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¿Qué es y para qué sirve el análisis modal?
El análisis modal se ha vuelto bastante popular para el estudio del comportamiento dinámico de estructuras. En este artículo te decimos qué es y cuáles son sus aplicaciones más comunes.
¿En qué consiste un análisis modal?
El sonido que escuchamos de una campana es el resultado de resonancias y del sonido radiado resultante de la energía de alta vibración en frecuencias de resonancia.
Podemos describir el comportamiento dinámico de cualquier estructura mecánica lineal en términos de parámetros que describen su resonancia estructural. Estos parámetros modales son la frecuencia de resonancia, la amortiguación y el patrón de vibración (forma modal) de la resonancia.
El modelo matemático basado en estos parámetros es un modelo lineal que da una descripción completa del comportamiento lineal de la estructura. Un análisis modal es entonces un tipo de método experimental que determina las características de un sistema dinámico y define el modelo dinámico de una estructura.
En el análisis modal usamos diferentes números de mediciones y técnicas de análisis de variada complejidad. La elección de la técnica depende de:
- El tipo y tamaño de la estructura
- La medida en que la estructura se comporta linealmente
- El tiempo y los recursos disponibles
¿Para qué se usa el análisis modal?
Ya que el resultado de un análisis modal es un modelo matemático del comportamiento dinámico de la estructura bajo prueba, podemos simular la respuesta de vibración a algunas fuerzas que suponemos podrían actuar sobre la estructura en su entorno de trabajo.
También podemos ocupar este modelo para simular modificaciones en la estructura con el fin de obtener los parámetros de la estructura modificada. Definimos dicha modificación en términos de adición o reducción de masa en ciertos puntos o mediante la adición o reducción de rigidez o amortiguación en ciertos puntos, entonces podremos simular la respuesta de vibración de la estructura modificada.
Si realizamos un análisis modal en diferentes subestructuras (o componentes) podemos usar los modelos para descubrir cómo se puede comportar la estructura ya ensamblada.
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Las distintas aplicaciones del análisis modal pueden ser:
- Solución de problemas de ruido y vibración:
Primero encontramos la fuente del problema usando mediciones de vibración bajo condiciones de operación. Si el problema es causado por la resonancia de la estructura (de hecho una debilidad estructural), podemos realizar modificaciones al modelo dinámico y buscar alternativas para remediarlo.
- Optimización del diseño:
El análisis modal en los prototipos de las estructuras te permiten optimizar el diseño mediante la simulación de la respuesta del prototipo y de esa manera hacer modificaciones al modelo dinámico.
- Monitoreo estructural:
Los parámetros modales pueden ser usados para monitorear las condiciones de las estructuras, como pueden ser imperfecciones o defectos; por ejemplo, el desarrollo de grietas; esto te permite modificar los parámetros modales de la estructura.
- Verificar modelos analíticos:
Podemos usar los modelos analíticos en la etapa inicial de diseño de aviones, aeronaves espaciales y otros vehículos. Estos modelos usualmente obtenidos desde la técnica de elemento finito son usados para la simulación y optimización. Una vez que ya hemos creado un prototipo de la estructura se hace un análisis modal y se compara el modelo resultante con el modelo analítico. Esta comparación nos permite verificar o mejorar el modelo analítico.
Brüel & Kjaer, Application notes. “An introduction to modal testing ”. En http://www.bksv.com/ [documento en línea: http://www.bksv.com/doc/bo0172.pdf; acceso: 22 de junio de 2015].
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