Аналіз форм прогину (ODS-аналіз) для оцінки динаміки конструкції

ODS аналіз (Operating Deflection Shapes / Аналіз форм прогину) є одним з найпопулярніших інструментів в структурній динаміці. Цей аналіз дозволяє отримати дуже корисну інформацію для розуміння динамічної поведінки конструкцій, методи, що застосовуються, є простими для розуміння, оскільки не потребують складних математичних розрахунків, прості у використанні і можуть бути виконані за допомогою відносно простих засобів.

Що таке ODS аналіз?

ODS аналіз полягає у визначенні та візуалізації вібраційних моделей конструкцій в умовах експлуатації.

Вібраційні патерни – також відомі як форми прогину – демонструються на різних частотах, порядках або часових інтервалах у вигляді анімованої геометрії, що представляє структурні прогини, а також перераховані в таблицях форм для різних точок і напрямків (DOF) на геометрії. Значення вібрації відображаються у вигляді прискорення, швидкості або переміщення, з піковим, середньоквадратичним або середньоквадратичним масштабуванням, а також в одиницях СІ або в англійських одиницях.

Умови експлуатації можуть бути визначені, наприклад, швидкістю обертання різних частин машини, а також навантаженням, тиском і потоком, яким піддається машина або конструкція. Зміна умов призводить до різних моделей вібрації.

Вібраційні сигнали, які спостерігаються, містять комбінацію зовнішніх сил, що діють на конструкцію, внутрішніх сил, що генеруються, і динамічних властивостей конструкції, що визначаються її модальними параметрами. У резонансних точках сили значно посилюються, що призводить до великих рівнів вібрації. Це може призвести до чого завгодно – від дискомфорту під час керування автомобілем до структурних пошкоджень з катастрофічними наслідками, такими як падіння літаків і мостів. Отже, визначення структурних резонансних частот і того, як сили їх збуджують, є дуже типовим сценарієм використання для ODS аналізу.

При ODS аналізі ми спостерігаємо вихід конструкції X i (ω) в різних DOF. Зовнішні та внутрішні сили F(ω) і функції частотної характеристики H(ω), що представляють динамічні властивості конструкції, не вимірюються.

Вимірювання вібрації і візуалізація форм прогину як функції часу або на певних частотах чи порядках дає набагато краще розуміння потенційної проблеми або проектних міркувань, ніж просто погляд на виміряні рівні вібрації. Таким чином, це допомагає інженерам знаходити більш оптимальні рішення. Отже, ODS аналіз часто є першим кроком до аналізу поведінки конструкцій (структурної динаміки) для багатьох користувачів.

Сценарії використання ODS-аналізу

Оскільки ви вимірюєте лише вихідну потужність конструкції, ODS-аналіз можна виконувати для будь-якої конструкції (лінійної або нелінійної), збудженої будь-яким типом сигналу (наприклад, стаціонарним, квазістаціонарним або нестаціонарним) і з будь-яким типом граничних умов (від вільно-вільних до фіксованих).

Це робить ODS аналіз дуже простим у використанні. На відміну від модальних випробувань, для вибору правильних сигналів збудження і граничних умов не потрібно проводити попередній аналіз, а під час вимірювання не застосовується штучне вхідне збудження за допомогою ударних молотків або модальних вібростендів. Однак, оскільки не створюється модель, як при модальному випробуванні, не можна передбачити вібраційні реакції за інших умов. Отже, якщо умови змінюються, необхідно проводити вимірювання знову.

Застосування ODS-аналізу дуже різноманітне. Від перевірки конструкції, встановлення цілей і бенчмаркінгу до усунення несправностей, контролю якості та моніторингу стану машини. Типові сценарії використання включають:

• Валідація прогнозів МСЕ на основі симуляцій примусової реакції шляхом порівняння їх з виміряними даними ODS

• Порівняння виміряних значень шуму і вібрації з еталонними значеннями

• Забезпечення того, що структурні резонанси не збуджуються і критичні швидкості не виникають

• Виявлення і розділення обертального і структурного шуму і вібрації, що походять від обертових і нерухомих частин відповідно

• Зв’язок шумового випромінювання з структурною вібрацією

• Зменшення надмірного шуму і вібрації

• Дослідження зносу машини, що призводить, наприклад, до дисбалансу, знос машин, що призводить до дисбалансу, перекосу валів та брязкоту

• Аналіз перехідних явищ, таких як грюкання дверей, вибухи, запуски та стрільба, удари при падінні

• Аналіз машин, що працюють з постійною або злегка змінною швидкістю

• Аналіз нелінійних систем та виконання частотно-варіаційного аналізу, таких як запуск/зупинка двигуна

• Моніторинг будівельних конструкцій, які зазнають впливу зовнішніх сил, таких як хвилі на морських спорудах, вітрове навантаження на будівлях, а також вплив транспортного потоку на мости

ODS аналіз

За допомогою BK Connect можна виконати усі три види аналізів ОРВ: Часовий аналіз ОРҐ, спектральний ODS аналіз та нестаціонарний ODSаналіз ОРҐ.

• Часовий ODS

Часовий ODS використовується для дослідження картини коливань конструкції в залежності від часу. Часовий ODS включає всі частоти в аналізованому діапазоні частот і є дуже корисним для відображення загального ODS в певний момент часу для стаціонарних або нестаціонарних сигналів, наприклад, перехідних сигналів.

• Спектральний ODS

Спектральний ODS використовується для дослідження картини коливань конструкції для певних частотних компонентів або компонентів порядку. Для дослідження частотної складової використовується БПФ-аналіз, а умови повинні бути стаціонарними. Для дослідження компонент порядку використовується відстеження порядку, а умови можуть бути злегка квазістаціонарними, наприклад, незначна зміна частоти обертання двигуна. Згодом витягується ODS різних спектральних компонентів, показується у формі таблиці та анімується.

• Нестаціонарний ODS

Нестаціонарний ODS використовується для дослідження вібраційної картини конструкції для певної частоти або компонентів порядку як функції швидкості обертання або часу. Результати ґрунтуються на БПФ-аналізі або відстеженні порядку. Нестаціонарний ODS дуже корисний для визначення того, які шуми і вібрації пов’язані з обертовими, а які з нерухомими частинами машин, що працюють. Найчастіше використовується варіант нестаціонарного ODS, коли двигун запускається і зупиняється.

BK Connect Time ODS аналіз рами автомобіля. Можна вибрати часовий діапазон і прокрутити його під час анімації вібраційних патернів. Для пропуску зразків можна застосувати коефіцієнт децимації. Вібрація в різних точках DOF може бути збережена в дискретному часі в таблиці форм.

BK Connect Спектральний ODS аналіз рами автомобіля (2). Фігури анімуються шляхом вибору частот/порядків у спектрах, а патерни вібрації задокументовані у вигляді таблиці форм для легкого пошуку та порівняння. Вібрація в різних точках DOF може бути показана як прискорення, швидкість або переміщення з масштабуванням за піком, від піку до піку або середньоквадратичним значенням. Можна використовувати одиниці СІ або імперські одиниці. BK Connect Time ODS аналіз рами автомобіля. Можна вибрати часовий діапазон і прокрутити його під час анімації вібраційних патернів. Коефіцієнт децимації може бути застосований для пропуску зразків. Вібрація в різних точках DOF може бути збережена в дискретному часі в таблиці форм.

BK Connect ODS аналіз спрощеної запуску та зупинки рами автомобіля. Фігури анімуються шляхом вибору комбінацій частота/порядок та оберти/час на контурному графіку. У цьому випадку використовується Run-up ODS на основі БПФ, де похилі лінії представляють порядки, а вертикальні лінії – структурні резонанси. Що стосується спектрального ОРВ, то вібраційні патерни можуть бути задокументовані у вигляді таблиці форм.

Прилади для ODS аналізу

Оскільки вимірюється лише потужність конструкції/машини, прилади для ODS аналізу є відносно простими і недорогими. Необхідними інструментами є система збору даних з апаратним забезпеченням, програмне забезпечення для вимірювання та аналізу, датчики реакції (як правило, акселерометри) і, можливо, таходатчик. Таходатчик потрібен, якщо ви проводите ОРВ аналіз на машинах з незначними коливаннями швидкості, де необхідно відстежувати порядок, щоб уникнути розмивання частот. Або вам може знадобитися таходатчик для коментування тестів на розгін/згін за допомогою тегів RPM, навіть якщо відстеження замовлень не виконується.

Системи для ODS аналізу варіюються від простих 2-канальних систем з рухомими акселерометрами до систем з сотнями акселерометрів для вимірювання на складних структурах з одночасним вимірюванням всіх DOF.

Приклад системи ODS, що складається з акселерометрів, таходатчика, апаратного та програмного забезпечення для збору даних.

Оскільки виміряні вібрації під час ODS випробувань часто невідомі, важливо приділяти особливу увагу уникненню перевантажень і ситуацій з недостатнім діапазоном. Багато чого можна зробити, постійно виконуючи пробні запуски і відповідно змінюючи вхідні атенюатори. Але для підвищення ефективності та якості даних найкращим рішенням є використання системи збору даних з високим динамічним діапазоном, що відповідає використовуваним перетворювачам.

Крім того, при виконанні ODS випробувань на великих конструкціях, таких як великі машини, кораблі, поїзди, мости і будівлі, завдання з прокладання кабелів може бути величезним. Щоб зменшити витрати на кабелі, спростити налаштування тесту і усунути ризик помилок, може бути дуже корисним використання розподіленого обладнання для збору даних, яке може бути розташоване близько до точок вимірювання і підключене або через прості стандартні кабелі локальної мережі, або через бездротову мережу.

При виконанні ODS випробувань на великих конструкціях перші вібраційні патерни, що становлять інтерес, можуть бути на досить низьких частотах, близьких до 0 Гц. Отже, як обладнання для збору даних, так і акселерометри повинні підтримувати вимірювання аж до постійного струму в цих випадках.

Щодо акселерометрів, то багато вимог до інших структурних випробувань, таких як модальні випробування, застосовуються і тут. Параметри, які слід враховувати, варіюються від динамічного діапазону, частотного діапазону і чутливості до малої ваги, щоб уникнути масового навантаження і легкого монтажу за допомогою аксесуарів, таких як затискачі і підставки. Також можуть застосовуватися специфічні вимоги, такі як діапазон високих температур, герметичність, міцність і т.д.

Рішення ODS аналізу від HBK

HBK пропонує комплексні рішення для всіх трьох типів ODS аналізу – від акселерометрів і таходатчиків до систем збору даних з апаратним забезпеченням і програмним забезпеченням для вимірювань і аналізу. Наші системи збору даних базуються на нашому обладнанні LAN-XI, яке може бути сконфігуроване як єдиний інтерфейс або як розподілена система, а також на нашому програмному забезпеченні BK Connect, орієнтованому на користувача.

ODS-аналіз є одним з декількох взаємодоповнюючих застосувань в рамках структурної динаміки. HBK також пропонує комплексні рішення для класичного модального аналізу, оперативного модального аналізу, кореляції моделей, моніторингу стану конструкції та аналізу реакції на удари.

Дізнайтеся більше та перегляньте записи наших вебінарів про аналіз ОРР та інші застосування структурної динаміки:

ODS-аналіз (застосування та рішення)

Структурна динаміка (застосування та рішення)