¿Qué es el análisis de formas de deflexión operacional (ODS)?
El análisis ODS consiste en determinar y visualizar los patrones de vibración de una estructura en sus condiciones de trabajo. Estos patrones de vibración —también conocidos como formas de deflexión— se pueden representar a diferentes frecuencias, órdenes o escalas de tiempo en forma de geometrías animadas que muestran las deflexiones estructurales. Igualmente, se pueden expresar como tablas de formas para los distintos puntos y direcciones (grados de libertad, GDL) de la geometría.
Los valores de vibración se pueden expresar como aceleración, velocidad o desplazamiento, utilizando escalas de pico, distancia entre picos o RMS, y en unidades del sistema internacional o del anglosajón.
Las condiciones de trabajo se pueden definir, por ejemplo, a partir de la velocidad de rotación de las distintas partes de una máquina, y de la carga, presión y flujo a los que se somete la máquina o estructura. Los cambios en las condiciones se traducen en diferentes patrones de vibración.
Las señales de vibración que se observan contienen una combinación de: a) la función de fuerza externa que actúa sobre la estructura, b) las fuerzas que se generan internamente y c) las propiedades dinámicas de la estructura, que se describen mediante sus parámetros modales. A las frecuencias de resonancia se produce una amplificación significativa de las fuerzas, que resulta en grandes niveles de vibración.
Esas vibraciones pueden tener toda clase de efectos: desde incomodidad al conducir un coche hasta daños estructurales con consecuencias desastrosas si se estrella un avión o se cae un puente. Por tanto, una aplicación muy típica del análisis ODS es la identificación de las frecuencias de resonancia estructural y cómo actúan las fuerzas que excitan esas resonancias.
En el análisis ODS observamos la salida de una estructura Xi (ω) a través de varios grados de libertad. Las fuerzas externas e internas F(ω) y las funciones de respuesta en frecuencia H(ω) representan las propiedades dinámicas de la estructura.
La medida de las vibraciones y la visualización de las formas de deflexión en función del tiempo o a frecuencias u órdenes específicos ayudan a entender mucho mejor problemas potenciales o consideraciones de diseño. Mucho más que fijarnos simplemente en los niveles de vibraciones medidos. De este modo, ayudan a los ingenieros a optimizar las soluciones. En definitiva, para muchos usuarios el análisis ODS suele ser la primera incursión en la dinámica estructural.
Aplicaciones del análisis ODS
Como el análisis ODS solo mide la salida de una estructura, puede aplicarse a cualquier estructura (lineal o no lineal), excitada con cualquier tipo de señal (estacionaria, cuasiestacionaria, no estacionaria, etc.) y con cualquier tipo de condiciones de contorno (desde estructuras totalmente libres a fijas). Todo ello hace que el análisis ODS sea muy fácil de usar.
En contraste con los ensayos modales, no se requiere un análisis previo para seleccionar las señales de excitación y las condiciones de contorno correctas. Además, durante la medida tampoco es necesario aplicar una excitación artificial mediante martillos de impacto o excitadores modales. Como contrapartida, no se crea ningún modelo (a diferencia del caso de los ensayos modales); por tanto, no se pueden hacer predicciones sobre las respuestas de vibración en otras condiciones. Si las condiciones cambian, hay que medir de nuevo.
El análisis ODS tiene aplicaciones muy variadas. Desde verificación de diseños, definición de objetivos y evaluación comparativa, hasta resolución de problemas, control de calidad y monitorización de estado de máquinas. Estas son algunas de las aplicaciones típicas:
- Validación de predicciones FEM obtenidas a partir de simulaciones de respuesta forzada, mediante comparación con datos ODS medidos.
- Comparación de valores medidos de ruido y vibraciones con respecto a valores de referencia.
- Garantía de que las condiciones de funcionamiento no inducen resonancias estructurales y que, por tanto, no se alcanzan velocidades críticas.
- Identificación y separación de fenómenos de ruido y vibración rotacional y estructural, originados por partes giratorias y fijas, respectivamente.
- Correlación entre radiación de ruido y vibración estructural.
- Reducción del exceso de ruido y vibraciones.
- Investigación de problemas de desgaste de máquinas como resultado de deficiencias de equilibrado, desalineación de ejes o golpeteo.
- Análisis de fenómenos transitorios como portazos, explosiones, lanzamientos y disparos, choques e impactos de caídas.
- Análisis de máquinas que trabajan a velocidad constante o con pequeñas variaciones.
- Análisis de sistemas no lineales y análisis de variaciones de frecuencia, como arranques y paradas de motores.
- Monitorización de estructuras civiles sometidas a cargas por fuerzas ambientales; por ejemplo, oleaje en las estructuras marinas, cargas de viento en edificios y los efectos de la carga de tráfico en los puentes.
Tipos de análisis ODS
El análisis ODS se divide típicamente en tres grupos:
- ODS temporal
El ODS temporal se utiliza para investigar el patrón de vibraciones de una estructura en función del tiempo. El ODS temporal incluye todas las frecuencias del rango de frecuencias analizado. Es muy útil para mostrar formas de deflexión operacional generales en un momento temporal dado, tanto para señales estacionarias como no estacionarias (por ejemplo, transitorios). - ODS espectral
El análisis ODS espectral se emplea para investigar el patrón de vibraciones de una estructura en relación con componentes específicos de frecuencia u órdenes. En las investigaciones de componentes de frecuencia se utiliza análisis FFT y las condiciones deben ser estacionarias. En las investigaciones de componentes de órdenes los pedidos, se utiliza tracking de órdenes. Las condiciones pueden ser ligeramente cuasiestacionarias; un motor con ligeras variaciones de velocidad. Las formas de deflexión operacional de los diferentes componentes espectrales se extraen y se presentan en una tabla de formas y como animaciones. - ODS no estacionario
El análisis ODS no estacionario se emplea para investigar el patrón de vibraciones de una estructura en relación con componentes específicos de frecuencia u órdenes, como función de la velocidad de rotación o del tiempo. Los resultados se basan en análisis de FFT o tracking de órdenes. El ODS no estacionario es muy útil para identificar qué parte del comportamiento de ruido y vibraciones se debe a la rotación y cuál a las partes fijas de la maquinaria. Una variante muy habitual del ODS no estacionario es el análisis ODS de arranques y paradas, en el que un motor se pone en marcha, se deja funcionar y luego de detiene.
Análisis ODS temporal del bastidor de un coche con BK Connect.
Es posible seleccionar un intervalo de tiempo y ver una animación de los patrones de vibraciones durante un barrido. Se puede aplicar un factor de diezmado para omitir muestras. Las vibraciones correspondientes a los diferentes GDL se pueden guardar a intervalos discretos en una tabla de formas.
Análisis ODS espectral del bastidor de un coche con BK Connect.
Las formas se animan seleccionando frecuencias/órdenes en los espectros. Los patrones de vibración se documentan en una tabla de formas, que puede consultarse y compararse fácilmente. La vibración en los diferentes GDL puede expresarse como aceleración, velocidad o desplazamiento, utilizando escalas de pico, distancia entre picos o RMS, en unidades del sistema internacional o del anglosajón.
Análisis ODS de arranque/parada del bastidor de un coche con BK Connect.
Las formas se animan seleccionando combinaciones de frecuencia/orden y de rpm/tiempo en un gráfico de contorno. En este caso se utiliza ODS de arranque. Las líneas oblicuas representan órdenes y las líneas verticales, resonancias estructurales. En cuanto al ODS espectral, los patrones de vibración pueden recogerse en una tabla de formas.
Instrumentación para el análisis ODS
Como solo se mide la salida de la estructura o máquina, la instrumentación para el análisis ODS es relativamente sencilla y económica. Consiste en un sistema de adquisición de datos con hardware, software de medida y análisis, transductores de respuesta (típicamente acelerómetros) y, potencialmente, una sonda tacométrica. LLa sonda tacométrica hace falta cuando se hacen análisis ODS en máquinas con velocidades ligeramente variables, que requieren un tracking de órdenes para evitar alteraciones de la frecuencia. También puede ser necesaria para anotar ensayos run-up/down con etiquetas de RPM, incluso aunque no se haga tracking de órdenes.
Los sistemas para el análisis ODS van desde equipos sencillos de dos canales con acelerómetros móviles hasta sistemas con cientos de acelerómetros capaces de medir todos los GDL simultáneamente en estructuras complejas.
Ejemplo de un sistema ODS formado por acelerómetros, sonda tacométrica,
un equipo de adquisición de datos y software.
Con frecuencia se desconoce qué frecuencias se van a medir en un ensayo ODS. Por ello, se debe prestar una especial atención a evitar situaciones de saturación y lecturas por debajo de rango. Para ello, una buena estrategia consiste en realizar ciclos de prueba e ir cambiando los atenuadores de entrada. Pero para una mayor eficiencia y calidad de los datos, la mejor solución es utilizar un sistema de adquisición de datos con un alto rango dinámico, adaptado al de los transductores utilizados.
Además, cuando se realizan ensayos ODS en grandes estructuras como máquinas grandes, barcos, trenes, puentes y edificios, el trabajo de cableado puede ser enorme. Para reducir los costes de cablear el ensayo, simplificar la configuración y reducir el riesgo de errores, puede ser muy interesante utilizar un hardware de adquisición de datos distribuido, que se pueda situar cerca de los puntos de medida y que se conecte mediante cables LAN normales o, mejor aún, de forma inalámbrica.
Cuando se realiza un ensayo ODS en una estructura grande, los primeros patrones de vibración de interés pueden aparecer a frecuencia muy bajas, próximas a 0 Hz. Por consiguiente, tanto el equipo de adquisición de datos como los acelerómetros deben ser capaces de hacer mediciones de hasta CC.
En cuanto a los acelerómetros, muchos de los requisitos para otros ensayos estructurales, como los ensayos modales, también son de aplicación en este caso. Los parámetros que deben tenerse en cuenta van desde el rango dinámico, el rango de frecuencia y la sensibilidad hasta el peso, que debe ser reducido para que no suponga una carga significativa y para facilitar el montaje mediante accesorios tales como clips y bases. Por supuesto, también pueden ser de aplicación requisitos específicos, como altas temperaturas, estanqueidad, solidez, etc.
Las soluciones de HBK
HBK ofrece soluciones completas para los tres tipos de análisis ODS: desde acelerómetros y sondas tacométricas hasta sistemas de adquisición de datos con hardware y software de medida y análisis. Nuestros sistemas de adquisición de datos se basan en nuestro hardware LAN-XI, que puede configurarse como un front-end autónomo o como un sistema distribuidos, y en nuestro software BK Connect, diseñado pensando en la máxima comodidad para el usuario.
El análisis ODS es una de las aplicaciones complementarias que forman parte de la dinámica estructural. HBK también ofrece soluciones completas para análisis modal clásico, análisis modal operacional, correlación de modelos, monitorización de salud estructural y análisis de respuesta a impactos.
Le ofrecemos lecturas adicionales y nuestros seminarios grabados sobre análisis ODS y otras aplicaciones de dinámica estructural:
