Модальные испытания, возбудители для модального анализа

Динамический отклик или динамическая реакция объекта или системы включает в себя собственные частоты, демпфирование, коэффициенты жесткости и формы мод колебаний. Изучение этих параметров часто называют модальными испытаниями или модальным анализом.

Модальные испытания могут быть сделаны как экспериментально - путем определения частотного отклика, так и математически - с использованием анализа конечно-элементной модели. Сложное движение всего объекта сводится к отдельным модам колебаний.

Экспериментальные модальные испытания часто используются в цикле проектирования, чтобы проверить (верифицировать) и уточнить математические конечно-элементные модели. Модальные испытания также могут быть использованы для создания новой структурной модели объекта для модификации в конкретной задаче или проверки характеристик конструкции объекта.

Тем не менее, сбор данных при модальных испытаниях оказывается полезным для решения множества других задач, и часто полный анализ данных не требуется. Просто зная резонансы и понимания аспекты резонансного поведения объекта, мы имеем преимущества во многих стадиях проектирования и поиска неисправностей. Исследования резонансных явлений и определение частотных характеристик могут помочь выявить проблемные частоты объекта.

Анализ форм собственных колебаний (ODS) показывает деформацию структуры на определенных частотах. ODS показывает реакцию объекта на резонансные и вынужденные (внешние) колебания, и очень часто является наглядной демонстрацией реального поведения объекта.
Модальный анализ аналогичен ODS в том, что деформации объекта также будут видны, но это в первую очередь касается резонансных частот (или собственных частот) объекта. Модальные испытания, как правило, осуществляются путем возбуждения объекта с известной силой и измерением отклика объекта в нескольких местах с использованием акселерометров. Есть методы операционного модального анализа для получения данных без знания возбуждающей силы. Передаточные функции используются для получения модальных данных.

Есть несколько важных особенностей при регистрации модальных данных. Они включают в себя динамический диапазон регистрирующей аппаратуры, согласование фаз, выбор и прокладка кабелей и хранение (запись) данных.

Динамический диапазон и согласование фаз являются ключевыми характеристиками хорошего виброанализатора сигналов, который используется для модальных испытаний. Динамический виброанализатор сигналов SignalCalc производства компании Data Physics обеспечивает высочайшие характеристики динамического диапазона и согласования фаз в одном шасси или в нескольких объединенных между собой шасси (для тысяч каналов сбора данных).

Прокладка кабелей, установка датчиков, настройки модальных испытаний для контрольно-измерительного оборудования являются важнейшими этапами даже для самого опытного инженера-испытателя. Многие крупномасштабные модели объектов охватывают сотни или даже тысячи регистрирующих каналов одновременного сбора данных. Знания особенностей и методики модальных испытаний крайне важны. Кроме того, использование распределенной архитектуры виброанализаторов сигналов на основе БПФ с распределенной архитектурой Цифрового Сигнального Процессора (ЦСП) в аппаратной части является необходимым в этом процессе. Объединяя между собой несколько аппаратных шасси, распределенных на большие расстояния, инженеры-испытатели устраняют беспорядки в кабелях и ошибки рассогласования. Использование универсальной длины кабеля от датчика к оборудованию сбора данных помогает устранить ошибки из-за переменной длины кабелей. Система сбора данных Data Physics SignalCalc Savant позволяет осуществлять распределенный сбор данных по нескольким шасси на расстояниях до 1000 м.

Прокладка и подключения кабелей с акселерометров тесно связаны с записью и хранением данных в модальных испытаниях. Правильное отслеживание номера точки на объекте и направления каждого канала (каждой измерительной точки) при большом кол-ве каналов или при переставлении датчиков, может быстро привести к путанице, если не сделать всё должным образом. Виброанализатор SignalCalc обеспечивает встроенную запись и удобное хранение данных, экспорта данных в реальном масштабе времени, а также удобную нумерацию точек, направление каждой измерительной точки и прочее, что сильно помогает в решении сложных задач.

Виброударное тестирование (с помощью модального молотка)

Виброударное тестирование иногда называют тестированием с помощью модального молотка. Оно включает в себя использование специализированного молотка – датчика силы, выполненного в виде молотка, с различными насадками – фильтрами частот. Молотком возбуждают объект для того, чтобы измерить отклик и, тем самым, измерить передаточную функцию объекта. Анализ передаточной функции в продукте SignalCalc Data Physics предоставляет пользователям все существующие утилиты для обеспечения точного измерения передаточной функции. Например, весовые окна в форме силы и экспоненты могут быть выбраны пользователем для минимизации «утечки».

Анализаторы сигналов SignalCalc обеспечивают улучшенную реализацию весовых окон, в особенности, окна силы, предназначенного для лучшей обработки сигнала. Это окно компенсирует демпфирование. Окно силы представляет собой усеченную экспоненциальную форма, а не простой прямоугольник. Экспоненциальная форма использует ту же постоянную времени (ширина отклика) в качестве экспоненты, приложенной к окну отклика и автоматически корректирует амплитуду спектра силы, чтобы отслеживать изменения в амплитуде спектра отклика, обусловленные временем захвата в пределах экспоненциального окна отклика.

В результате ручного характера виброударного тестирования, поддержание согласованности измерений из-за изменений местоположения и количества наносимых ударов – довольно непростая задача. Анализаторы сигналов Data Physics SignalCalc обеспечивают режим предварительного просмотра, который позволяет пользователю видеть временную и частотную области каждого удара и отклика. Тем самым, пользователь решает, добавлять этот результат в усреднения, либо сделать его заново.

Модальные испытания с помощью вибровозбудителя

Для более крупных и более сложных объектов возникает необходимость использования электродинамического вибровозбудителя для возбуждения объекта с энергией, достаточной для достижения требуемого уровня отношения сигнала к шуму. Использование вибровозбудителей также дает преимущество, если требуется повышенная точность результатов, поскольку усилие, идущее от вибровозбудителя, исключает возможность человеческих ошибок, которые имеют место быть при виброударном тестировании.

Вибровозбудители возбуждают объект через узкий шток или "жало." Шток предназначен для передачи энергии только в одном направлении, и способствует развязке вибровозбудителя от испытуемого объекта. Вибровозбудители, разработанные специально для модальных испытаний, часто используют специальную систему подшипников для дальнейшей развязки вибровозбудителя от объекта, которая заключается в том, что при ответной реакции объекта на вибровозбудитель, тот не сломается. Например, модальный вибровозбудитель Data Physics SignalForce LMT-100 использует специальную систему направляющих, а остальные модальные вибровозбудители Data Physics SignalForce используют линейные поворотные подшипники. Выбор между подшипником или специальной системой направляющих приводит к компромиссу между размером вибровозбудителя и толкающим усилием. Для получения дополнительной информации, см. линейку модальных вибровозбудителей Data Physics SignalForce.

Виброанализаторы SignalCalc предлагают широкий спектр сигналов возбуждения для удовлетворения различных задач. Случайный (ШСВ), Случайный «Взрыв», Кратковременный сигнал и Синусоидальные являются одними из четырнадцати различных вариантов для генерации сигналов для обеспечения измерения передаточной функции.
Более специфическое применение имеет возбуждение Ступенчатым синусом, позволяющее пользователю получить результаты испытаний при возбуждении выбранных заранее конкретных частот либо нескольких полос частот. Это приложение с замкнутым контуром (с обратной связью) позволяет пользователю определять различные диапазоны измерения с разной скоростью развертки и разрешением. Тестирование Ступенчатым синусом особенно полезно при модальных испытаниях, тестировании объектов, содержащих композиты или для замкнутых систем.

Развертка по синусу могут быть задана для различных уровней, чтобы в полной мере оценить нелинейность объекта или системы.

Динамические анализаторы сигналов SignalCalc прекрасно подходят для большого круга задач в модальных испытаниях и структурной динамики.

Испытания динамики структуры

От многоканального (до тысяч каналов) сбора данных модальных испытаний до одноканальных измерений сейсмической вибрации, виброанализаторы сигналов Data Physics SignalCalc обеспечивают передовое аппаратно-программное решение, для проведения испытаний динамики объектов, измерения и анализа вибрации.

Задачей любого динамического анализатора сигналов является преобразование электрических сигналов от измерительных датчиков в цифровые сигналы для записи и анализа. После того, как сигнал с датчика правильно снят и преобразован, возможны разнообразные варианты для его анализа. Наиболее распространенной является обработка динамических данных в реальном времени, чтобы выполнить БПФ преобразование в реальном времени для преобразования данных из временной в частотную область. Преобразование в частотную область может обеспечить более четкую картину для анализа, и, следовательно, наиболее полную картину динамических данных.

Виброанализаторы сигналов Data Physics SignalCalc обеспечивают мощный набор функций для быстрых, точных измерений и простой в использовании интерфейс. Стандартное программное обеспечение предлагает полный набор измерений, включая сбор данных во временной области, захват события, данные в спектральной области, автоспектры мощности, синхронное осреднение, спектральную плотность, передаточные функции, когерентности, корреляция, гистограмма, распределение вероятностей.