Модальный и структурный анализ

Структурный анализ

Виброакустические анализаторы сигналов SignalCalc компании Data Physics являются ведущим инструментом для модального анализа на сегодняшний день. Они включают в себя специальные возможности и алгоритмы обработки сигналов для исследований входных ударных воздействий и воздействий шейкера, автоматизированную схему хранения данных (дерево архивов) и сбора передаточных функций, возможность экспорта для автоматического сохранения данных измерений в тех форматах, которые часто используется наиболее популярными программами для модального анализа.
Анализаторы сигналов Mobilyzer и Savant работают на аппаратной платформе Abacus, которая предлагает более чем 120 дБ динамический диапазон на всей полосе пропускания. В тех задачах, где полоса частот небольшая, динамический диапазон увеличивается до 150 дБ, что делает анализаторы сигналов Data Physics идеальным решением для измерений, где высокое соотношение сигнал/шум является обязательным условием, и для объектов или структур с очень высокой добротностью, таких как турбинные лопатки.

Структурный анализ предполагает модальный анализ конструкции. Геометрическая информация объекта испытаний может с легкостью подкрепляться к измерениям, используя Прямоугольную, Цилиндрическую или Сферическую систему координат. Программное обеспечение предоставляет пользователям автоматизацию пометок точек и информации о направлении в каждом последующем измерении. Это особенно полезно во время анализа ударных воздействий, т.к. пользователи, как правило, передвигаются вокруг тестируемого объекта и воздействия ударного молотка наносятся в нескольких местах и в разных направлениях (напр., x, y или z), а измерение при этом ведется в фиксированной точке.

Программные утилиты управления данными измерений позволяют пользователям выбирать, какие результаты следует учитывать и сохранять, а какие нет (передаточные функции, автоспектры мощности, кросс-спектры). Данные также могут быть автоматически сохранены при завершении каждого измерения. Данные измерений также могут быть автоматически экспортированы в программы для модальных расчетов или визуализационные программы, в нужном формате, упрощая модальный анализ конструкции.

Испытание на ударное воздействие

Испытание на ударное воздействие очень часто связано с определенным типом анализа – модальный анализ. Анализ передаточной функции в программных пакетах SignalCalc предоставляет пользователям все необходимые возможности для обеспечения точного вычисления передаточной функции. Пользователи могут использовать при обработке данных весовые (оконные) функции Силы и Экспоненты, для минимизации утечек.

Анализатор сигналов SignalCalc предоставляет пользователям улучшенный вариант для весовой функции Силы. Это окно Силы с компенсацией затухания представляет собой по форме усеченную экспоненту. Экспоненциальная форма имеет ту же ширину временного отрезка, что и прямоугольная весовая функция Силы. Экспонента применяется к окну отклика системы и автоматически корректируют амплитуду спектра силы, чтобы отслеживать изменения в амплитуде спектра вибрации, вызванные временем захвата события в пределах экспоненциального окна отклика.

Обеспечение согласованности измерений в силу изменения расположения и количества точек входного воздействия при испытаниях на удар является сложной задачей. Анализаторы сигналов SignalCalc имеют функцию предпросмотра результатов, которая позволяет пользователю оценить вид временной и частотной области каждого входного воздействия для принятия решения – включать или не включать это измерение в число общих усредненных измерений.

Исследования при воздействии шейкером

Анализаторы сигналов SignalCalc предоставляют большое разнообразие анализа сигналов возбуждения для различных ситуаций. Случайное возбуждение (ШСВ) слабозатухающих структур с высокой добротностью является реакцией в течение длительного времени от некоего предварительного возбуждения. АФЧХ, однако, вычисляется из серии кратких, конечных по времени воздействий. Таким образом, вибрационный отклик за краткий промежуток времени является суммой откликов от возбуждения, приложенного в течение этого краткого промежутка времени и реакции за счет предварительного возбуждения. Поскольку мы не знаем, когда будет выбран этот краткий промежуток времени, то вклад этого измерения представляет собой шум, к которому очень чувствительна функция когерентности.

Решение этой задачи очень простое. Продолжительность случайного шума ограничена в течение каждого интервала измерения, так что отклик равен нулю во время наблюдения. Это гарантирует то, что каждое наблюдение содержит только отклик на возбуждение, применяемое во время испытания, утечки устранены. Это достигается при использовании функции Пакетное Случайное возбуждение и при использовании триггера на входном канале.

Системы со множественными входами и выходами (MIMO анализ)

Программный пакет MIMO анализ - позволяет анализировать системы со множественными входами и множественными выходами. Структурный анализ в этом случае особенно интересен. MIMO необходимо, когда требуется сложный комплексный модальный анализ конструкции. MIMO измеряет передаточные функции системы при возбуждении системы несколькими шейкерами. Пользователи также могут измерить различного рода передаточные функции между отдельными частями сложной системы. Например, можно измерить передаточные функции с различными опорными сигналами, даже если систему возбуждает лишь один шейкер, либо когда суммируются измеренные данные.

Программный пакет виброакустических анализаторов сигналов SignalCalc MIMO обеспечивает как эффективность по измерениям, так и точность по времени. Одновременное использование нескольких шейкеров для возбуждения в различных направлениях и местах установки обеспечивает высочайшее качество измерений свойств объектов по нескольким причинам, что необходимо, когда мы хотим получить качественный структурный анализ системы.

Во-первых, потому что входное воздействие распределено, системе может быть передан более высокий уровень энергии возбуждения, без перенапряжения испытываемого образца. Это обеспечивает наилучшие результаты.

Во-вторых, распределение возбуждения позволяет нам с большой долей уверенности сказать, что в исследуемой полосе пропускания будут захвачены все моды.

В-третьих, граничные условия остаются неизменными при определении всех мод. Методы одноточечного возбуждения зачастую требуют некую последовательность действий, используя при этом различные установки шейкера, чтобы обеспечить мода. Каждый из них отличается своими параметрами и ограничениями.

Многоточечные возбуждения из различных источников в анализаторах сигналов SignalCalc не коррелируют друг с другом, обеспечивая правильное вычисление передаточных функций для каждой комбинации канала отклика и опорного канала.

Интуитивно понятный и гибкий пользовательский интерфейс SignalCalc позволяет пользователям делать несколько измерений передаточной функции, функции когерентности и т.д., исходя из требований, что позволяет качественно провести модальный анализ. Большим помощником при этом выступает удобная карта сигналов Signal Map в анализаторах сигналов SignalCalc.

Ступенчатый синус

Передаточная функция системы может быть также вычислена, когда на систему подается воздействие в виде Ступенчатого синуса. Эта опция доступна в анализаторах сигналов Mobilyzer и Savant. Синусоидальное возбуждение требуется для исследования систем, которые не могут быть возбуждены широкополосной случайной вибрацией. Синусный сигнал может ступенчато меняться в широком частотном диапазоне, используя постоянную или изменяемую амплитуду в зависимости от частоты. Переход на следующую частоту осуществляется при достижении требуемого значения когерентности.

Измерения от возбуждения Ступенчатого синуса могут быть разбиты на серии частотных полос, так что пользователи могут выбрать более высокое разрешение в областях, представляющих особый интерес, повысить коэффициент усиления источника, где отклик системы предполагается низким.

Пользователи могут настроить измерения в виде ряда усредненных измерений с использованием БПФ и следящего фильтра, или в виде серии, похожей на скользящий синус, где используется длительное время интеграции. Этот процесс может быть ускорен с использованием различных проверок, предоставляемых системой. Например, пользователь может указать максимальное число итераций, прежде чем система перейдет к новой точке. Программное обеспечение также предлагает оценку передаточной функции открытой петли, используя трехканальную технику, что улучшает точность.

Испытания Normal Mode

Испытания Normal Mode (Нормал Моды), называемые также испытаниями с подбираемым/необходимым возбуждением, часто используются в ракетно-космической отрасли для испытаний на вибрацию больших объектов, а также для других видов объектов в различных отраслях. При применении Нормал Мод, к объекту прикладываются несколько когерентных синусоидальных воздействий на резонансной частоте. Амплитуды и фазы этой группы входного воздействия специальным образом "настроены" для возбуждения только одной моды (формы колебаний). Это позволяет производить модальное разделение физически, а не математически, и каждая мода видна в свободной форме, без какого-либо постороннего влияния. После того, как моды физически изолированы, модальные параметры и модальные формы извлекаются системой в реальном времени.

Модальный анализ объекта позволяет определить собственные частоты, формы мод колебаний и обобщенные параметры (масса, жесткость и демпфирование) на определенной полосе частот. Эти характеристики являются постоянными для линейных структур и их можно рассматривать как "удостоверение личности" для использования в дальнейших расчетах (напряжение, усталость, прогнозирование динамики объекта, производительность и т.д.).

Анализ Normal Mode обычно предполагает 5 шагов:
1. Определение всех мод с использованием глобального метода поиска, при возбуждении ШСВ либо Синус
2. Расчет и формирование возбуждения для каждой моды. Это является сложным процессом, при котором учитываются следующие моменты:

• Количество и расположение шейкеров должно быть рассчитано для каждой моды
• Частота возбуждения должна быть очень точно рассчитана
• Относительные уровни возбуждения и фазы должны быть сбалансированы
• Глобальный уровень силы должен быть пересчитан на подходящий уровень

3. Получение собственных форм
4. Расчет обобщенных параметров
5. Построение графиков, характеризующих нелинейности.