بخشی از مقاله
چکیده
به منظور اکتساب دادههای با کیفیت در تستهای مودال، باید به برهمکنش بین سازه تحت تست و ابزارآلات مورد استفاده در تست، توجه کافی نمود. خطاهای اندازهگیری میتوانند به دلایل مختلفی شامل اثر بارگذاری جرم ترنسدیوسر، برهمکنش شیکر و سازه و اثر شرایط مرزی سازه تحت تست ایجاد شوند. در این مقاله به بررسی آثار شیکر الکترودینامیکی و ترنسدیوسر نیرویی موجود در آزمایشگاه ارتعاشات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی هوافضا بر فرکانسهای طبیعی به دست آمده، پرداخته شده است.
این آثار با انجام تست شیکر و چکش بر روی سه سازه با انعطافپذیریهای متفاوت و همچنین مدلسازی و تحلیل المان محدود سازه تحت تست، مطالعه و تحلیل شدهاند. نتایج این مطالعات نشان داد که با مرجع قرار دادن نتایج آنالیز مودال تست چکش، تغییرات ایجاد شده بر روی فرکانسهای طبیعی ناشی از تست با شیکر که شامل آثار ترنسدیوسر نیرویی، استینگر و خود شیکر است، ناچیز است . به طوری که، چگونگی و میزان اثرگذاری جزئی این منابع وابسته به میزان جابجایی سازه در هر مود و ویژگیهای سازه در نقطه اتصال به تجهیزات تست است.
1. مقدمه
استفاده از شیکر و چکش دو روش برای تحریک سازه در تست مودال است. در تست شیکر برخلاف تست ضربه، شیکر با استفاده از استینگر به سازه متصل میگردد، علاوه بر این، ترنسدیوسر نیرویی نیز برای اندازهگیری پاسخ به سازه متصل میشود. مشکل این چیدمان این است که ویژگیهای مکانیکی شیکر - و استینگر - با سازه برهمکنش دارد، که باعث برخی مسائل اندازهگیری میشود. یکی از مسائل مربوط به استفاده از شیکر تأثیر آن بر سازه میباشد. داشتن جرم، سختی و میرایی میتواند منجر به تغییر در امپدانس در گره اتصال شود که میتواند قلههای پاسخ را جابجا کند و دامنهها را در FRFهای تخمین زده شده تغییر دهد.
این موضوع در مرجع [1] مطالعه شده و به این نتیجه رسیدهاند که هر چه جرم آرمیچر شیکر - قسمت محرک شیکر - کمتر باشد، اثر امپدانس شیکر بر اندازهگیریها کمتر خواهد بود. مرجع [2] مطالعات گستردهای بر دینامیک محرک و برهمکنش آن با سازه تحت تست انجام داده است. در این تحقیق چندین الگوی تئوری برای توضیح برهمکنشهای مکانیکی بین محرک و سازه تحت تست آزاد یا مقید توسعه داده شده است. علاوه بر این، ویژگیهای الکتریکی سیستم تقویتکننده توان محرک در مدت زمان تست، بررسی و اختلاف اساسی در زمان استفاده از تقویتکننده توان در مود جریان یا ولتاژ نشان داده شده است. در مرجع [3] آثار انواع مختلف سیگنال تحریک و جرم متحرک شیکر بر روی ویژگیهای مودال تجربی یک صفحه آلومینیومی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.
با انجام تست چکش، شیکر و مدلسازی اجزای محدود صفحه، این آثار بر روی شکل مودها، فرکانسها و میراییهای مودال و جرم تعمیمیافته1 محاسبهشده، بررسی شده است. در مرجع [4] نیز آثار دینامیکی دو روش مختلف تحریک - تست چکش و شیکر - بر روی رفتار دینامیکی سازه تحت تست، مورد بررسی قرار گرفته که در این مرجع بعد از مدلسازی منابع خطا در مدل اجزای محدود، فرکانسهای طبیعی و توابع پاسخ فرکانسی به دست آمده از تست شیکر، چکش و تحلیل اجزای محدود مورد مقایسه قرار گرفته است.
در مرجع [5] نیز با مقایسه نتایج به دست آمده از تست شیکر با دو شیکر متفاوت، تست چکش و تحلیل اجزای محدود یک تیر، برهمکنش بین محرک الکترودینامیک و سازه تحت تست مورد مطالعه قرار گرفته و همچنین با قرار گرفتن یک جرم کوچک و یک شتابسنج بسیار کوچک بر روی میز شیکر، تستی برای استخراج پارامترهای دینامیکی شیکر انجام شده است. بررسی تحقیقات انجامشده در گذشته نشان میدهد که امکان بروز خطا در نتایج به دست آمده از تست وجود دارد.
بنابراین با توجه به این که تستهای مودال انجام شده در آزمایشگاه تحقیقاتی ارتعاشات و سیستمهای دینامیکی دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر در راستای کاربردهایی از تست مودال مانند شناسایی رفتار غیرخطی مواد است که نیازمند دقت بالایی هستند، در مقاله حاضر به بررسی خطاهای ایجاد شده در فرکانسهای طبیعی به دست آمده از تست شیکر پرداخته شده که این امر با انجام تست شیکر و چکش محقق شده، به طوری که با مرجع قرار دادن تست چکش، نتایج مقایسه و تحلیل شده است. همچنین برای درک بهتر رفتار دینامیکی مشاهده شده، سازه تحت تست و منابع خطا در نرمافزار اجزای محدود، مدلسازی و تحلیل مودال شدهاند.
.2 رویه تست و مدلسازی اجزای محدود
برای بررسی آثار استفاده از شیکر به عنوان منبع تحریک، تست شیکر و چکش بر روی یک تیر فولادی، یک صفحه آلومینیومی و یک صفحه فولادی انجام شده و فرکانسهای طبیعی به دست آمده از تست شیکر با مرجع قرار دادن نتایج تست چکش، مورد ارزیابی قرار گرفتهاند. مدلسازی اجزای محدود در نرم افزار انسیس نیز در جهت درک بهتر آثار دینامیکی منابع خطا انجام شده است. انجام تست بر روی چند سازه با توجه به این نکته بوده است که خود سازه تحت تست نیز در میزان اثرگذاری منابع خطا در نتایج تست مودال اثرگذار است، به طوریکه معمولاً هر چه سازه انعطافپذیرتر و نسبت به تجهیزات تست سبکتر باشد، آثار منابع خطا بیشتر دیده میشود. مراحل طی شده برای هر یک از سازههای مورد تست در زیرآورده شده است:
1. ساختن مدل اجزای محدود سازه مورد تست و منابع خطا و تحلیل مودال آن برای درک رفتار دینامیکی سازه؛
2. آماده سازی و راه اندازی چیدمان تست؛
3. انجام تست و ذخیره توابع پاسخ فرکانسی برای تعداد نقاط داده برداری کافی - تعیین تعداد نقاط کافی میتواند با توجه به تحلیل اجزای محدود تعیین شود - ؛
4. انجام تحلیل مودال و استخراج پارامترهای مودال شامل میرایی، فرکانس طبیعی و شکل مودها با استفاده از نرمافزار ICATS؛
5. بررسی شکل مودها و محاسبه معیار تضمین مودال برای مقایسه نتایج به دست آمده از تست و تحلیل اجزای محدود در ادامه نحوه مدل سازی منابع خطا و سازه تحت تست در نرم افزار المان محدود و چگونگی تست سه سازه مورد بررسی، آورده شده است:
1,2 مدل اجزای محدود شیکر
برای درک بهتر آثار شیکر و چگونگی مدل سازی آن، ابتدا ساختار شیکر و روش کارکرد آن، مطالعه خواهد شد. شیکرهای الکترودینامیکی منابع اصلی تحریک برای اندازهگیریهای دینامیکی سازه بوده و یک چیدمان کامل برای تحریک سازه تحت تست، شامل شیکر، تقویتکننده توان و تولیدکننده سیگنال میباشد. مطابق شکل 1، شیکر الکترودینامیکی چیزی نیست جز یک کویل الکتریکی که به وسیله جریان الکتریکی وادار به حرکت در یک میدان مغناطیسی میشود. نیروی تولید شده توسط این شیکر الکترودینامیکی وابسته به شار مغناطیسی، طول کویل و جریان عبوری از کویل است. [6] برای فهم بهتر کار تقویتکنندههای متفاوت، بهتر است به معادلات حاکم بر شیکرهای الکترودینامیکی نگاه دقیق تری داشت. یک شماتیک ساده از مدار الکترومکانیکی شیکر در شکل 2 نیز نشان داده شده است.
