Study of techniques of operational modal analysis in the presence of random excitations and harmonic component

Traditional modal parameter identification usually require measurements of both the input force and the resulting response in laboratory conditions. However, when modal properties are to be identified from large structures in operation, usually the possibilities to control and measure the loading on the structure is rather limited. In this case, the modal testing is usually performed using response data only. Operational Modal Analysis (OMA) or Operational Modal Testing is a method where no artificial excitation needs to be applied to the structure or force signals to be measured. In this case, the modal parameters estimation is based upon the response signals, thereby minimizing the work of preparation for the test. However, standard OMA techniques, such as NExT, are limited to the case when excitation to the system is a white stationary noise. The NexT assumes that the correlation functions are similar to the impulse response functions, and then, traditional time domain identification methods can be applied. However, if harmonic components are present in addition to the white noise, these components can be misunderstood as natural modes in the plot of response spectrum. In this work, it is shown that it is possible identify if a peak in the response spectrum correspond to a natural mode or an operational mode. It is achieved through the application of the probability density function. It is also presented a modification in the LSCE algorithm in such manner that it can support harmonics in the operational excitation. In order to validate the methods presented in this work, it is shown numerical and experimental cases. In the former, results for a mass-spring-damper of five degree of freedom are presented, and in the latter a beam supporting an unbalanced motor is analyzed.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoA metodologia tradicional de identificação de parâmetros na análise modal de estruturas é realizada a partir de sinais medidos de força de entrada e de movimento de resposta da estrutura em condições laboratoriais controladas. Entretanto, quando é necessária a obtenção dos parâmetros modais de estruturas de máquinas em operação, as condições para controlar e medir a excitação nestas situações impossibilita a realização da análise modal tradicional. Neste caso, o teste modal é realizado utilizando somente dados de resposta do sistema. A Análise Modal Operacional (AMO) é um método de extração modal em que nenhuma excitação artificial necessita ser aplicada ao sistema, utilizando-se a própria excitação operacional como entrada para medição da resposta do sistema. A técnica clássica de Análise Modal Operacional NExT considera, para isso, que a excitação operacional do sistema seja um ruído branco. Esta técnica faz a consideração de que as funções de correlação obtidas de estruturas podem ser consideradas como funções de resposta ao impulso e então métodos tradicionais de identificação modal no domínio do tempo podem ser empregados. Entretanto, caso a excitação operacional contenha componentes harmônicos que se sobressaiam, estes podem ser confundidos como modos naturais do sistema. Neste trabalho é demonstrada que através da função densidade de probabilidade da banda estreita contendo o pico de um modo, é possível identifica-lo como natural ou operacional (proveniente da excitação operacional da estrutura). É apresentada também uma modificação no método de identificação modal Exponencial Complexa Mínimos Quadrados (LSCE), passando a considerar sinais harmônicos de freqüências conhecidas presentes na excitação operacional, em um ensaio utilizando a técnica NExT. Para validação desses métodos, utiliza-se um modelo teórico de parâmetros modais conhecidos analiticamente e como estudo de caso experimental, um sistema formado por uma viga bi-apoiada suportando um motor elétrico com desbalanceamento de massa