuiven of de trillingsamplitudes te verkleinen. Vaak wordt de modale analyse na het doorvoeren van wijzigingen iteratief herhaald om de effectiviteit van deze verbeteringen te bevestigen. Zo wordt modale analyse een integraal onderdeel van de ontwerpcyclus: al in de virtuele fase elimineren we zwakke punten en borgen we een passende veiligheidsmarge voor de dynamica van de constructie.
Wanneer en waarom wordt modale analyse toegepast?
Een modale analyse is aan te raden telkens wanneer een constructie tijdens gebruik aan trillingen kan worden blootgesteld, of wanneer de gevolgen van een eventuele resonantie gevaarlijk zouden zijn. In de praktijk geldt dit voor het merendeel van de technische projecten – van machines met roterende onderdelen tot voertuigen en elektronische apparaten. Dit zijn de belangrijkste redenen en situaties waarin een modale analyse onmisbaar is:
- Resonantie en storingen voorkomen: Het belangrijkste doel is het identificeren van frequenties waarbij de constructie in resonantie zou kunnen raken, en het zekerstellen dat zulke samenvallen onder normale bedrijfsomstandigheden niet optreden. Resonantie veroorzaakt een plotselinge toename van de trillingsamplitude – zelfs kleine periodieke krachten kunnen dan grote verplaatsingen en spanningen veroorzaken. Dat is een directe route naar beschadigingen, vermoeiingsscheuren en in extreme gevallen tot het bezwijken van het apparaat of de constructie. Dankzij modale analyse kunnen we de constructie tijdig herontwerpen of de bedrijfsparameters van de machine aanpassen, zodat we gevaarlijke resonantiecondities vermijden. Als we bijvoorbeeld weten dat een bepaalde machine een eigenfrequentie rond ~50 Hz heeft, kunnen we het aandrijfsysteem zo ontwerpen dat het geen trillingen met die frequentie opwekt, of dempers toevoegen als 50 Hz onvermijdelijk is.
- Verbetering van duurzaamheid en betrouwbaarheid: Zelfs als resonantie niet meteen tot een ramp leidt, kunnen aanhoudende trillingen zorgen voor versnelde slijtage van onderdelen (losraken van verbindingen, materiaalmoeheid, inslaan van lagers, enz.). Met een modale analyse kun je potentieel problematische trillingsmodi opsporen en het ontwerp optimaliseren om ongewenste vibraties tijdens bedrijf te verminderen. Een robuust apparaat is niet alleen een apparaat dat statische belastingen kan opnemen, maar ook een apparaat dat niet overmatig trilt onder dynamische belastingen. Productiebedrijven eisen vaak dat hun producten strenge trillingstests doorstaan voordat ze op de markt komen – modale simulatie en verwante analyses helpen te verifiëren dat de constructie deze tests zonder schade doorstaat.
- Comfort en geluid (aspecten NVH): In sectoren zoals de automotive of consumentenelektronica gaat het niet alleen erom dat een product “niet uit elkaar valt”, maar ook dat het stil werkt en comfortabel is voor de gebruiker. Trillingen van de constructie vertalen zich vaak naar geluid – bijvoorbeeld: in een auto kan een trillende carrosserie een dreun in het interieur veroorzaken, en bij huishoudelijke apparaten kunnen resonerende plaatdelen een zoem- of rammelgeluid geven. Met modale analyse kun je een constructie zo ontwerpen dat kritische trillingsfrequenties buiten het bereik liggen van frequenties die door de mens hoorbaar of voelbaar zijn. Zo kunnen geluid en trillingen die gebruikers ervaren worden verminderd, wat de productkwaliteit verhoogt. Veel bedrijven gebruiken de term NVH (Noise, Vibration, Harshness) voor vraagstukken rond geluid en trillingen – en modale simulatie is een basistool in de aanpak van deze verschijnselen. Zo analyseren autofabrikanten de trillingsmodi van de carrosserie om frequenties te vermijden die bij draaiende motor een brom in het interieur veroorzaken. Het verstijven van plaatdelen of het toevoegen van demping op plekken die verantwoordelijk zijn voor zogeheten structuurgeluid kan het akoestisch comfort van het voertuig aanzienlijk verbeteren.
- Eisen uit normen en ontwerpprocedures: In sommige sectoren is een modale analyse zelfs verplicht op basis van normen of ontwerprichtlijnen. Zo legt in de eerder genoemde olie- en gassector de norm API 610 criteria vast voor de scheiding van eigenfrequenties ten opzichte van de rotatiesnelheden van pompen.
Samengevat passen we modale analyse preventief toe in de ontwerpfase – om problemen te voorkomen voordat ze ontstaan – en diagnostisch bij bestaande constructies – om raadsels rond overmatige trillingen of geluid op te lossen door de constructie aan te passen. Het is een universeel engineeringinstrument dat helpt trillingsproblemen op te lossen in elke fase van de levenscyclus van een product of object. Het resultaat is een veiligere, duurzamere en vaak beter uitgewerkte constructie.
Modale analyse versus gedwongen trillingen, harmonische analyse en akoestiek
Een modale analyse op zichzelf geeft inzicht in de dynamische eigenschappen van een constructie, maar om de werkelijke trillingsrespons volledig te beoordelen, worden vaak aanvullende analyses uitgevoerd op basis van de modale resultaten. Logische vervolgstappen zijn harmonische analyse (frequentierespons op een sinusvormige excitatie), simulaties van gedwongen trillingen in het tijdsdomein en akoestische analyses. Hieronder bespreken we hoe de modale analyse samenhangt met deze onderwerpen:
Harmonische analyse en gedwongen trillingen
Na het bepalen van de eigenfrequenties en trillingsvormen is de volgende stap vaak om te controleren hoe de constructie zich gedraagt onder invloed van een concrete dynamische excitatie. De modale analyse kan bijvoorbeeld hebben uitgewezen dat de constructie een gevaarlijke eigenmodus heeft bij 80 Hz – maar raakt ze in de praktijk ook echt beschadigd als er een trilling met die frequentie optreedt? Harmonische analyse geeft antwoord op die vraag door de respons van de constructie te simuleren op sinusvormige excitatie met variërende frequentie. Daarbij maakt ze gebruik van de modale resultaten – de meeste FEM-solvers gebruiken zogeheten modale superpositie, oftewel het optellen van de bijdragen van de afzonderlijke eigenmodi aan de geforceerde respons. Met andere woorden: voordat we een harmonische analyse (of in het algemeen een dynamische analyse van excitatie) uitvoeren, moeten we de modale parameters van het systeem kennen. De modale basis maakt het mogelijk om de respons voor veel frequenties efficiënt te berekenen.
In de praktijk houdt een harmonische analyse bijvoorbeeld in dat op een FEM-model een sinusvormige kracht met een opgegeven amplitude en frequentie wordt aangebracht, iteratief voor opeenvolgende frequenties binnen een bepaald bereik (een zogeheten frequentie-sweep). Het resultaat is een frequentiekarakteristiek van de respons – bijvoorbeeld de amplitude van verplaatsingen of spanningen als functie van de excitatie-/aanstuurfrequentie. Daarmee kun je resonantiefrequenties identificeren (waar de amplitude-grafiek een piek vertoont) en de trillingsgrootte bij resonantie en daarbuiten beoordelen. Als een resonantie dicht bij de bedrijfsfrequentie ligt en de gesimuleerde spanningen de vermoeiingsgrens van het materiaal overschrijden, dan moet de constructie worden aangepast of moet demping worden toegepast, omdat op langere termijn scheurvorming dreigt. Zo’n scenario doet zich voor wanneer de eigenfrequentie niet eenvoudig kan worden verschoven (bijv. door ontwerpbeperkingen) – dan maakt een simulatie van gedwongen trillingen het mogelijk het reële risico in te schatten. In een van de beschreven gevallen, waarin de eigenfrequentie gevaarlijk dicht bij de excitatie kwam, voerden de ingenieurs een harmonische analyse uit met aangelegde periodieke krachten en vergeleken de verkregen spanningen met de vermoeiingssterkte van het materiaal; op basis daarvan concludeerden zij dat de trillingen geen scheuren zouden veroorzaken, ondanks resonantie, omdat de amplitude relatief klein is. Uiteraard is dit een uitzonderlijke situatie – doorgaans proberen we ver van resonantie te ontwerpen, zodat we überhaupt niet het risico lopen in dat punt te werken.
Daarbij moet worden opgemerkt dat harmonische analyse slechts één van de vormen van analyses van gedwongen trillingen is. Andere zijn bijvoorbeeld transient-analyse (impulsbelasting of, algemener, niet-periodische excitatie in het tijdsdomein) of spectrale analyse (bijv. willekeurige trillingen met een opgegeven frequentiespectrum). In al deze gevallen vormt modale analyse het vertrekpunt – de eigenmoden vormen de basis om de dynamische respons op elke willekeurige excitatie te berekenen. Zonder de modale karakteristiek van het systeem zou het onmogelijk zijn om het gedrag van een constructie onder dynamische belasting efficiënt te voorspellen. Je kunt dus zeggen dat modale analyse de informatie levert die nodig is voor verdere trillingssimulatie van de constructie onder realistische omstandigheden.
Relatie met akoestiek (geluid en trillingen)
Zoals genoemd gaan structurele trillingen vaak samen met geluid. Trillende onderdelen zenden geluidsgolven uit (structuurgeluid) en bovendien kunnen in afgesloten ruimten (bijv. het interieur van een voertuig, de behuizing van een elektronisch apparaat) de akoestische golven zelf eigen akoestische modi vormen – dus luchtresonanties binnenin. Modale analyse is van groot belang bij akoestisch ontwerp en NVH. Ten eerste maakt kennis van de trillingsmodi van de constructie het mogelijk die trillingen te identificeren die leiden tot de emissie van ongewenst geluid. Ingenieurs kunnen de constructie dan aanpassen om de amplitudes van zulke trillingen te verkleinen (bijv. door verstevigingen toe te voegen) en zo het geluid te reduceren. Zo werden in een van de automotive-projecten de modi van de carrosserie van een auto geanalyseerd en werd vastgesteld dat een lage trillingsmodus van het dak een dreun veroorzaakte die voor passagiers hoorbaar was. Het aanbrengen van een extra dakversteviging verhoogde de frequentie van deze modus en dempte de trillingen, wat het geluidsniveau in het interieur effectief verlaagde en de NVH-eigenschappen van het voertuig verbeterde. Dit laat zien dat het beheersen van trillingen via modale analyse zich vertaalt in een stillere en prettigere werking van apparaten.
Ten tweede kunnen de resultaten van een modale analyse worden gebruikt voor gekoppelde vibro-akoestische simulaties. Met de eigenvormen van de constructie kan een analyse worden uitgevoerd waarbij het akoestische model (bijv. de lucht in een autocabine of behuizing) wordt aangeslagen door constructietrillingen met precies die vormen en frequenties. Dit maakt het mogelijk de geluidsdrukniveaus te voorspellen die door de afzonderlijke modi worden opgewekt en vast te stellen welke daarvan het meest hinderlijk zijn. Een dergelijke aanpak wordt bijvoorbeeld toegepast in de auto-industrie, waar men gekoppelde trillingen van de carrosserie en de akoestiek van de cabine simuleert om bronnen van laagfrequent geluid te lokaliseren en corrigerende maatregelen te vinden. In het algemeen vormt modale analyse een brug tussen de constructieve en de akoestische engineering in de context van trillingen – het helpt een constructie zo te ontwerpen dat die niet alleen sterk is, maar ook geen onaangenaam geluid veroorzaakt.
Modale tests en experimentele verificatie
Het is goed om te benadrukken dat, hoewel modale analyse in FEM een krachtig hulpmiddel is om het gedrag van een constructie te voorspellen, men er altijd naar moet streven om de simulatie experimenteel te verifiëren. Daarvoor dienen modale tests, ook wel experimentele modale analyse (EMA) genoemd. Deze bestaan uit het fysiek in trilling brengen van de constructie en het meten van de respons, om op basis daarvan de werkelijke eigenfrequenties, trillingsvormen en dempingscoëfficiënten te bepalen. In de praktijk gebruikt men hiervoor bijvoorbeeld een modale hamer (een handhamer met ingebouwde krachtopnemer waarmee men op de constructie slaat) of een trillingsopwekker (een tegen de constructie geplaatste elektromagnetische shaker) en een set versnellingssensoren (accelerometers) die over de constructie zijn verdeeld. De slag of sinusvormige excitatie brengt een bekende kracht in, en de sensoren registreren de bijbehorende versnellingen/vervormingen. Op basis daarvan bepaalt men responsspectra en de frequenties waarbij het responssignaal maximaal is – dat zijn precies de eigenfrequenties. De relatieve uitslagen van de sensoren geven de trillingsvorm, terwijl de breedte van de resonantiepieken in het spectrum informatie geeft over de demping.
De via metingen verkregen modale parameters kunnen vervolgens worden vergeleken met de resultaten van een FEM-simulatie. Zo’n correlatie EMA vs. FEM maakt het mogelijk de nauwkeurigheid van het numerieke model te beoordelen en, indien nodig, bepaalde aannames bij te sturen (bijv. de stijfheid van verbindingen, waarden van de Young-modulus van het materiaal, enz.). Ingenieurs gebruiken daarbij vaak indicatoren zoals MAC (Modal Assurance Criterion), die in een getal uitdrukt hoe sterk de gemeten en berekende trillingsvorm op elkaar lijken. Als de correlatie zwak is (MAC laag of de frequenties wijken sterk af), gaat men terug naar het FEM-model en zoekt men naar oorzaken van de afwijkingen – bijvoorbeeld een onderschatte inklemming, een weggelaten massa-element, enz. Op die manier kan een iteratief verfijnd model vervolgens met grote zekerheid worden ingezet voor voorspellende analyses. Bovendien maakt moderne FEM-software automatische modelupdate mogelijk op basis van de resultaten van modale tests – optimalisatie-algoritmen passen de modelparameters zodanig aan dat overeenstemming met het experiment wordt bereikt.
Modale tests worden ook ingezet wanneer we nog niet over een nauwkeurig model beschikken of wanneer we een bestaand object onderzoeken (bijv. een machineprototype, een constructie op locatie). In industriële omstandigheden voert men ze uit om trillingsproblemen van machines te diagnosticeren en de juistheid van het ontwerp te verifiëren. Zo kan een fabrikant van de machineleverancier de resultaten van een modale test van het frame opvragen om te bevestigen dat de eigenfrequenties overeenkomen met de verklaringen uit de FEM-analyse. Zo niet, dan kan dat wijzen op een fout in de uitvoering of in de modellering. Samengevat is experimentele modale analyse een belangrijke aanvulling op simulaties: het vergroot het vertrouwen in de resultaten en zorgt ervoor dat onze trillingssimulaties daadwerkelijk het gedrag van de echte constructie weerspiegelen.
Dankzij modale analyse ontwerpen ingenieurs uit uiteenlopende disciplines – van werktuigbouwkundigen, via architecten, tot elektrotechnici – veiligere, duurzamere en stillere producten en objecten. In het tijdperk van virtuele simulaties bespaart dit hulpmiddel tijd en kosten door trillingsproblemen al op het computerscherm te signaleren, in plaats van via trial-and-error op prototypes. Je kunt gerust stellen dat in het moderne ontwerpen van mechanische constructies en daarbuiten modale analyse is uitgegroeid tot een standaard van goede ingenieurspraktijk – een waarborg dat een constructie de dynamische uitdagingen van de echte wereld aankan en daarbij stabiel en betrouwbaar blijft. Daardoor vertalen FEM-berekeningen zich rechtstreeks naar het ontwerpen van mechanische constructies met een hoger veiligheids- en kwaliteitsniveau, wat uiteindelijk zowel producenten als eindgebruikers ten goede komt. In de dynamische wereld van de techniek is een modale blik op een constructie de basis om trillingen voor te zijn, voordat ze ons verrassen.
Modale analyse
Dit is een simulatie van de eigentrillingen van de constructie, die de eigenfrequenties en de bijbehorende trillingsvormen (mode shapes) bepaalt. Hiermee kan worden vastgesteld bij welke frequenties de constructie in resonantie kan komen en hoe zij zich dan zal vervormen.
Informeert niet rechtstreeks over de grootte van verplaatsingen of spanningen die door een specifieke belasting worden veroorzaakt. Levert voornamelijk een “dynamische signatuur” in de vorm van frequenties en trillingsvormen, die wijzen op gevoeligheid voor resonantie.
Frequenties van de eigenmoden worden vergeleken met typische excitatiebronnen (bijv. werking van de motor, wind, verkeer van voertuigen) om overlap van frequenties en het risico op resonantie te vermijden. Modusvormen tonen welke gebieden van de constructie het meest gevoelig zijn voor trillingen en waar het zinvol is deze te verstijven of te dempen.
Eerst wordt het model voorbereid (geometrie, mesh, materiaaleigenschappen en randvoorwaarden en verbindingen). Vervolgens lost de solver het eigenwaardenprobleem op, gebaseerd op de stijfheids- en massamatrices, en tot slot worden de lijst met frequenties en de visualisaties van de trillingsvormen geïnterpreteerd.
Fouten in opleggingen of verbindingen kunnen kunstmatige modi met nulfrequentie opleveren, bijvoorbeeld als gevolg van “spelingen” of niet-verbonden delen. Verificatie of de eerste modi overeenkomen met de verwachte starre-lichaambewegingen helpt de juistheid van het model te beoordelen.