2015 EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE 2014 / 2015

EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA

Roman Kroft Luboš Smolík

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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 do modelování v mechanice (KME/UMM) 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 do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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 (100 000 Pa)

+

akustický tlak (0,00002 – 2 Pa)

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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 neperiodických dějů je nutné děj rozdělit a posuzovat oblasti zvlášť (každá bude ve frekvenční oblasti vypadat jinak).

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Citlivost snímače 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: , kde je citlivost snímače (měřicího řetězce).

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální pružnost – Měření namáhání konstrukce Nejčastěji používaná metoda: elektrická odporová tenzometrie Tenzometr je 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) l R= ρ odpor vodiče A měrný odpor ρ [Ω m/ mm2 ] , [Ω mm− 1 ] ∆R ∆l ∆l =k , kde Platí: =ε R l l k … je deformační součinitel (určí se cejchováním, drátek, izolační podložka fólie výrobce uvádí na balení )

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Příklady tenzometrů

odpor vodiče

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Měření můstkem, převod deformace na napětí Používají se měřící můstky – využívající elektrického obvodu Wheatstonova můstku (možnost připojení kompenzačního tenzometru – kompenzace teploty, ohybu apod.). akční tenz.

kompenzační tenz.

∆R A ∆R K ∆R 3 ∆R 4 ∆U =K − + − U0 RA RK R3 R4

(

při

)

R3 , R 4 = konst .

∆U = K k (ε A− ε K ) U0

Určení napětí ze změřené deformace – Hookeův zákon: σ = E ε E … modul pružnosti [MPa]

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Instalace tenzometrů

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Statická zkouška

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Dynamická zkouška

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Měřicí řetězec

Telemetrický přenos signálů pomocí sběracích kroužků

Měřicí ústředna

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Instalace snímačů

Instalace tenzometru na špičce lopatky

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Výsledky zkoušky – Campbellův diagram

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální dynamika – Snímače vibrací Kontaktní: • mechanické • indukční • piezoelektrické (akcelerometry)

Bezkontaktní: • optické (laserové) • magnetické • indukční • mechanické

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální dynamika – Snímače rychlosti • Kontaktní indukční snímače (magnetická síla: • Bezkontaktní laserový Dopplerův vibrometr

)

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální dynamika – Akcelerometry •

Kontaktní piezoelektrické snímače (setrvačná síla:

)

•

Fungují na principu piezoelektrického jevu (v piezo materiálech se při deformaci tvoří na povrchu elektrický náboj)

•

Konstrukčně je seismická hmota spojena s piezokeramickým materiálem, který je dále spojen s tělesem akcelerometru. Při pohybu snímače seismická hmota vlivem své setrvačnosti mechanicky namáhá piezokeramický člen, měřen je elektrický náboj ne napětí.

Seismic mass – známá hmota Crystal element – piezomateriál Base – tělo akceletometru Mounting Stud – připojovací místo snímače

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální dynamika – Typy akcelerometrů

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální modální analýza – Realizace buzení

Různá impulzní kladívka

Modální budič

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální modální analýza – Měřicí síť

Příklad měřící sítě

3D model analyzovaného tělesa

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Experimentální modální analýza – Vlastní tvar kmitu

Vlastní tvar nádoby transformátoru na frekvenci 16,3 Hz.


Vlastní tvar nádoby transformátoru na frekvenci 38,8 Hz.


Čela vinutí statoru generátoru.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Dynamická (rezonanční) analýza – buzení neusměrněnou silou Dynamická zkouška betonového základu TG bez technologie.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Dynamická (rezonanční) analýza – buzení neusměrněnou silou

Výsledky zkoušky – vertikální odezva.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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).

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Propojení měření vibrací a (dynamického) namáhání Měření charakteristik kolejových tratí a jejich následné využití při simulovaném zatěžování ve zkušebně.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM)

Měření hluku a provozního tvaru kmitu pomocí laseru


Vizualizace provozního tvaru kmitu.


Vizualizace provozního tvaru kmitu.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Měření hluku, akustika 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: •

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, …)

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Měření hluku za provozu

Schématické zobrazení polohy měřících bodů při měření hluku

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) Shrnutí Experimentální mechanika se zabývá návrhem, prováděním a vyhodnocení, experimentů. Experimenty slouží 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 dynamika zkoumá 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.

Úvod do modelování v mechanice (KME/UMM) 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

2015 EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA

Recommend Documents