On the modal parameter estimation methods: critical review, implementation in Matlab environment and effectiveness

This PhD thesis aims to create an application for modal parameter estimation by the employment of multiple methods to compare their results in order to detect the best to rely on with respect to certain characteristics. Modal parameter properties consisting of natural frequencies, damping factors and mode shapes are used in dynamics analysis; their determination requires relative accuracy. Hence, modal parameters estimation is generally considered one of the major parts of the experimental modal analysis. Different methods were developed for modal parameters estimation with variation in their assumptions and accuracy. For a better understanding, this thesis provides a theoretical description of the modal analysis methods for the estimation of modal parameter. This thesis is centered on examining and discussing five modal parameter estimation methods, which are the Peak Picking, Circle Fit, Least Square Complex Exponential, Eigen system Realization Algorithm and Rational Fraction Polynomial. Lastly, the results are validated with the use of the Polymax method through the LMS-Test-Lab [1]. In practical, the methods are compared by using analytical FRFs of system with three degrees of freedom and experimental ones in the cases of steel plate, gearbox and airplane.

L’obiettivo principale di questa tesi e quello di creare una applicazione per stimare i parametri modali; attraverso l’utilizzo di vari metodi per comparare i loro resultati e determinare il più affidabile rispetto a certe caratteristiche. Le proprietà dei parametri modali; ovvero le frequenze naturali, fattori di smorzamento ed i modi di vibrare, sono usate per l’analisi dinamica; la loro determinazione richiede elevata accuratezza. Quindi di conseguenza la stima dei parametri modali e generalmente considerata come una delle componenti principali dell’analisi modale sperimentale. Diversi metodi sono stati sviluppati per stimare questi parametri modali variando le loro ipotesi ed accuratezza. Per una migliore comprensione questa tesi prevede una descrizione teorica dei metodi di analisi modale per la stima dei parametri modali. Tale lavoro si focalizza sulla esaminazione e la discussione di cinque metodi per stimare i parametri modali che sono Peak Picking, Circle Fit, Least Square Complex Exponential, Eigen Realization Algorithm and Rational Fraction Polynomial. Infine i risultati sono stati validati usando il metodo del Polymax tramite il software LMS-Test-Lab [1]. Operativamente i metodi sono stati confrontati usando le FRF analitiche per un sistema a 3 gradi di libertà e le FRF sperimentali nei casi di una piastra in acciaio, riduttore e aeroplano.