Teste modal e análise de uma pá de hélice aeronáutica

Medições de vibração in situ usando acelerômetros fornecem dados essenciais para analisar a dinâmica inerente de um sistema. Utilizamos o Dewesoft para realizar uma análise modal de uma pá de hélice de aeronave, destacando as suas frequências de ressonância e modos de vibração. Através das medições, compreendemos melhor o comportamento dinâmico da estrutura e, mais importante, demonstramos o valor fundamental das medições experimentais.

Como Kelvin disse, "Se você não pode medir, não pode melhorar." De fato, medir permite que os engenheiros tomem decisões com base em fatos em vez de opiniões. Conhecer o estado atual de um processo é condição necessária para prever sua evolução e, portanto, otimizá-lo. De fato, medições experimentais podem responder a perguntas que você ainda não fez. 

Instrumentação de aquisição de dados em ensaios modais

Um ensaio modal é geralmente realizado excitando a estrutura com um martelo de impacto ou um shaker e então medindo sua resposta vibratória com um ou mais acelerômetros fixados ao corpo estudado. 

Realizamos medições em um ambiente controlado, o laboratório técnico do departamento de engenharia da Universidade de Trieste. Utilizamos esta instrumentação:

• 8 canais Sistema de aquisição de dados Dewesoft KRYPTON

• Martelo de impacto com sensor de força IEPE

• Acelerômetro uniaxial IEPE

Configuração

Primeiramente, dentro do software DewesoftX, definimos os sensores que pretendemos usar. Temos:

1. Martelo

2. Primeiro acelerômetro (acc 1)

3. Segundo acelerômetro (acc 2)

Além disso, especificamos que todos os sensores usados são do tipo IEPE e que, no caso do martelo, a grandeza física que queremos medir é uma força [N]. Em seguida, definimos a sensibilidade dos instrumentos: para o martelo, é 20 𝑚𝑉𝑁, enquanto para os acelerômetros é 10 𝑚𝑉𝑁.

Para realizar a análise modal, selecionamos e clicamos para ativar um módulo de teste, especificamente o Modal Test, um módulo matemático para calcular a função de transferência entre dois sinais.

É importante lembrar de definir o roving hammer/response group, que é essencial para a análise. Em seguida, configuramos Preserve calculated groups para que, ao mudarmos para uma nova medição, os resultados das medições anteriores permaneçam intactos. Portanto, devemos ter:

Neste ponto, operamos nos parâmetros de aquisição do nosso sistema. Podemos definir a resolução, isto é, a distância entre os componentes espectrais do nosso espectro. Definimos um valor de 4096, então a duração da aquisição é de 1.64 𝑠.

Um parâmetro essencial é a taxa de amostragem, a frequência com que um sinal é amostrado e direcionado para o sistema de aquisição de dados. Segundo o teorema de Nyquist, a frequência do fenômeno de interesse deve ser pelo menos o dobro da frequência do fenômeno de interesse. Uma estimativa inicial das possíveis frequências naturais da lâmina pode estar na faixa de centenas ou milhares de Hz.

Consequentemente, definimos uma frequência de amostragem de 5000 𝐻𝑧. Como queremos observar modos de vibração da lâmina até 1500 𝐻𝑧, devemos amostrar pelo menos a 3000 𝐻𝑧. No entanto, decidimos aumentar esse limite para ter margem de erro suficiente.

Na seção Excitation, inserimos o número de nós que iremos golpear com o martelo e definimos o trigger.

Configuramos o trigger para que a aquisição e o processamento de dados comecem quando estiver presente uma determinada intensidade de força aplicada pelo martelo no canal de entrada. No nosso caso, definimos um valor de 5 N e configuramos para re-trigger automático, de modo que vários impactos do martelo, precisamente três por nó, possam ser executados um após o outro.

Além disso, podemos definir a janela de tempo. No nosso caso, usamos a Force window, uma forma de janelamento que reduz os efeitos de vazamento espectral quando aplicada ao sinal adquirido, melhorando assim a resolução espectral e a qualidade dos dados da análise modal.

Na Response seção, introduzimos os canais de resposta apropriados dos acelerómetros:

1) primeiro acelerómetro (acc 1)

2) segundo acelerómetro (acc 2)

Ambos devem ser configurados no mesmo grupo para que os sensores meçam a aceleração simultaneamente.

Na output channels seção, há vários termos que o software indica com Used e que merecem atenção:

• FRF H1: Neste caso, não há ruído na entrada, o que torna as medições mais precisas. Assume-se que todo o ruído esteja presente na saída.

• Ordinary Coherence: A coerência é um valor numérico entre 0 e 1 que mede o grau de linearidade entre dois sinais correlacionados.

• Ordinary Mode Indicator Function (MIF): é uma ferramenta usada na análise modal para identificar frequências de ressonância da pá.

Podemos exibir o valor do MIF no DewesoftX - ver Figura 8.

Finalmente, na seção do editor de geometria, definimos a geometria da nossa estrutura marcando os nós nos quais aplicaremos o martelo de impacto.

Procedimento

Depois de configurarmos o software adequadamente, devemos determinar como

constranger a nossa estrutura. Usámos uma base de espuma de borracha para simular uma restrição livre - ver Figura 9.

Esta restrição provoca amortecimento localizado que não é distribuído de forma uniforme por toda a estrutura, mas se concentra numa área específica, a base da pá em contacto com a espuma de borracha.

O efeito provoca a manifestação de modos complexos: os nós da estrutura não oscilam em fase uns com os outros, por isso diferentes pontos da pá da hélice atingem o deslocamento máximo em momentos distintos, apresentando um atraso nas oscilações. Veja as posições dos acelerómetros na Figura 10.

De seguida, colocamos a hélice sobre a espuma de borracha e fixamos os acelerómetros na estrutura usando cera de abelha.

Neste ponto, poderíamos proceder às medições usando o martelo instrumentado. Adotámos um modus operandi que envolve uma média de três golpes por ponto de excitação e um tempo de espera entre cada martelada igual a 10 segundos. Uma vez golpeada, este intervalo permite que a estrutura dissipe as vibrações e volte às suas condições de equilíbrio iniciais.

No software, é possível exibir simultaneamente:

• Martelado ao longo do tempo.

• Martelado em função da frequência.

Prosseguimos para o próximo assim que estivermos satisfeitos com a medição. Ao final do conjunto de impactos no nó de interesse, o software permite ler o gráfico da FRF diretamente em relação ao ponto de excitação.

FRFs experimentais e modos de vibração

Chegando a este ponto, procedemos no software DewesoftX com o módulo de Análise Modal:

O módulo solicita que processe um determinado número de FRFs, que neste caso é 44. Depois de importar todas as FRFs, você pode visualizá-las e definir uma faixa de frequência, neste caso 160 Hz. Veja a FRF média de todas as funções de resposta em frequência na Figura 11.

No DewesoftX, podemos ver o AutoMAC (Modal Assurance Criterion). “Auto” em AutoMAC significa que as duas formas modais provêm do mesmo ensaio.

 Um valor do AutoMAC igual a um indica que as duas formas modais são idênticas, enquanto um valor tendendo a zero indica que são diferentes. Na diagonal principal, o valor é 1 já que comparamos duas formas modais idênticas.

As frequências descritas na Figura 13 são as amortecidas. O módulo de Análise Modal do Dewesoft também calcula os fatores de amortecimento para cada modo.

Conclusão

Agora, podemos ver as formas modais no software. Capturamos meticulosamente a resposta vibratória da pá configurando nosso equipamento com um martelo de impacto, acelerômetros uniaxiais e o sistema de aquisição de dados Dewesoft KRYPTON. O processo envolveu calibração e acionamento cuidadosos para garantir a precisão e a integridade dos dados. Otimizamos parâmetros críticos como resolução e taxa de amostragem para capturar a faixa de frequência relevante e garantir que nossa análise fosse abrangente e confiável.

O uso de uma base de espuma de borracha para simular uma restrição livre introduziu amortecimento localizado, destacando modos de vibração complexos e ressaltando a importância de condições experimentais realistas. Os resultados, processados pelo software DewesoftX, forneceram insights claros sobre as funções de resposta em frequência (FRFs) da pá, razões de amortecimento e formas modais.

Na nossa análise modal de uma pá de hélice de aeronave, identificamos com sucesso suas frequências de ressonância e modos de vibração usando medições de vibração in situ com acelerômetros. O sistema Dewesoft permitiu medir e analisar precisamente o comportamento dinâmico da pá. 

Esta abordagem experimental ressalta o papel essencial de medições precisas na engenharia, alinhando-se ao princípio de Kelvin de que a melhoria pressupõe a capacidade de medir.