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Ensayos modales y análisis de una pala de hélice aeronáutica
Giuseppe Basile y Giacomo Paris, estudiantes de Ingeniería Mecánica
University of Trieste, Department of Engineering and Architecture
April 8, 2026
Las mediciones de vibración in situ con acelerómetros proporcionan datos esenciales para analizar la dinámica inherente de un sistema. Usamos Dewesoft para realizar un análisis modal de una pala de hélice de aeronave, destacando sus frecuencias de resonancia y modos de vibración. Mediante las mediciones, comprendemos mejor el comportamiento dinámico de la estructura y, lo que es más importante, demostramos el valor fundamental de las mediciones experimentales.
Como dijo Kelvin, "Si no puedes medir, no puedes mejorar." En efecto, medir permite a los ingenieros tomar decisiones basadas en hechos más que en opiniones. Conocer el estado actual de un proceso es una condición necesaria para predecir su evolución y, por tanto, optimizarlo. Asimismo, las mediciones experimentales pueden responder preguntas que aún no has formulado.
Instrumentación de adquisición de datos para ensayos modales
Un ensayo modal se realiza generalmente excitando la estructura con un martillo de impacto o un shaker y luego midiendo su respuesta vibratoria con uno o más acelerómetros fijados al cuerpo estudiado.
Realizamos mediciones en un entorno controlado, el laboratorio técnico del departamento de ingeniería de la Universidad de Trieste. Usamos la siguiente instrumentación:
de 8 canales Dewesoft KRYPTON data acquisition system
Martillo de impacto con sensor de fuerza IEPE
Acelerómetro uniaxial IEPE
Configuración
En primer lugar, dentro del DewesoftX software, definimos los sensores que pretendemos usar. Tenemos:
Martillo
Primer acelerómetro (acc 1)
Segundo acelerómetro (acc 2)
Además, especificamos que todos los sensores utilizados son del tipo IEPE y que, en el caso del martillo, la magnitud física que queremos medir es una fuerza [N]. A continuación, definimos la sensibilidad de los instrumentos: para el martillo es 20 𝑚𝑉𝑁, mientras que para los acelerómetros es diez 𝑚𝑉𝑁.
Para realizar el análisis modal, seleccionamos y hacemos clic para activar un módulo de prueba, concretamente el Modal Test, un módulo matemático para calcular la función de transferencia entre dos señales.
Hay que recordar configurar el grupo martillo móvil/respuesta, que es esencial para el análisis. A continuación, activamos Preserve calculated groups para que, al cambiar a una nueva medición, los resultados de las anteriores se mantengan intactos. Por lo tanto, debemos tener:
En este punto, operamos sobre los parámetros de adquisición de nuestro sistema. Podemos definir la resolución, es decir, la distancia entre los componentes espectrales de nuestro espectro. Establecemos un valor de 4096, por lo que la duración de la adquisición resulta ser 1.64 𝑠.
Un parámetro esencial es la frecuencia de muestreo, la frecuencia a la que se muestrea una señal y se introduce en el sistema de adquisición de datos. Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la del fenómeno de interés. Una estimación inicial de las posibles frecuencias naturales de la pala podría estar en el orden de cientos o miles de Hz.
En consecuencia, hemos definido una frecuencia de muestreo de 5000 𝐻𝑧. Dado que queremos observar los modos de vibración de la pala hasta 1500 𝐻𝑧, debemos muestrear al menos 3000 𝐻𝑧. Sin embargo, decidimos aumentar este límite para tener suficiente margen de error.
En la sección Excitation, introducimos el número de nodos que golpearemos con el martillo y definimos el disparador.
Configuramos el disparador para que la adquisición y el procesamiento de datos comiencen cuando esté presente en el canal de entrada una determinada intensidad de fuerza aplicada mediante el martillo. En nuestro caso, establecemos un valor de 5 N y lo configuramos para que se re-dispare automáticamente, de modo que varios impactos con el martillo, concretamente tres por nodo, puedan ejecutarse uno tras otro.
Además, podemos definir la ventana temporal. En nuestro caso, usamos la Force window, una forma de enventanado que reduce los efectos de fuga espectral cuando se aplica a la señal adquirida, mejorando así la resolución espectral y la calidad de los datos del análisis modal.
En la Response sección, introducimos los canales de respuesta apropiados de los acelerómetros:
1) primer acelerómetro (acc 1)
2) segundo acelerómetro (acc 2)
Ambos deben configurarse en el mismo grupo para que los sensores midan la aceleración simultáneamente.
En la canales de salida sección, hay varios términos que el software indica con Usado y que merecen atención:
FRF H1: En este caso, no hay ruido en la entrada, lo que hace que las mediciones sean más precisas. Se asume que todo el ruido está presente en la salida.
Coherencia ordinaria: La coherencia es un valor numérico entre 0 y 1 que mide el grado de linealidad entre dos señales correlacionadas.
Función indicadora de modo ordinario (MIF): es una herramienta utilizada en el análisis modal para identificar las frecuencias de resonancia de la pala.
Podemos mostrar el valor de la MIF en DewesoftX - ver Figura 8.
Finalmente, en la sección del editor de geometría, definimos la geometría de nuestra estructura marcando los nodos sobre los que aplicaremos el martillo de impacto.
Procedimiento
Una vez que hayamos configurado el software adecuadamente, debemos determinar cómo
restringir nuestra estructura. Utilizamos una base de espuma de goma para simular una restricción libre - ver Figura 9.
Esta restricción provoca amortiguamiento localizado que no se distribuye de manera uniforme a lo largo de toda la estructura, sino que se concentra en un área específica: la base de la pala en contacto con la espuma de goma.
El efecto provoca la manifestación de modos complejos: los nodos de la estructura no oscilan en fase entre sí, por lo que diferentes puntos de la pala de la hélice alcanzan el desplazamiento máximo en distintos momentos, presentando un desfase en las oscilaciones. Vea la ubicación de los acelerómetros en la Figura 10.
A continuación, colocamos la hélice sobre la espuma de goma y fijamos los acelerómetros en la estructura usando cera de abejas.
En este punto, podríamos proceder con las mediciones utilizando el martillo instrumentado. Adoptamos un modo de operación que implica un promedio de tres golpes por punto de excitación y un tiempo de espera de 10 segundos entre cada golpe. Una vez golpeada, este intervalo permite que la estructura amortigüe las vibraciones y vuelva a sus condiciones de equilibrio iniciales.
En el software, es posible mostrar simultáneamente:
Impactos en función del tiempo.
Impactos en función de la frecuencia.
Procedemos al siguiente una vez que estemos satisfechos con la medición. Al final del conjunto de impactos en el nodo de interés, el software le permite leer el gráfico FRF directamente relativo al punto de excitación.
FRFs experimentales y modos de vibración
Habiendo llegado a este punto, procedemos en el software DewesoftX con el módulo de Análisis Modal:
El módulo le solicita procesar un número determinado de FRFs, que en este caso es 44. Una vez que haya importado todas las FRFs, puede verlas y definir un rango de frecuencia, en este caso 160 Hz. Vea la FRF promediada de todas las funciones de respuesta en frecuencia en la Figura 11.
En DewesoftX, podemos ver el AutoMAC (Criterio de Aseguramiento Modal). “Auto” en AutoMAC significa que las dos formas modales provienen de la misma prueba.
Un valor de AutoMAC igual a uno indica que las dos formas modales son idénticas, mientras que un valor que tiende a cero indica que son diferentes. En la diagonal principal, el valor es 1 ya que comparamos dos formas modales idénticas.
Las frecuencias descritas en la Figura 13 son las amortiguadas. El módulo de Análisis Modal de Dewesoft también calcula los coeficientes de amortiguamiento para cada modo.
Conclusión
Ahora, podemos ver las formas modales en el software. Capturamos meticulosamente la respuesta vibratoria de la pala configurando nuestro montaje con un martillo de impacto, acelerómetros uniaxiales y el sistema de adquisición de datos Dewesoft KRYPTON. El proceso implicó una calibración cuidadosa y la activación (triggering) para garantizar la exactitud e integridad de los datos. Optimizamos parámetros críticos como la resolución y la tasa de muestreo para capturar el rango de frecuencias relevante y asegurar que nuestro análisis fuera completo y fiable.
El uso de una base de espuma de goma para simular una restricción libre introdujo amortiguamiento localizado, destacando modos de vibración complejos y subrayando la importancia de condiciones experimentales realistas. Los resultados, procesados mediante el software DewesoftX, proporcionaron información clara sobre las funciones de respuesta en frecuencia (FRFs) de la pala, los coeficientes de amortiguamiento y las formas modales.
En nuestro análisis modal de una pala de hélice de aeronave, identificamos con éxito sus frecuencias de resonancia y modos de vibración mediante mediciones de vibración in situ con acelerómetros. El sistema Dewesoft nos permitió medir y analizar con precisión el comportamiento dinámico de la pala.
Este enfoque experimental subraya el papel esencial de las mediciones precisas en la ingeniería, alineándose con el principio de Kelvin de que la mejora presupone la capacidad de medir.