Dinámica estructural

Dinámica estructural

Todas las estructuras, grandes o pequeñas, se ven sometidas a fuerzas físicas que influyen en su comportamiento. Pensemos en los álabes de un aerogenerador marino que vibran en mitad de un temporal, en un avión cuando entra en una zona de turbulencias o una máquina expuesta a sus propias vibraciones. El caso es que todas estas fuerzas ponen a prueba la integridad de las estructuras. No obstante, si bien las estructuras deben ser resistentes y rígidas, un sobredimensionamiento excesivo puede resultar tan innecesario como costoso. Sobre todo si el peso importa. Además, algunas estructuras, como las bancadas de los motores, no pueden ser demasiado rígidas, sino que deben ser capaces de absorber las vibraciones para maximizar el confort. Conocer el comportamiento de las estructuras en condiciones operativas permite a los ingenieros optimizar los diseños, controlar la integridad estructural y maximizar el rendimiento.

Caracterización estructural

La dinámica estructural se ocupa de caracterizar las propiedades estructurales y el comportamiento de las estructuras. Las propiedades estructurales se expresan mediante una serie de parámetros modales, cada uno de los cuales consiste en una forma modal con una frecuencia natural (de resonancia) y un valor de amortiguación. Los parámetros modales se derivan de un modelo matemático que describe la relación entre una excitación (entrada) y una respuesta (salida). Estos parámetros pueden obtenerse utilizando análisis modal clásico o análisis modal operacional (OMA).  

En el análisis modal clásico, la estructura se excita empleando martillos de impacto o excitadores modales (vibradores modales). En cambio, en el análisis modal operacional se emplea una excitación natural. En ambos casos, la respuesta se mide típicamente por medio de acelerómetros.

Un tipo especial de caracterización estructural consiste en determinar cómo afectan los impactos a una estructura. En esta aplicación, se calcula un espectro de respuesta a impactos (SRS) a partir de transitorios en el dominio temporal.
El comportamiento estructural se observa con ayuda de técnicas tales como el análisis de formas de deflexión operacional (ODS), que permiten determinar los patrones de vibración de las estructuras en distintas condiciones operativas. También se puede recurrir a una monitorización de la salud estructural (SHM) permanente, que sirve para llevar un seguimiento continuo del estado de una estructura y definir las medidas de gestión oportunas.

Integración de ensayos y simulación

Con frecuencia, las estructuras se diseñan empleando modelos de elementos finitos (FE), con los que se generan modelos geométricos y predicciones de resultados muy útiles para optimizar los ensayos. La importación de modelos FE detallados no solo permite crear modelos de ensayo más sencillos y precisos, sino que también ayuda a definir los grados de libertad óptimos de excitación y respuesta para obtener los mejores resultados posibles de un ensayo. Después, las predicciones de FE pueden correlacionarse con los resultados de los ensayos, y los datos de los ensayos pueden reimportarse a las herramientas de simulación, para refinar los modelos FE.

El análisis de formas de deflexión operacional (ODS) es una aplicación muy versátil para la determinación de los patrones de vibración de máquinas y estructuras en diversas condiciones de uso. Los patrones de vibración se muestran como modelos geométricos animados de la estructura, en los que se combina la función de fuerza que actúa sobre la estructura y las propiedades dinámicas de esta.

La función de fuerza depende de las condiciones de uso. En el caso de la maquinaria, por ejemplo, influyen factores como la velocidad del motor, la carga, la presión, la temperatura o el caudal. En el caso de las estructuras de ingeniería civil, también pueden ser de aplicación fuerzas ambientales como viento, oleaje o tráfico.

El análisis ODS se puede dividir en tres dominios: temporal, espectral y aceleración/desaceleración.

Sistema recomendado

Operating deflection shapes analysis system overview

Los sistemas ODS escalables de Brüel & Kjaer proporcionan una completa orientación a lo largo de todo el proceso de configuración, medición y animación de cada tipo de ODS.

Nuestros sistemas cubren toda la cadena de medida y análisis con acelerómetros, sondas tacométricas, equipos de adquisición de datos LAN-XI y el software BK Connect®.

En el análisis modal clásico se obtiene un modelo de las propiedades dinámicas de una estructura excitándola con fuerzas medibles y determinando la relación respuesta/excitación.

El análisis modal clásico abarca desde pruebas de movilidad sencillas (con un martillo de impacto móvil y un acelerómetro fijo) hasta ensayos de grandes estructuras con múltiples vibradores y centenares de acelerómetros. Se utiliza en una gran variedad de ensayos, con fines de verificación y optimización, certificación, resolución de problemas y comparación con cotas de referencia. 

Sistema recomendado

Classical modal analysis system overview

Nuestras soluciones de análisis modal clásico guían al usuario a lo largo de todo el proceso de configuración, medición y análisis, en pasos sencillos e intuitivos. Proporcionan resultados precisos y fiables en las situaciones más exigentes, con un conjunto formado por los mejores estimadores de parámetros modales y herramientas de validación.

Nuestras soluciones cubren la totalidad de la cadena de medida y análisis, con acelerómetros y transductores de fuerza, martillos de impacto, sistemas de excitación moda, hardware de adquisición de datos LAN-XI y, por supuesto, el software BK Connect®, para análisis previo a los ensayos, medición, análisis y correlación con modelos de elementos finitos. Por si esto fuera poco, nuestras soluciones son ampliables y pueden crecer al ritmo de las necesidades.

Vídeo: Ensayos Stepped Sine con PULSE Reflex

Las simulaciones virtuales han acelerado enormemente el proceso general de desarrollo de aeronaves. No obstante, las pruebas físicas siguen siendo esenciales para validar los modelos y para entender las características estructurales de nuevos materiales y procesos de fabricación. Los ensayos de vibraciones en tierra (GVT) de aeronaves sirven para determinar los parámetros modales de una aeronave completa. Normalmente se llevan a cabo en una fase muy avanzada del proceso de desarrollo. El resultado se utiliza para refinar los modelos analíticos de la aeronave, con el fin de predecir las condiciones de flameo (combinaciones de altitud y velocidad) y definir una envolvente de vuelo segura antes de proceder con el primer ensayo de vuelo. Después de los ensayos de vuelo se vuelven a ajustar los modelos analíticos, se hacen los cálculos finales de las condiciones de flameo y la aeronave obtiene su certificación de navegabilidad aérea.

Las GVT son obligatorias para cualquier aeronave nueva o que se modifique.

Sistema recomendado

Ground vibration testing system overview

Un sistema GVT típico se compone de excitadores modales, acelerómetros modales y hardware de adquisición de datos LAN-XI. Las mediciones y el posprocesamiento se llevan a cabo empleando el software BK Connect®. Para definir la geometría del ensayo se utiliza un modelo de elementos finitos (FE) del objeto de ensayo. El modelo FE también se toma como base para un análisis previo al ensayo que permita definir los grados de libertad (GDL) de excitación y respuesta, y para estudiar los modos de interés.

Este sistema es escalable y se adapta al tamaño del objeto de ensayo. Pensando en el caso de los objetos más grandes, el hardware de adquisición de datos LAN-XI se puede distribuir, con el fin de minimizar el cableado.

En el análisis modal operacional (OMA) solo se mide la reacción de una estructura a las fuerzas ambientales y operativas (que constituyen una entrada no sujeta a medición). El OMA se utiliza en lugar del análisis modal clásico para la caracterización modal en condiciones de funcionamiento reales y en situaciones donde es difícil —o imposible— excitar la estructura de forma artificial. El tamaño físico, la forma o la ubicación de muchas estructuras mecánicas y de ingeniería civil dificulta su excitación por medios artificiales. Las estructuras de ingeniería civil también reciben cargas de fuerzas ambientales. Por ejemplo, las olas que rompen contra estructuras marinas, el viento que azota los edificios o el tráfico que transita sobre los puentes. Por su parte las estructuras mecánicas, como aeronaves, vehículos, embarcaciones y maquinaria, exhiben vibraciones autogeneradas durante su funcionamiento. Todas esas fuerzas, que darían lugar a resultados erróneos en el análisis modal clásico, se consideran fuerzas de entrada en el OMA. El OMA se puede llevar a cabo in situ durante la actividad normal; el tiempo de configuración es reducido y se evitan periodos improductivos.

Sistema recomendado

Operational modal analysis system overview

Si desea un sistema de análisis y ensayo modal sencillo e integrado, utilice BK Connect® Time Data Recorder para adquirir datos en función de la geometría y transferirlos al software Análisis modal operacional de PULSE, para analizarlos y validarlos. Para que la solución OMA sea óptima, puede utilizar una cadena de medida completa de Brüel & Kjaer, compuesta por acelerómetros, hardware de adquisición de datos LAN-XI y software de medición y posprocesamiento.

Vídeo: Análisis modal operacional con Brüel & Kjaer - Avance

Webinario grabado: Análisis modal operacional – Identificación de parámetros modales en condiciones operativas

Las estructuras se degradan con el tiempo debido al uso, las condiciones ambientales adversas y sucesos accidentales. La monitorización de salud estructural (SHM) continua y a largo plazo permite llevar un seguimiento del estado estructural y determinar medidas de gestión; por ejemplo, planificar labores de mantenimiento y reparación.

La SHM reviste gran importancia para los usuarios finales, los fabricantes y los equipos de mantenimiento, puesto que:

  • Ayuda a optimizar el uso de las estructuras
  • Minimiza los tiempos de inactividad
  • Puede evitar fallos catastróficos
  • Alarga la vida útil de las estructuras
  • Contribuye a mejorar el diseño de otras estructuras
  • Contribuye a optimizar la organización de las labores de mantenimiento

Sistema recomendado

Nuestras soluciones SHM abarcan toda la cadena de medida y análisis. Ofrecen carga y procesamiento automáticos de los datos, tracking de modos, detección de daños y análisis de derivas. También permiten configurar servicios de notificación, como alertas visuales o acústicas, alertas por correo electrónico o servicios web.

Nuestros algoritmos de detección de daños trabajan en el dominio físico empleando modelos de espacio de estados (en lugar de funcionar en el dominio modal reducido). De este modo, la detección es más robusta y la precisión es la máxima posible.

Video: Monitorización de salud estructural en Brüel & Kjaer

Video: Monitorización de salud estructural de la pala de un aerogenerador

Video: Monitorización de salud estructural predictiva de palas de aerogeneradores

La integración de los ensayos y el análisis de elementos finitos (FEA) es una disciplina esencial dentro de la dinámica estructural. La integración de las pruebas y el FEA ayuda a rebajar los costes de desarrollo, reduce el número de prototipos físicos que es preciso fabricar y acelera el proceso desde el diseño hasta la producción: todo ello mediante la optimización de las estrategias para las estructuras de prueba y la mejora del desarrollo de modelos de elementos finitos (FE). El uso de modelos FE de línea base ayuda a optimizar las pruebas estructurales en fases tempranas de un proyecto. Después, los modelos FE se pueden mejorar con los resultados de ensayo optimizados. 

BK Connect® ofrece herramientas muy potentes que proporcionan resultados más fiables en las pruebas y simulaciones. Mejoran la capacidad de juicio y benefician a los ingenieros responsables de las pruebas, a los analistas y los responsables de la toma de decisiones.

Sistema recomendado

Test-FEA integration system overview

BK Connect ofrece una plataforma para planificación de los ensayos (análisis previo a los ensayos), medición y análisis estructural, y correlación con modelos FE. 

Los modelos FE pueden importarse al software BK Connect Modal Analysis desde los principales programas FEA, como Nastran® (MSC, NX, NEi), ANSYS® y ABAQUS®. Desde allí se pueden planificar los ensayos estudiando los resultados de simulación en términos de rango de frecuencia de interés, densidad de modos, orden de modos, modos críticos, etc. Aparte de eso, los resultados de simulación sirven para optimizar el número y la ubicación de los GDL de excitación y respuesta. También resulta sencillo crear una geometría de ensayo precisa reducida a partir del modelo FE. Una vez realizado el ensayo modal, los resultados pueden compararse con los de la simulación, con fines de validación. 
BK Connect Correlation Analysis aún permite ir un paso más allá y efectuar un análisis de correlación completo —visual y numérico— con el que identificar deficiencias en los ensayos modales o áreas de los modelos FE con una calidad de modelización insuficiente. Es una herramienta muy potente para diseñar condiciones de ensayo óptimas y evaluar distintas estrategias de modelización.

Un suceso de impacto aislado y transitorio, como puede ser un impacto pirotécnico o estructural, puede dañar componentes de un sistema estructural. Análogamente, un terremoto puede causar daños catastróficos en puentes y edificios. Y, si se introduce cualquier movimiento en un sistema, la respuesta puede verse amplificada por resonancias estructurales que aumentan el riesgo de daños. El cálculo del espectro de respuesta a impactos (SRS) permite determinar cómo se ve afectada una estructura por los impactos.

Sistema recomendado 

Durability testing system overview

El software BK Connect Shock Response Spectrum Analysis incorpora los cinco modelos de SRS que se describen en la norma ISO 18431-4:2007. En combinación con los nueve criterios ordinarios de cálculo de amplitudes (casos de impacto), es posible calcular hasta 45 tipos de respuesta, en función de los requisitos.

Nuestra completa oferta de elementos para la cadena de medida y análisis incluye acelerómetros de impacto especiales para medidas de alto nivel y alta frecuencia.

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