Test e Analisi di una Elica Propulsiva Aeronautica

Come disse Lord Kelvin, “se non si può misurare, non si può migliorare”. In effetti, la misurazione consente agli ingegneri di prendere decisioni basate su fatti e non su opinioni. Conoscere lo stato attuale di un processo è una condizione necessaria per prevederne l'evoluzione e, quindi, ottimizzarlo. In effetti, le misure sperimentali possono rispondere a domande che non vi siete ancora posti.  

Strumentazione per prove modali

Una prova modale viene generalmente eseguita eccitando la struttura con un martello strumentato o uno shaker e misurando poi la sua risposta in vibrazione con uno o più accelerometri applicati al corpo studiato. 

Abbiamo eseguito le misure in nel laboratorio tecnico del dipartimento di ingegneria dell'Università di Trieste. Abbiamo utilizzato questa strumentazione:

• 8-canali Dewesoft KRYPTON data acquisition system

• Martello a percussione strumentato dotato di sensore di forza integrato (IEPE)

• accelerometro IEPE mono-assiale

Setup

Definiamo, all'interno di DewesoftX software, i sensori da utilizzare. Abbiamo:

1. Martello strumentato

2. Accelerometro 1 (acc 1)

3. Accelerometro 2 (acc 2)

Inoltre, si specifica che tutti i sensori utilizzati sono di tipo IEPE e che, nel caso del martello, la grandezza fisica che si vuole misurare è una forza [N]. Si definisce poi la sensibilità degli strumenti: per il martello è di 20 𝑚𝑉𝑁, mentre per gli accelerometri è di dieci 𝑚𝑉𝑁.

Per eseguire l'analisi modale, si seleziona il Modal Test, un modulo matematico per calcolare la funzione di trasferimento tra due segnali.

Si selezionano "roving hammer/response group", essenziale per l'analisi, e "Preserve calculated groups". In modo che quando si passa a una nuova misurazione, i risultati di quelle precedenti vengono conservati. Pertanto, si deve avere:

A questo punto, operiamo sui parametri di acquisizione del nostro sistema. Possiamo definire la risoluzione, cioè la distanza tra le componenti spettrali del nostro spettro. Impostiamo un valore di 4096, quindi la durata dell'acquisizione risulta essere di 1,64 𝑠.

Un parametro essenziale è la frequenza di campionamento, ovvero la frequenza con cui un segnale viene campionato dal sistema di acquisizione dati. Secondo il teorema di Nyquist, la frequenza del fenomeno di interesse deve essere almeno doppia rispetto a quella del fenomeno stesso. Una prima stima delle possibili frequenze naturali delle pale può essere compresa nell'intervallo di cento o mille Hz.

Di conseguenza, abbiamo definito una frequenza di campionamento di 5000 𝐻𝑧. Poiché vogliamo vedere i modi di vibrazione della pala fino a 1500 𝐻𝑧, dobbiamo campionare almeno 3000 𝐻𝑧. Tuttavia, abbiamo deciso di aumentare questo limite per avere un margine di errore sufficiente.

Nella sezione “ Excitation ‘, inseriamo il numero di nodi che colpiremo con il martello e definiamo il ’trigger”.

Configuriamo il trigger in modo che l'acquisizione e l'elaborazione dei dati inizino quando è presente una specifica intensità di forza impartita attraverso il martello sul canale di ingresso. Nel nostro caso, impostiamo un valore di 5 N e lo configuriamo in modo che si riattivi automaticamente, così da poter eseguire diversi impatti, precisamente tre per nodo, uno dopo l'altro.

Inoltre, è possibile definire la finestra temporale. Nel nostro caso, abbiamo utilizzato la finestra Force. Questa riduce gli effetti di dispersione spettrale quando viene applicata al segnale acquisito, migliorando così la risoluzione spettrale e la qualità dei dati dell'analisi modale.

In Response section, si inseriscono i canali di risposta degli accelerometri:

1)    accelerometro 1 (acc 1)

2)   accelerometro 2 (acc 2)

Entrambi devono essere configurati nello stesso gruppo affinché i sensori misurino l'accelerazione simultaneamente.

In output channels section, ci sono diversi termini che il software indica con Used e che meritano attenzione:

• FRF H1: In questo caso, non c'è rumore in ingresso, il che rende le misure più precise. Si presume che tutto il rumore sia presente in uscita.

• Ordinary Coherence: è un valore numerico compreso tra 0 e 1. misura il grado di linearità tra due segnali coerenti.

• Ordinary Mode Indicator Function (MIF): è uno strumento utilizzato nell'analisi modale per identificare le frequenze di risonanza delle eliche.

Nel grafico sottostante, è mostrato il MIF value in DewesoftX - vedere Figura 8.

Infine, nella sezione dell'editor di geometrie, definiamo la geometria della nostra struttura impostando i nodi su cui applicheremo il martello strumentato.

Procedimento

Una volta configurato il software in modo adeguato, dobbiamo determinare come vincolare la nostra struttura. Per simulare un vincolo libero, abbiamo utilizzato una base in gommapiuma (vedi Figura 9).

Questo vincolo provoca uno smorzamento localizzato non distribuito uniformemente lungo l'intera struttura, ma concentrato in una zona specifica, la base della struttura in esame a contatto con la gommapiuma.

L'effetto provoca la manifestazione di modi complessi: i nodi della struttura non oscillano in fase l'uno con l'altro, quindi punti diversi della pala dell'elica raggiungono lo spostamento massimo in tempi diversi, presentando un ritardo nelle oscillazioni. Si vedano le posizioni degli accelerometri nella Figura 10.

Successivamente, posizioniamo l'elica sulla gommapiuma e disponiamo gli accelerometri sulla struttura utilizzando la cera d'api.

A questo punto, si può procedere con le misurazioni utilizzando il martello strumentato. Abbiamo adottato un modus operandi che prevede una media di tre colpi per punto di eccitazione e un tempo di attesa tra ogni martellata pari a 10 secondi. Una volta colpita, questo intervallo permette alla struttura di smorzare le vibrazioni e di tornare alle condizioni di equilibrio iniziali.

Una volta soddisfatti della misura, si passa alla successiva. Al termine della serie di martellate sul nodo di interesse, il software consente di leggere il grafico FRF direttamente nel punto di eccitazione.

FRF sperimentali e modi di vibrazione

Arrivati a questo punto, si procede con il software DewesoftX con il modulo Analisi modale:

Il modulo richiede di elaborare un determinato numero di FRF, che in questo caso è 44. Una volta importate tutte le FRF, è possibile visualizzarle e definire un intervallo di frequenza, in questo caso 160 Hz. Una volta importate tutte le FRF, è possibile visualizzarle e definire un intervallo di frequenza, in questo caso 160 Hz. Nella Figura 11 è riportata la media delle FRF di tutte le funzioni di risposta in frequenza.

In DewesoftX, possiamo vedere l'AutoMAC. “Auto” in AutoMAC significa che le due forme modali provengono dallo stesso test.

 Un valore di AutoMAC pari a uno indica che le due forme modali sono identiche, mentre un valore tendente a zero indica che sono diverse. Sulla diagonale principale, il valore è 1 poiché si confrontano due forme modali identiche.

Le frequenze descritte nella Figura 13 sono quelle smorzate. Il modulo Dewesoft Modal Analysis calcola anche i rapporti di smorzamento per ciascun modo.

Conclusioni

Abbiamo meticolosamente registrato la risposta in termini di vibrazioni della struttura, sollecitata tramite un martello strumentato, utilizzando come sensori accelerometri mono-assiali e come sistema di acquisizione dati il KRYPTON Dewesoft. Abbiamo ottimizzato i parametri critici, come la risoluzione e la frequenza di campionamento, per operare nella gamma di frequenze pertinente e garantire un'analisi completa e affidabile.

L'uso di una base in gommapiuma per simulare un vincolo libero ha introdotto uno smorzamento localizzato, evidenziando modi di vibrare complessi. Questo dimostra l'importanza di condizioni sperimentali realistiche. I risultati, elaborati attraverso il software DewesoftX, hanno fornito una chiara visione delle funzioni di risposta in frequenza (FRF), dei rapporti di smorzamento e delle forme modali della struttura in esame.

Nell'analisi modale abbiamo identificato con successo le frequenze di risonanza e i modi di vibrare utilizzando misure di vibrazione in situ con accelerometri. Il sistema Dewesoft ci ha permesso di misurare e analizzare con precisione il comportamento dinamico della struttura.

Questo approccio sperimentale sottolinea il ruolo essenziale delle misure accurate nell'ingegneria, in linea con il principio di Lord Kelvin secondo cui il miglioramento presuppone la capacità di misurare.