ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE 2014 / 2015 EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA Roman Kroft Luboš Smolík
Experimentální modální analýza Příprava měření Úvod Statické a dynamické veličiny 1) Zpracování signálu 2) Citlivost snímače Experimentální pružnost 1) Elektrická odporová tenzometrie funkce tenzometru (namáhání) Experimentální dynamika 1) Snímače akcelerometr (zrychlení) 2) Měření vibrací 3) Vyvažování 4) Měření hluku
Úvod Proč experimenty? Ověření vlastností a funkcí výrobku dle norem nebo smlouvy, zkoušky ve fázi vývoje výrobku pro ověření a kontrolu matematických modelů Legislativa a normy Výstupní kontrola, přejímací řízení pro zákazníka provozní zkoušky, vibrace ČSN ISO 10 816, ČSN ISO 79 19 Povinné funkční testy drážních vozidel a jejich komponent (řídící a bezpečnostní prvnky) Zkoušky životnosti a odolnosti (únavové, seizmické zkoušky) Jaderné elektrárny klíčové komponenty, kontejnery na palivo Ochrana zdraví hlukové a vibrační limity
Úvod Co je experimentální mechanika? Experimentální mechanika je inženýrská věda, která se zabývá návrhem, prováděním a vyhodnocováním experimentů. Experimenty slouží buď pro zjištění (ověření) vlastností zkoušeného tělesa nebo validaci a verifikaci výpočtového modelu. Hlavní obory experimentální mechaniky: Modelová podobnost Experimentální mechanika o Získání signálů o Přenos signálů z experimentálního zařízení do analyzátoru nebo PC o Zpracování signálů o Vyhodnocení
Statické a dynamické veličiny z hlediska měření Statická veličina se v čase mění relativně pomalu. Statickou veličinu lze popsat jednou hodnotou (číslem). Statické veličiny souvisí se stavem (teplota, délka, atmosférický tlak). Dynamická veličina se v čase mění (velmi) rychle. Dynamickou veličinu nelze popsat jednou hodnotou Dynamické veličiny souvisí s rychlými ději (šíření vln, kmitání, akustický tlak). Statická a dynamická veličina může mít stejnou inženýrskou jednotku: celkový tlak = atmosférický tlak + akustický tlak (100000 Pa) (0,00002 2 Pa)
Zpracování signálu Frekvenční analýza Pomocí vhodného matematického aparátu se data z časové oblasti převedou do frekvenční: nástroj: diskrétní Fourieorova transformace, proč diskrétní: data jsou zpracovávána digitálně, tj. funkce nemohou být spojité.
Zpracování signálu Frekvenční analýza Převod do frekvenční oblasti je výhodný především u složitých dějů. Nevýhoda: Předpokládá se, že signál v časové oblasti je periodický! Tj. u neperiodickýchdějů je nutné děj rozdělit a posuzovat oblasti zvlášť (každá bude ve frekvenční oblasti vypadat jinak).
Většinu mechanických veličin nelze měřit přímo měří se elektrické veličiny. Analyzátor slouží k převodu (analogových) elektrických veličin na (digitální) mechanické veličiny. Převod analogová digitální veličina: A/D převodník: o vzorkovací frekvence (v D signálu jsou frekvence nižší než je polovina vzorkovací frekvence), o rozlišení. Převod elektrická mechanická veličina: Citlivost snímače, kde je citlivost snímače (měřicího řetězce).
Experimentální pružnost - Fotoelasticimetrie Úkolem experimentální pružnosti je zjištění deformací či napětí tělesa. Měří se téměř výhradně na povrchu. Fotoelasticimetrie bezkontaktní optická metoda je třeba mít průsvitné vzorky
Fotoelasticimetrie
Experimentální pružnost Měření namáhání konstrukce Nejčastěji používaná metoda: elektrická odporová tenzometrie Tenzometrje pasivní elektrotechnická součástka používaná k nepřímému měření mechanického napětí na povrchu součásti. Princip tenzometru: Poměrné prodloužení je měřeno pomocí poměrné změny elektrického odporu. Využití Hookeova zákona (Robert Hooke 1660, Thomas Young 1807) drátek, fólie izolační podložka R=ρ l A ρ [Ω m/ mm 2 ], [Ω mm 1 ] R Platí: R = k l, kde l l l =ε odpor vodiče měrný odpor k je deformační součinitel (určí se cejchováním, výrobce uvádí na balení )
Příklady tenzometrů odpor vodiče
Měření můstkem, převod deformace na napětí Používají se měřící můstky využívající elektrického obvodu Wheatstonovamůstku (možnost připojení kompenzačního tenzometru kompenzace teploty, ohybu apod.). akční tenz. kompenzační tenz. U U 0 = K ( R A R A R K R K + R 3 R 3 R 4 R 4 ) při R 3, R 4 = konst. U U 0 = K k (ε A ε K ) Určení napětí ze změřené deformace Hookeův zákon: σ = E ε E modul pružnosti [MPa]
Instalace tenzometrů
Statická zkouška
Dynamická zkouška Dynamické namáhání limituje životnost, spolehlivost. Pomocí dynamické zkoušky lze: určit Wöhlerovu křivku: o osa x počet cyklů, o osa y amplituda napětí, analyzovat namáhání v reálném provozu, diagnostikovat odezvu a lokalizovat kritické body, validovat / verifikovat počítačový model, získat materiálové konstanty. Příklady dynamického namáhání: ráz náraz, pád, výbuch, úder, přejezd překážky, železničního přejezdu, periodické namáhání rotující zařízení (např. čerpadla, zuby ozubených kol), periodicky se opakující pohyby (např. písty) náhodné namáhání nerovná vozovka či kolejnice, vítr, vlny, zemětřesení
Dynamická zkouška
Ukázka dynamické zkoušky Predikce napjatosti oběžné turbinové lopatky Specifikace zkoušky: oběžné kolo s 66 lopatkami (nelze měřit všechny) měření na rotorovém přípravku cíl: předejít lomu lopatky
Ukázka dynamické zkoušky Predikce napjatosti oběžné turbinové lopatky Návrh testu: výpočet v ANSYSu vytipování měřicích bodů na 6 lopatkách návrh měřicího a telemetrického řetězce (je třeba dostat signály z rotující součásti na nerotující) odzkoušení měřicího řetězce vlastní měření vyhodnocení
Měřicí řetězec Telemetrický přenos signálů pomocí sběracích kroužků Měřicí ústředna
Instalace snímačů Instalace tenzometru na špičce lopatky
Výsledky zkoušky Campbellův diagram
Experimentální dynamika Měření vibrací Hlavní téma: budící síla vs. dynamické vlastnosti konstrukce. Výsledkem působení sil na konstrukci jsou vibrace konstrukce. Problémové stavy: Tuhá, hmotná konstrukce (provozní pásmo bez rezonancí) vs. velká budící síla Obecná konstrukce (s rezonancemi) vs. budící síla Málo tlumená, lehká konstrukce (výrazné rezonance) vs. malá budící síla Řešení: snížení, odstranění budících sil úprava konstrukce pro přeladění vlastní frekvence M, B, K Vibrující konstrukce je samozřejmě namáhána, přímo měříme tenzometry
Experimentální dynamika Snímače vibrací Kontaktní: mechanické indukční piezoelektrické (akcelerometry) Bezkontaktní: optické (laserové) magnetické indukční mechanické
Experimentální dynamika Snímače dráhy Nejčastější jako bezdotykové měření pro relativní rotorové vibrace: kluzná ložiska dráha středu hřídele a orbit (kroužení hřídele) Princip elektromagnetické jevy závislé na délce.
Experimentální dynamika Snímače rychlosti Kontaktní indukční snímače (magnetická síla: ) Bezkontaktní laserový Dopplerův vibrometr
Experimentální dynamika Akcelerometry Kontaktní piezoelektrické snímače (setrvačná síla: ) Fungují na principu piezoelektrického jevu (v piezomateriálech se při deformaci tvoří na povrchu elektrický náboj) Konstrukčně je seismická hmota spojena s piezokeramickýmmateriálem, který je dále spojen s tělesem akcelerometru. Při pohybu snímače seismická hmota vlivem své setrvačnosti mechanicky namáhá piezokeramickýčlen, měřen je elektrický náboj ne napětí. Seismic mass známá hmota Crystal element piezomateriál Base tělo akceletometru Mounting Stud připojovací místo snímače
Experimentální dynamika Typy akcelerometrů
Experimentální modální analýza EMA Pro známé buzení měříme odezvu konstrukce (většinou snímači zrychlení). Výsledkem jsou přenosové funkce popisující přenos energie z místa buzení do místa měření. Jejich analýzou získáme modální vlastnosti, tj. vlastní frekvence a vlastní tvary popisující kmitání měřené struktury a tlumení Příklady použití: diagnostika strojů nalezení rezonancí, určení tvarů kmitu návrh konstrukce ověření výpočtů, posouzení konstrukčních úprav
Experimentální modální analýza EMA Modální vlastnosti struny hudebního nástroje: vlastní frekvence frekvence, se kterou struna rezonuje poté, co jí rozechvějeme prstem vlastní tvar charakter vibrací struny při rezonanci modální útlumy souvisí s dobou, po kterou se struna chvěje Modální vlastnosti složitějšího tělesa: většinou nelze rozpoznat pomocí smyslů k jejich analyzování je potřeba měřící techniky
Experimentální modální analýza Příprava měření Měřící technika realizace buzení a snímače odezvy s určitou citlivostí a rozsahem Měřící síť poloha jednotlivých bodů měřící sítě poloha referenčního bodu Měřící metoda místo buzení je pevné nebo pohyblivé Upevnění tělesa těleso je zavěšeno do prostoru nebo uloženo na poddajnou hmotu
Experimentální modální analýza Realizace buzení Různá impulzní kladívka Modální budič
Experimentální modální analýza Měřicí síť Příklad měřící sítě 3D model analyzovaného tělesa
Experimentální modální analýza Vlastní tvar kmitu Vlastní tvar nádoby transformátoru na frekvenci 16,3 Hz.
Experimentální modální analýza Vlastní tvar kmitu Vlastní tvar nádoby transformátoru na frekvenci 38,8 Hz.
Experimentální modální analýza Vlastní tvar kmitu Čela vinutí statoru generátoru.
Dynamická (rezonanční) analýza buzení neusměrněnou silou Dynamická zkouška betonového základu TG bez technologie.
Dynamická (rezonanční) analýza buzení neusměrněnou silou Výsledky zkoušky vertikální odezva.
Měření provozních vibrací a provozníhoho tvaru kmitu Filozofie měření podobná experimentální modální analýze. Je potřeba zvolit vhodné snímače a navrhnout měřící síť. Buzení je realizováno provozními silami nevývaha, elektromagnetické síly, proudění tekutiny, rázy v ozubení. Výsledky měření za provozu: stanovení (a klasifikace tam, kde je určeno normou) provozních vibrací, vizualizace kmitání stroje při provozu, provozní tvar kmitu (skládá se z různých vlastních tvarů).
Propojení měření vibrací a (dynamického) namáhání Měření charakteristik kolejových tratí a jejich následné využití při simulovaném zatěžování ve zkušebně.
Měření hluku a provozního tvaru kmitu pomocí laseru
Vizualizace provozního tvaru kmitu.
Vizualizace provozního tvaru kmitu.
Vyvažování rotačních strojů Nevyvážené stroje jsou hlučnější, více vibrují zkrácení životnosti, vibrace se dále přenášení do okolí. V principu se při vyvažování snažíme o dosažení symetrického rozložení hmoty kolem osy rotace. V opačném případě nám vznikají rotující vektory odstředivých sil od nevývažků, které způsobují vibrace rotujícího stroje.
Zvuk mechanické vlnění v prostředí (tlakové pulzace) souvislost s vibracemi. Hluk zvuk škodlivý svou nadměrnou intenzitou či subjektivně nepříjemný Měříme akustický tlak pomocí mikrofonů změny tlaku jsou zaznamenávány poddajnou membránou jejíž deformace jsou elektricky snímány. Kvůli velkému rozsahu akustického tlaku se používá logaritmická stupnice. Příklady měření: Měření hluku, akustika hygienická v místech s vysokou hlučností (letiště, hlučné stroje, provozy, u diskoték, silnic), tvorba hlukových map za účelem lokalizace zdrojů hluku měření zvukových vlastností materiálů (např. pohltivost, neprůzvučnost) měření akustických vlastností ozvučovací techniky (reprobedny, mikrofony, )
Měření hluku za provozu Schématické zobrazení polohy měřících bodů při měření hluku
Shrnutí Experimentální mechanika se zabývá návrhem, prováděním a vyhodnocení, experimentů. Experimentyslouží buď pro zjištění (ověření) vlastností zkoušeného tělesa nebo validaci a verifikaci výpočtového modelu. Mechanické veličiny jsou často měřeny nepřímo pomocí elektrických veličin. Dynamické veličiny se obvykle zkoumají ve frekvenční oblasti. Experimentální data jsou málokdy spojitá kvůli digitálnímu zpracování. Experimentální pružnost zkoumá deformační (napjatostní) stav povrchu tělesa. Deformace se měří tenzometrem, napětí se přepočítává pomocí Hookeova zákona. Experimentální dynamikazkoumá dynamické vlastností struktur a vnější projevy sil působících na tělesa. Vibrace se měří kontaktními i bezkontaktními snímači, nejširší nasazení mají piezoelektrické akcelerometry (snímače zrychlení). Experimentální modální analýza je postup pro určení vlastních frekvencí a tvarů.
Bonus - havárie Uražení lopatek Roztržení hřídele
Havárie generátoru
Strojovna vodní elektrárny Sayano-Shushenskaya(Rusko), 25. 6. 2009
Strojovna vodní elektrárny Sayano-Shushenskaya(Rusko), 17. 8. 2009
Poškozený generátor ve zničené strojovně, 17. 8. 2009