Experiment´aln´ı v´yzkum vibrac´ı Experiment´aln´ı mechanika (KME/EXM) Katedra mechaniky, Fakulta aplikovan´ ych vˇed Z´ apadoˇcesk´a univerzita v Plzni Zpracovali: Jan Skala a Pavel Vr´atn´ık
1
Mˇ eˇ r´ıc´ı potˇ reby 1. r´ azov´e klad´ıvko B&K Type 8202, 2. akcelerometr B&K 4506 B, 3. analyz´ ator sign´ alu B&K Type 2827–002, 4. B&K PULSE LabShop.
2
Obecn´ aˇ c´ ast
Laboratorn´ı cviˇcen´ı bude vˇenov´ ano anal´ yze vlastn´ıch tvar˚ u a vlastn´ıch frekvenc´ı ˇzelezn´eho nosn´ıku o rozmˇerech 1008, 5×29, 5×9, 5 mm, kter´ y je volnˇe zavˇeˇsen. Znalost vlastn´ıch frekvenc´ı je d˚ uleˇzit´a z konstrukˇcn´ıho hlediska, je-li konstrukce buzena frekvenc´ı bl´ızkou frekvenci vlastn´ı, nast´avaj´ı na konstrukci neˇz´ adouc´ı jevy a je moˇzn´ a i jej´ı u ´pln´a destrukce. Ze znalosti tˇechto parametr˚ u lze usoudit, zda bude konstrukce vystavena p˚ usoben´ı nebezpeˇcn´ ych bud´ıc´ıch sil a pokud ano, lze tyto parametry u ´pravami v n´ avrhu modifikovat. Ke kaˇzd´e vlastn´ı frekvenci n´aleˇz´ı pˇr´ısluˇsn´ y vlastn´ı tvar, coˇz je kmitaj´ıc´ı pohyb, kter´ y dominuje pˇri buzen´ı bl´ızk´emu pˇr´ısluˇsn´e vlastn´ı frekvenci. Pro ˇreˇsen´ı tohoto modelov´eho pˇr´ıkladu bude pouˇzita platforma PULSE sest´avaj´ıc´ı se z v´ yˇse uveden´ ych mˇeˇr´ıc´ıch potˇreb.
3
Pracovn´ı u ´ kol 1. Upevnˇete nosn´ık k r´ amu pomoc´ı gumov´ ych z´avˇes˚ u. 2. Sestavte mˇeˇr´ıc´ı aparaturu sest´ avaj´ıc´ı se z r´azov´eho klad´ıvka, akcelerometru, analyz´atoru sign´ alu, poˇc´ıtaˇce a upevnˇete akcelerometr na nosn´ık dle pokyn˚ u. 3. Otevˇrete soubor projektu v aplikaci PULSE LabShop a spust’te mˇeˇren´ı. Postupujte dle seznamu mˇeˇr´ıc´ıch bod˚ u na obrazovce a z´ıskejte pˇrenosov´e funkce. 4. Zpracujte namˇeˇren´ a data v ME’scopeVES.
4 4.1
Pˇ r´ıprava mˇ eˇ ren´ı Nosn´ık
Nosn´ık zavˇeˇsen´ y na r´ amu pomoc´ı gumov´ ych z´avˇes˚ u (obr. 1). Na nosn´ık um´ıstˇete akcelerometr do pˇripraven´eho drˇz´ aku tak, ˇze smˇer osy x je totoˇzn´ y se smˇerem stˇrednice nosn´ıku a osa z byla orientov´ ana svisle vzh˚ uru. Na trojos´em sn´ımaˇci jsou osy a jejich orientace vyznaˇceny.
1
Obr´ azek 1: Zavˇeˇsen´ı nosn´ıku k r´amu a um´ıstˇen´ı akcelerometru na nosn´ıku.
4.2
Zpracov´ an´ı sign´ al˚ u
Frame, sdruˇzuj´ıc´ı jednotliv´e funkˇcn´ı moduly, je nap´ajen ze s´ıt’ov´eho adapt´eru B&K ZG 0400 zapojen´eho do zd´ıˇrky Ext. Power (na obr. 2 modr´a), s poˇc´ıtaˇcem je spojen bˇeˇzn´ ym s´ıt’ov´ ym kabelem – konektor LAN (zelen´ a). Pro mˇeˇren´ı pouˇzijte trojos´ y sn´ımaˇc, jehoˇz tˇri v´ ystupy ve smˇerech x, y, z vyznaˇcen´ ych na kabelu pˇripojte do I/O modulu Type 3109 v poˇrad´ı do vstup˚ u 1, 2, 3 (ˇzlut´a), kabel z r´ azov´eho klad´ıvka pˇripojte na vstup ˇc. 4 (ˇcerven´a). Frame po pˇripojen´ı periferi´ı uved’te do provozu stisknut´ım tlaˇc´ıtka On/Off (azurov´ a).
Obr´ azek 2: Um´ıstˇen´ı ovl´adac´ıch prvk˚ u a konektor˚ u.
2
4.3
Aplikace PULSE LabShop
Spuˇ stˇ en´ı:
Nab´ıdka Start — Vˇsechny programy — PULSE — PULSE LabShop
Otevˇ ren´ı souboru projektu: Po spuˇstˇen´ı programu vyberte z nab´ıdky okna New Project poloˇzku Open existing project. . . a otevˇrete soubor projektu xxxx v um´ıstˇen´ı yyyyy. Po stisknut´ı tlaˇc´ıtka Open se otevˇre z´ aloˇzka (Task) Measurement, ve kter´e jsou vˇsechny n´astroje pro ovl´ad´an´ı vlastn´ıho mˇeˇren´ı.
4.4
Pˇ r´ıprava mˇ eˇ ren´ı
Pr´ avˇe otevˇren´ y projekt je jiˇz pˇripraven k proveden´ı mˇeˇren´ı, jelikoˇz potˇrebn´a nastaven´ı, popsan´a v n´ asleduj´ıc´ı ˇc´ asti textu, jiˇz byla provedena. Na lev´em okraji obrazovky se nach´az´ı svisl´a liˇsta, kterou lze pˇrep´ınat mezi r˚ uzn´ ymi z´ aloˇzkami, ty jsou rozdˇeleny do dvou hlavn´ıch skupin: 1. Project Setup 2. Measurement Setup Project Setup
sdruˇzuje n´ astroje potˇrebn´e k pˇr´ıpravˇe mˇeˇren´ı.
Hardware Setup obsluhuje pˇripojen´ı periferi´ı. Na pracovn´ı ploˇse je tabulka obsahuj´ıc´ı seznam vstup˚ u a pˇr´ısluˇsn´ ych pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı. Ovl´ad´a se dvˇema tlaˇc´ıtky – Detect TEDS1 pro obnoven´ı informac´ı o pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ıch a Clear and Detect HW pro vymaz´an´ı veˇsker´eho nastaven´ı a nov´e detekce. Vˇetˇsina zaˇr´ızen´ı se po zapnut´ı frame detekuje automaticky, nicm´enˇe nˇekter´ a zaˇr´ızen´ı (zvl´ aˇstˇe klad´ıvka) je tˇreba nastavit manu´alnˇe. K manu´aln´ımu nastaven´ı slouˇz´ı roll-down menu, ve kter´em se vyb´ır´ a druh a typ zaˇr´ızen´ı, pˇr´ıpadnˇe zad´an´ı s´eriov´eho ˇc´ısla. Geometry Task V tomto bloku se vytv´aˇr´ı geometrick´ y model objektu, kter´ y bude analyzov´ an. V naˇsem pˇr´ıpadˇe plnˇe postaˇcuje modelovat nosn´ık jako 1D prvek. Pohled lze ovl´adat typicky kombinacemi kl´ aves Ctrl, Alt, Shift s lev´ ym tlaˇc´ıtkem myˇsi. Measurement Point Task umoˇzn ˇuje pˇriˇradit jednotliv´ ym bod˚ um geometrick´eho modelu nosn´ıku fyzick´ a pozice budiˇc˚ u a sn´ımaˇc˚ u i s jejich orientac´ı na skuteˇcn´em objektu. V´ ysledkem je seznam bod˚ u, ve kter´ ych bude prov´ adˇeno buzen´ı a jemu pˇriˇrazen´e body sn´ım´an´ı. Toto z´akladn´ı ˇrazen´ı m˚ uˇze b´ yt u sloˇzit´ ych konstrukc´ı nevyhovuj´ıc´ı (napˇr. z d˚ uvodu rozd´ıln´ ych vlastnost´ı jednotliv´ ych ˇc´ ast´ı, kdy by bylo tˇreba mˇenit napˇr. citlivost zaˇr´ızen´ı). Tento probl´em lze odstranit v n´ asleduj´ıc´ı z´ aloˇzce – Measurement Sequence Task. Measurement Setup obsahuje detailn´ı nastaven´ı pˇripojen´ ych perif´eri´ı, n´astroje vlastn´ıho mˇeˇren´ı a exportu z´ıskan´ ych dat. Analyzer Setup Task nastavuje rozsah analyzovan´ ych dat, poloˇzkou Span se omezuje frekvenˇcn´ı rozsah. Lines urˇcuje m´ıru frekvenˇcn´ıho rozliˇsen´ı, Averaging – Mode urˇcuje zp˚ usob pr˚ umˇerov´ an´ı nˇekolika proveden´ ych mˇeˇren´ı v jednom bodˇe, jejichˇz poˇcet je d´an poloˇzkou Averaging – Averages. Hammer Setup Task slouˇz´ı k nastaven´ı sign´al˚ u z r´azov´eho klad´ıvka. Poloˇzka Max. peak imput nastavuje maxim´ aln´ı vstupn´ı napˇet´ı, urˇcen´e zkusmo, nˇekoliker´ ym vybuzen´ım soustavy, na pracovn´ı ploˇse se vykresl´ı ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh uˇzit´e bud´ıc´ı s´ıly a pomoc´ı Trigger – Level lze nastavit vhodnou u ´roveˇ n aktivace z´ aznamu. 1 Transducer
Electronic Data Sheet
3
Response Setup Task nastavuje maxim´aln´ı vstupn´ı napˇet´ı pro akcelerometry a v´ahov´a funkce pro mˇeˇren´ y sign´ al, z hlediska FFT2 je tˇreba sign´al zperiodizovat a z´aroveˇ n bude sign´al zbaven ˇsumu.
4.5
Postup mˇ eˇ ren´ı
Obr´azek 3: Pr˚ ubˇeh mˇeˇren´ı. Na obrazovce Measurement (obr. 3) se nach´az´ı kontroln´ı panel Measurement Control. Tlaˇc´ıtko Undo last hit pouˇzijte v pˇr´ıpadˇe, ˇze dan´e mˇeˇren´ı proˇslo validac´ı software, ale pˇresto nen´ı vhodn´e jej zapoˇc´ıtat, z d˚ uvodu n´ızk´e koherence apod. V pˇr´ıpadˇe nepoveden´eho posledn´ıho mˇeˇren´ı v dan´em bodˇe, nelze tlaˇc´ıtko Undo last hit pouˇz´ıt a je tˇreba prov´est vˇsechna mˇeˇren´ı znovu. Tlaˇc´ıtkem Save uloˇzte namˇeˇren´e hodnoty po proveden´ı vˇsech mˇeˇren´ı v dan´em bodˇe. Ve spodn´ı ˇc´asti kontroln´ıho panelu je seznam bod˚ u (Measurement 1,. . . ), ve kter´ ych bude provedeno mˇeˇren´ı. Mˇeˇren´ı bude postupovat automaticky od prvn´ıho bodu k posledn´ımu, v pˇr´ıpadˇe potˇreby se lze vr´atit a prov´est mˇeˇren´ı v dan´em bodˇe znovu. Pod panelem Measurement control se nach´az´ı model nosn´ıku. Symbol klad´ıvka ukazuje aktivn´ı bud´ıc´ı pozici. Panel Average monitor zobrazuje poˇcet u ´spˇeˇsn´ ych mˇeˇren´ı v aktivn´ım bodˇe. Panel Double hit informuje o pˇr´ıpadn´em neˇz´adouc´ım v´ıcen´asobn´em u ´deru. Kliknut´ım prav´ ym tlaˇc´ıtkem na panel se zobraz´ı informaˇcn´ı okno (obr. 4) obsahuj´ıc´ı ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh buzen´ı (Time) a zastoupen´ı frekvenc´ı v bud´ıc´ım sign´ alu (Autospectrum). C´ılem je rovnomˇern´e zastoupen´ı frekvenc´ı v ˇsirok´em rozsahu, kˇrivka by tedy mˇela b´ yt co nejhladˇs´ı a jen minim´alnˇe klesaj´ıc´ı. Na n´ ahledu se v prav´em doln´ım oknˇe (MeasDisplay2) nach´az´ı zn´azornˇen´ı koherence – z´avislosti odezvy na buzen´ı. Horn´ı okraj grafu tvoˇr´ı hodnota 1, kter´a je ide´aln´ı, pˇri n´ıˇz je odezva absolutnˇe z´ avisl´ a na buzen´ı. Vpravo nahoˇre (MeasDisplay1) je vidˇet odezva syst´emu na kmitoˇcty obsaˇzen´e v bud´ıc´ım sign´ alu. Nyn´ı m˚ uˇze zaˇc´ıt vlastn´ı mˇeˇren´ı. Mˇeˇren´ı zah´aj´ıte stisknut´ım tlaˇc´ıtka Initialize. Mˇeˇren´ı ve vybran´em bodu ze seznamu se zapoˇcne stisknut´ım tlaˇc´ıtka Start. Ve chv´ıli, kdy je program pˇripraven 2 Fast
Fourier transform
4
Obr´ azek 4: Spr´ avn´e (nalevo) a nepˇr´ıpustn´e (napravo) buzen´ı. zpracov´ avat mˇeˇren´ı, zahl´ as´ı Ready. Nyn´ı je moˇzno prov´est buzen´ı r´azov´ ym klad´ıvkem3 . Pokud je u ´der pˇr´ıliˇs slab´ y, neozve se ˇz´ adn´e hl´ aˇsen´ı, pokud je u ´der optim´aln´ı program zahl´as´ı Triggered a ˇ limˇeˇren´ı je zaznamen´ ano. Je-li u ´der pˇr´ıliˇs siln´ y ozve se hl´aˇsen´ı Overload. Casto se stane, ˇze kladivo udeˇr´ı nˇekolikr´ at za sebou, to je ozn´ ameno hl´aˇsen´ım Double hit. Ve chv´ıli, kdy jsou provedena tˇri u ´spˇeˇsn´ a mˇeˇren´ı v jednom bodˇe, je tˇreba vˇse potvrdit a uloˇzit pomoc´ı tlaˇc´ıtka Save. Program automaticky pˇreskoˇc´ı na dalˇs´ı bod a zaˇcne mˇeˇren´ı (nen´ı tˇreba znovu pouˇz´ıt tlaˇc´ıtko Start).
4.6
Export dat
Z´ aloˇzka Export poskytuje n´ astroje pro nakl´ad´an´ı se z´ıskan´ ymi daty. V tomto pˇr´ıpadˇe budete pracovat s programem ME’scopeVES. Vˇse jiˇz bylo nastaveno, zkontrolujte nastaven´ı poloˇzky Template in use na poloˇzku Modal a vyberte vˇsechny sign´aly. Stisknut´ım tlaˇc´ıtka Export jsou data odesl´ana.
4.7
Zpracov´ an´ı v´ ysledk˚ u
Okno programu bude pravdˇepodobnˇe v pracovn´ım stavu (obr. 5), pˇresto pouˇzijte tlaˇc´ıtko (Window | Arrange | For Animation). V oknˇe lab-Frequency Response Function zvolte v hlavn´ı nab´ıdce poloˇzku Modes a n´ aslednˇe Modal Parameters. V otevˇrivˇs´ım se oknˇe zvolte v nab´ıdce Format poloˇzku Overlay Traces, ˇc´ımˇz se zobraz´ı pˇrenosov´e funkce ze vˇsech proveden´ ych mˇeˇren´ı. N´azorn´e je zobrazen´ı re´ aln´e ˇci imagin´ arn´ı ˇc´ asti pˇrenosov´ ych funkc´ı (tlaˇc´ıtka Rl, Im resp. CUL Q pro zobrazen´ı obou). Pouˇzit´ım tlaˇc´ıtka (Display | Cursor | Band Cursor) vyberte na ploˇse grafu rozsah, na kter´em hodl´ ate vyhodnotit vlastn´ı frekvence. ME’scopeVES pouˇz´ıv´a k hled´an´ı vlastn´ıch frekvenc´ı metodu hled´ an´ı ˇspiˇcek (jelikoˇz se vyznaˇcuj´ı mj. extr´emem pˇrenosov´e funkce). Spust’te v´ ypoˇcet stiskem tlaˇc´ıtka Count Peaks. V prvn´ım dialogov´em oknˇe vyberte funkci, dle n´apovˇedy v oknˇe, na kter´e se provede v´ ypoˇcet. V z´ aloˇzce Frequency & Damping m˚ uˇzete urˇcit druh n´ahrady funkce, ponechte polynomi´ aln´ı a pouˇzijte tlaˇc´ıtko F&D, dialogov´e okno zobraz´ı souhrnou informaci o dosavadn´ıch volb´ ach. Do tabulky se zap´ıˇs´ı z´ıskan´e frekvence a pˇr´ısluˇsn´ y pomˇern´ yu ´tlum. Takto lze vyhodnotit v´ıce navz´ ajem disjunktn´ıch interval˚ u. V z´aloˇzce Residues & Save Shapes (obr. 6) se objevuj´ı jiˇz zn´ am´ a nastaven´ı. Vyberte z tabulky vlastn´ı frekvence, se kter´ ymi dokonˇc´ıte vyhodnocen´ı dat. Pouˇzijte tlaˇc´ıtko Residues, pro v´ ypoˇcet rezidu´ı, ud´avaj´ıc´ıch m´ıru kmit´an´ı bod˚ u ve vlastn´ım tvaru resp. jeho vizualizaci. dialogov´e okno znovu zobraz´ı souhrn. T´ım z´ısk´ate z namˇeˇren´ ych dat vlastn´ı frekvence a vlastn´ı tvary mˇeˇren´eho objektu, jeˇz uloˇz´ıte do nov´eho souboru Shape Table. se vrat’te zpˇet a tlaˇc´ıtkem zobrazte animaci vlastn´ıch tvar˚ u, ze kter´ ych Pouˇzit´ım tlaˇc´ıtka m˚ uˇzete vyb´ırat v oknˇe Shape Table (n´ azev okna z´aleˇz´ı na n´azvu souboru zvolen´em bˇehem ukl´ad´an´ı tvar˚ u) v prav´e doln´ı ˇc´ asti obrazovky. Je vhodn´e vypnout interpolaci zobrazen´ı, aby se zobrazily pouze v´ ysledky mˇeˇren´ı.
3 Vstupn´ ı zaˇr´ızen´ı jsou nastavena na vyˇsˇs´ı citlivost, vzhledem k tomu, ˇ ze pro buzen´ı nen´ı tˇreba velk´ e s´ıly, prov´ adˇ ejte buzen´ı s opatrnost´ı.
5
Obr´ azek 5: Hlavn´ı okno ME’scopeVES.
Obr´ azek 6: V´ ypoˇcet prvn´ıch dvou vlastn´ıch frekvenc´ı.
6
Obr´ azek 7: Hlavn´ı okno ME’scopeVES.
7
