Modal Testing with OXYGEN

모달 테스트는 구조물이나 물체의 고유 진동수, Mode shapes(모드 형상) 또는 Damping ratios(감쇠비)를 측정하는데 사용됩니다. 특히 건설 기술 및 

기계 공학 분야에서 매우 중요한 측정 과정 중 하나로 자동차 산업부터 항공우주 산업에 이르기까지, 모달 테스트는 개별 요소와 전체 구조물의 무결성, 

안전성 및 성능을 보장하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.

모달 테스트는 무엇을 위한 것인가?

모달 테스트는 구조물의 모달 매개변수를 실험적으로 결정할 수 있는 진동 시험의 한 형태입니다. 예를 들어 항공기 부품, 샤시, 엔진, 풍력 터빈등을 분석하거나 기타 구조 부품에 대해 측정 검증하는 데 사용됩니다.

Natural frequency(고유 진동수)

구조물이 외부 힘이 작용하지 않고 동적 하중을 받을 때 진동하는 경향을 나타내는 주파수입니다. 이러한 주파수는 시스템의 질량, 강성 및 감쇠 특성에 따라 달라집니다.

Damping ratios(감쇠비)

구조물의 진동이 시간에 따라 감소하는 속도를 정량화 합니다. 감쇠는 동적 하중 조건에서 에너지 소산과 시스템의 안정성을 이해하는 데 필수적입니다.

Mode shapes(모드 형상) 

특정 고유 진동수에서 구조물 내 변위 또는 변형의 공간적 분포를 나타내고, 시스템의 진동 패턴과 동적 정보를 제공합니다.

매개변수 분석에 중점을 두는 모달 분석과 달리, 모달 테스트는 데이터 수집을 우선시합니다. 모달 테스트에는 다양한 방법론이 포함되지만, 충격 테스트는 가장 일반적인 기술 중 하나로, 입력 힘(해머)을 통해 제어된 힘을 피시험 장치(DUT)에 가하고 그 결과 발생하는 반응을 측정하는 것입니다. 

일반적으로 모달 해머를 사용하여 제어된 힘을 가하는데 이러한 해머는 타격 표면에 IEPE 센서가 내장되어 있어 정확한 힘 측정이 가능합니다. 한편, DUT의 반응은 가속도계 또는 기타 진동 센서를 통해 측정됩니다.

그림 1 모달 해머에 대한 예

테스트 대상 장치(DUT), 테스트 설정 및 테스트 환경에 따라 최적의 접근 방식은, 단일 또는 여러 개의 입력(힘, 해머)과 단일 또는 여러 개의 반응 센서(가속도 또는 진동센서)를 사용하는 것입니다. 이를 통해 세 가지의 독특하고 유용한 테스트 구성을 얻을 수 있습니다.

공진이 발생하면 응답 스펙트럼에서 응답 증폭이 나타납니다. 이 응답 스펙트럼을 바탕으로 힘 스펙트럼과 결합하여 전달 함수, 특히 매개변수인 주파수 응답 함수(FRF)를 얻을 수 있습니다. FRF를 통해 각 주파수에서 입력 신호와 출력 신호 간의 관계를 정량화할 수 있고, FRF를 계산하는 다양한 알고리즘이 있으며, 일반적으로 주파수 공간에서 수행되므로 전체 계산이 크게 간소화됩니다. 

다양한 계산 알고리즘에 대한 자세한 내용은 모달 테스트 매뉴얼을 참조해주세요.

그림 2: 모달 테스트 이론의 개념도

(f(t): 입력 신호; F(ω): 입력 신호의 주파수 스펙트럼; x(t): 응답 신호; X(ω): 응답 신호의 주파수 스펙트럼; 

h(t): 임펄스 응답; H(ω): 전달 함수)

모드 지표 함수(Mode Indicator Funtion: MIF) 또는 곡선 피팅(Curve fitting)과 같은 고급 분석 기법은, 모드 매개변수 추정을 용이하게 하여 주파수 응답 함수(FRF)에 대한 이해를 높일 수 있습니다. MIF는 모든 경로에서 FRF를 평가하여 모드를 식별하는 반면, 곡선 피팅은 고유 진동수나 감쇠 계수와 같은 모드 매개변수를 추정합니다.

모달 테스트 주요 애플리케이션

모달 테스트와 추가 모달 분석은, 다양한 엔지니어링 분야와 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 

자동차 

자동차 부문에서 모달 테스트는 차량 구성 요소와 섀시 시스템의 진동 특성을 평가하는데, 이는 주행 편의성과 내구성 분석에 중요합니다

토목공학 

모달 테스트를 통해 건물, 교량, 댐 또는 기타 구조물과 같은 대형 구조물의 바람, 지진 또는 운영 하중을 받는 동적 거동을 평가할 수 있습니다.

항공우주 

모달 테스트는 날개, 동체, 조종면 등 항공기 구성품의 동적 거동을 분석하는 데 핵심적인 역할을 하며 항공기 구조 최적화에 기여합니다.

기계 시스템 
모달 시험은 기계 및 산업 시스템의 진동 모드를 측정합니다. 이는 향후 피로 파괴를 방지하고 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

OXYGEN을 이용한 모달 테스트

OXYGEN 7.0 출시와 함께 직관적인 측정 소프트웨어 OXYGEN 에 모달 테스트를 구현했습니다 . 이를 통해 입력(힘, 해머)과 센서를 이용한 SISO 및 SIMO 테스트는 물론, 복소 전달 함수, 여러 타격의 일관성, 그리고 모드 지표 함수(MIF) 계산이 가능해졌습니다. 또한, 다양한 대화형 시각화 옵션과 3D 기하 모델 가져오기 기능도 구현했습니다. 하기 영상에서 데베트론 소프트웨어 옵션을 사용하여 측정하는 것이 얼마나 쉬운지 보여드립니다. 데베트론 시스템은 구조체에 입력(힘, 해머)으로 자극을 가하고 가속도계를 사용하여 여러 위치에서 응답 신호를 측정합니다. 센서의 신호는 데이터 수집 시스템 NEX[DAQ] 를 통해 기록됩니다 

https://www.youtube.com/watch?v=Fxv8RhBUQQ0&t=3s

1단계 – 하드웨어 연결: 

첫 번째 단계, 모든 응답 센서와 해머를 DEWETRON 측정 장치에 연결(예: TRIONet3 의 TRION-2402-dACC 모듈) .

2단계 - 채널 설정: 

진동원 및 응답 신호에 대한 데이터 채널을 올바르게 설정하는 것이 중요합니다. 여기에는 올바른 모드(IEPE)와 센서 스케일링/감도 선택이 포함됩니다. 스케일링은 입력 및 출력 신호에 대해 너무 낮거나 너무 높지 않은 유효한 측정값을 얻는 데 중요합니다. 외부 영향을 줄이기 위해 High-pass filter를 설정하여 과도하게 낮은 진동을 억제할 수 있습니다. 또한, 고정된 값의 형태로 영점을 설정할 수 있습니다.

그림 4: 모달 테스트를 위한 채널 설정

일반적으로 입력 신호의 신호 응답은 하나 또는 세 개의 공간 방향의 한 지점에서 측정됩니다.

3단계 - 모달 테스트 설정: 

모달 테스트를 생성하려면 먼저 지정된 응답 채널을 선택하거나, 미리 선택된 채널 없이 모달 테스트를 생성합니다. 다음으로, 선택한 응답 채널을 기반으로 테스트 객체를 정의하거나, 해당 공간 방향에 따라 입력 신호(excitation) 수와 응답 위치를 수동으로 선택합니다. 다음으로, 응답 채널을 원하는 응답 위치에 할당하는 것이 필수 단계이며, 자동 또는 수동으로 수행할 수 있습니다. 또한 이 단계에서 여기 채널 할당을 확인합니다.

4단계 – 측정 화면: 

모달 테스트 화면 템플릿을 사용자 지정하고 진폭 응답의 실수부나 허수부 등 다양한 데이터 구성 요소를 특정 요구 사항에 따라 표시합니다

5단계 - 측정 준비: 

트리거를 준비하여 입력신호 이벤트 기록을 활성화합니다. 필요에 따라 트리거 설정에서 임계값을 조정합니다. 이러한 준비가 완료되면 기록을 시작할 준비가 됩니다.

6단계 - TP #1: 

측정을 시작하고 첫 번째 측정지점에서 입력 힘(해머)을 가합니다.

7단계 - 데이터 검증: 

측정에 대한 데이터의 유효성을 평가합니다. 테스트 설정에 따라 지점당 여러 번의 히트가 필요할 수 있으며, 각 히트는 개별적으로 평가됩니다. 성공적인 히트는 그룹 프레임에 녹색 막대로 표시됩니다. 그룹 프레임은 그림 5와 같이 측정 화면 오른쪽 하단에 있습니다. 추가 색상 표시기는 다음과 같습니다.

빨간색: 범위 초과 경고 : 범위 초과 경고

주황색: 범위 경고 : 범위 경고

분홍색: 이중 히트 경고

지정된 위치에 대한 모든 이벤트가 성공적으로 완료될 때까지 프로세스를 계속합니다.

그림 5: 색상 표시를 통한 히트 검증

8단계 – TP#i : 
다음 측정 지점으로 이동하여 입력 힘(해머)을 가합니다.

9단계 - 데이터 평가: 
데이터를 검토하고 테스트가 완료될 때까지 반복합니다. 완료되면 기록을 중지합니다. 그림 6은 성공적인 실행의 예를 보여줍니다. 또한 기본 테스트 화면의 개요도 제공합니다.

그림 6: 범용 모달 테스트 화면

모달 테스트 요약

모달 시험은 구조물이나 기계 시스템의 고유 진동수, 모드 형상, 감쇠비를 실험적으로 결정하는 데 사용되는 방법입니다. 제어된 가진 및 시스템 응답 측정을 통해 엔지니어는 시스템의 동적 거동에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 

모달 시험은 제조, 자동차, 항공우주 등 다양한 산업에서 중요한 도구입니다. 이러한 다양한 분야를 지원하기 위해, 당사는 OXYGEN 측정 소프트웨어에 사용하기 쉬운 모달 시험 도구를 통합했습니다. 이 도구를 사용하면 가진 신호, 응답 신호, MIF 및 결맞음 함수를 즉시 표시하여 빠른 SISO 및 SIMO 측정을 수행할 수 있습니다.