Dinámica estructural

Dinâmica estrutural

Todas as estruturas, grandes e pequenas, estão sujeitas a forças físicas que afetam o seu desempenho. Desde uma pá de turbina eólica vibrando em um vendaval offshore, uma aeronave passando por turbulência durante o vôo até máquinas expostas a vibrações auto-geradas, estas forças testam a integridade das estruturas. No entanto, embora as estruturas devam ser resilientes e rígidas, uma engenharia excessiva pode ser desnecessária e dispendiosa; especialmente quando o peso é um problema. E algumas estruturas, tais como suportes de motor, não devem ser demasiado rígidas. Elas devem absorver vibrações para maximizar o conforto. Entender como as estruturas se comportam em serviço permite aos engenheiros otimizar seus projetos, monitorar a integridade estrutural e maximizar o desempenho.

Caracterização estrutural

Dinâmica estrutural trata-se da caracterização das propriedades estruturais e o comportamento das estruturas. As propriedades estruturais são expressas num conjunto de parâmetros modais, cada um consistindo numa forma de modo com uma frequência (ressonância) natural associada e um valor de amortecimento. Os parâmetros modais são derivados de um modelo matemático que descreve a relação entre as entradas e saídas e podem ser obtidos usando a análise modal clássica ou a análise modal operacional (OMA).

Na análise modal clássica, a estrutura é excitada usando martelos de impacto ou excitadores modais (agitadores modais), enquanto que na análise modal operacional, é usada a excitação natural. Em ambos os casos, a resposta é tipicamente medida usando acelerômetros.

Determinar como os choques afetam uma estrutura é um tipo especial de caracterização estrutural. Para este fim, é utilizado o espectro de resposta ao choque (SRS) calculado a partir de transientes no domínio do tempo.

O comportamento estrutural é observado utilizando técnicas como a análise das formas de deflexão operacional (ODS) para determinar os padrões de vibração das estruturas sob várias condições operacionais ou utilizando a monitoração permanente da saúde estrutural (SHM) para seguir continuamente o estado estrutural e determinar a gestão da saúde necessária da estrutura.

Ensaio de integração e simulação

Estruturas são frequentemente projetadas usando modelos de elementos finitos (FE), e seus modelos geométricos e previsões de resultados são muito úteis para otimizar os testes. A importação de modelos FE detalhados não só lhe permite criar modelos de teste mais simples e altamente precisos, mas também o ajuda a definir a excitação e resposta ótima DOFs para obter os melhores resultados de teste possíveis. As previsões FE podem ser correlacionadas com os resultados do teste, e os dados do teste podem ser importados de volta para as ferramentas de simulação para atualizar os modelos FE.

Webinar gravado: Introduction to Structural Dynamics Measurements and Analysis >

A análise das formas de deflexão operacional (ODS) é uma aplicação muito versátil para determinar os padrões de vibração de máquinas e estruturas sob várias condições de operação. Os padrões de vibração são mostrados como modelos geométricos animados da estrutura que mostram uma combinação da função de forças atuando sobre a estrutura e as propriedades dinâmicas da estrutura.

A função de força depende das condições de operação, que para as máquinas, podem ser influenciadas por fatores como velocidade, carga, pressão, temperatura e fluxo do motor. Para estruturas de engenharia civil, forças ambientais do vento, ondas e tráfego também podem ser aplicadas.

Análise ODS pode ser dividida em três tipos – ODS temporal, ODS espectral e ODS de run-up/down.

Sistema sugerido

Operating deflection shapes analysis system overview 

Brüel & Kjær’s sistemas ODS escaláveis fornecem orientação completa através da configuração, medição e animação para cada tipo de ODS.

Nossos sistemas cobrem toda a cadeia de medição e análise incluindo acelerômetros, sondas tacográficas, hardware de aquisição de dados LAN-XI e BK Connect® software.

Webinar gravado: Análise de Formas de Deflexão Operacional - Determinação de Padrões de Vibração sob Condições de Operação

Na análise modal clássica, um modelo da propriedades dinâmicas de uma estrutura é obtido excitando a estrutura com forças mensuráveis e determinando a relação resposta/excitação.

Análise modal clássica varia de testes de mobilidade simples com um martelo de impacto móvel e um acelerômetro fixo a testes multi-shaker de grandes estruturas utilizando centenas de acelerômetros. É utilizado numa vasta gama de testes, incluindo verificação e otimização do projeto, testes de certificação, resolução de problemas e benchmarking. 

Sistema sugerido

Classical modal analysis system overview

As nossas soluções clássicas de análise modal guiam-no através da configuração completa, medição e análise em passos simples e intuitivos, e fornecem-lhe resultados precisos e confiáveis mesmo nas situações mais exigentes, com um conjunto específico dos melhores estimadores de parâmetros modais e ferramentas de validação.

Nossas soluções cobrem toda a cadeia de medição e análise incluindo acelerômetros e transdutores de força, martelos de impacto, sistemas de excitadores modais, hardware de aquisição de dados LAN-XI e BK Connect® software para análise de pré-teste, medição, análise e correlação de modelos de elementos finitos. Nossas soluções também são expansíveis para que possam crescer com suas necessidades. 

Video: Brüel & Kjær Stepped Sine

A simulação virtual acelerou dramaticamente o processo de desenvolvimento geral da aeronave. No entanto, os testes físicos continuam a ser uma contibuição crítica tanto para a validação do modelo como para a compreensão das características estruturais dos novos materiais e processos de fabricação.

Testes de vibração da aeronave em solo (GVT) é usado para determinar os parâmetros modais da aeronave completa e é normalmente realizado muito tarde no processo de desenvolvimento. O resultado é usado para atualizar os modelos analíticos da aeronave’s para prever os limites de flutter (combinações de altitude e velocidade) e estabelecer um envelope de vôo seguro antes do primeiro vôo de teste. Após os vôos de teste, os modelos analíticos são atualizados, os cálculos finais de flutter feitos, e a aeronave obtém sua certificação de aeronavegabilidade.

GVT é obrigatório para novas aeronaves e para as aeronaves existentes que passam por modificações.

Sistema sugerido

Vista geral do sistema de teste de vibração em solo

Um sistema GVT típico consiste em sistemas de excitadores modais, acelerômetros modais e hardware de aquisição de dados LAN-XI. As medições e o pós-processamento são realizados com software BK Connect®. A geometria do teste é definida com base em um modelo de Elemento Finito (FE) do objeto de teste. O modelo FE também fornece a base para uma análise de pré-teste para definir DOFs de excitação e resposta (Degrees-Of-Freedom), e para investigação dos modos alvo.

Este sistema é escalável, dependendo do tamanho do objeto de teste, e especialmente para objetos maiores, o hardware de aquisição de dados LAN-XI pode ser distribuído, para minimizar o cabeamento.

Na análise modal operacional (OMA), apenas a saída de uma estrutura é medida usando as forças ambientais e operacionais como entrada não-medida. A OMA é utilizada ao invés da análise modal clássica para uma identificação modal precisa em condições reais de operação e em situações em que é difícil ou impossível excitar artificialmente a estrutura.

Muitas estruturas de engenharia civil e mecânica são difíceis de excitar artificialmente devido ao seu tamanho físico, forma ou localização. As estruturas de engenharia civil também são carregadas por forças ambientais, como as ondas contra estruturas offshore, o vento nos edifícios e o tráfego nas pontes, enquanto estruturas mecânicas, como aeronaves, veículos, navios e máquinas, exibem vibração auto-gerada durante a operação.

Na OMA, essas forças, que produziriam resultados errôneos na análise modal clássica, são, ao invés disso, aproveitadas como forças de entrada. Como a OMA pode ser realizada in situ durante a operação normal, o tempo de configuração é reduzido e o tempo de parada pode ser eliminado.

Sistema sugerido

Operational modal analysis system overview 

Para um sistema de teste e análise modal integrado e fácil de usar, use BK Connect® Time Data Recorder para aquisição de dados guiados por geometria, e então transfira os dados para o software PULSE Operational Modal Analysis para análise e validação.

Para alcançar a solução OMA ideal, você pode selecionar a completa cadeia de medição e análise Brüel & Kjær’s incluindo acelerômetros, hardware de aquisição de dados LAN-XI e software de medição e pós-processamento. 

Video: Brüel & Kjær Análise Modal Operacional>

>Webinar gravado: Análise Modal Operacional - Identificação do Parâmetro Modal sob Condições Operacionais

As estruturas degradam-se com o tempo devido ao uso, às condições ambientais severas e a eventos acidentais. O uso do Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) contínuo e de longo prazo torna possível acompanhar o estado estrutural e determinar a gestão de saúde necessária da estrutura, como a organização da manutenção e reparo.

SHM é um objetivo muito importante para os utilizadores finais, fabricantes e equipamentos de manutenção como é o caso:

  • Permite uma utilização ótima das estruturas
  • Minimiza o tempo de parada
  • Pode evitar falhas catastróficas
  • Prolonga a vida útil das estruturas
  • Ajuda melhorar o projeto das estruturas
  • Ajuda a otimizar a organização dos serviços de manutenção

Sistema Sugerido

As nossas soluções SHM cobrem a cadeia completa de medição e análise. Elas incluem o carregamento e processamento automático de dados, rastreamento de modo, detecção de danos e análise de drift. Serviços de notificação (alerta) tais como serviços visuais, auditivos, de e-mail e web podem ser configurados.

Os nossos algoritmos de detecção de danos funcionam no domínio físico utilizando modelos de espaço de estado em vez de no domínio modal reduzido. Isto dá uma detecção mais robusta com a maior precisão possível.

Video: Brüel & Kjær Structural Health Monitoring

Video: Structural Health Monitoring of a Wind Turbine Blade

Video: Monitoramento Preditivo da Saúde Estrutural de Lâminas de Turbinas Eólicas

Integração de teste e análise de elementos finitos (FEA) é uma disciplina central na dinâmica estrutural. A integração de testes e FEA ajuda a reduzir os custos de desenvolvimento, reduz o número de protótipos físicos e encurta o tempo desde o conceito até à produção – tudo isto através da otimização de estratégias para testar estruturas e melhorar o desenvolvimento de modelos de elementos finitos (FE).

Utilizando modelos FE de base, você pode otimizar seus testes estruturais no início de um projeto e depois melhorar esses modelos FE usando os resultados dos testes melhorados.

BK Connect® oferece ferramentas poderosas para ganhar mais confiança nos resultados dos testes e simulações e para melhorar as habilidades essenciais de julgamento de engenharia, beneficiando engenheiros de testes, analistas e gerência.

Sistema sugerido

Test-FEA integration system overview

BK Connect oferece uma plataforma para planejamento de testes (análise pré-teste), medições estruturais e análise e correlação de modelos FE. 

modelos FE podem ser importados dos principais programas FEA, tais como Nastran® (MSC, NX, NEi), ANSYS® e ABAQUS® para a Análise Modal BK Connect para realizar o planejamento de testes através da investigação dos resultados da simulação em termos de faixa de frequência de interesse, densidade de modo, ordem de modo, modos críticos, etc.

Os resultados da simulação podem, além disso, ser usados para otimizar o número e a localização das DOFs de excitação e resposta, e uma geometria de teste precisa dizimada a partir do modelo FE é facilmente criada. Uma vez feito o teste modal, os resultados podem ser comparados com os resultados da simulação para validação. 

BK Connect Correlation Analysis permite ir um passo além, realizando uma análise de correlação visual e numérica completa para identificar falhas nos testes modais e quaisquer áreas de qualidade de modelagem insuficiente nos modelos FE. É uma forte ferramenta para desenhar condições de teste ideais e avaliar diferentes estratégias de modelagem. 

Um único evento de choque transitório, como uma explosão ou um impacto estrutural, pode danificar componentes de um sistema estrutural. Da mesma forma, os terremotos podem causar falhas catastróficas em pontes e edifícios. E com qualquer entrada de movimento em um sistema, a resposta pode ser amplificada por ressonâncias estruturais, aumentando os danos. Calculando o espectro de resposta ao choque (SRS) pode-se determinar como os choques afetam uma estrutura.

Sistema sugerido

Visão geral do sistema de teste de durabilidade

BK Connect Shock Response Spectrum Analysis software suporta todos os cinco modelos SRS descritos na norma ISO 18431-4:2007. Combinado com os nove critérios comuns para cálculos de amplitude (instâncias de choque), até 45 tipos de resposta podem ser calculados para atender às suas necessidades.

Acelerômetros especiais de choque para medições de alto nível e alta frequência fazem parte de nossa cadeia completa de medição e análise.

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