Análise ODS — uma ferramenta de diagnóstico poderosa para compreender o comportamento estrutural

A análise ODS (Operating Defletion Shapes) é uma das ferramentas mais populares dentro da dinâmica estrutural. Ela fornece informações muito úteis para entender o comportamento dinâmico das estruturas, as técnicas aplicadas são fáceis de entender, pois não há matemática pesada envolvida, é fácil de usar e pode ser realizada por meios relativamente simples. Com o BK Connect, você pode executar todos os três tipos de análise ODS: ODS de tempo, ODS espectral e ODS não estacionários.

O que é a análise ODS - análise de Formas de Deflexão Operacional?

A análise ODS trata da determinação e visualização dos padrões de vibração de estruturas sob condições operacionais. Esses padrões de vibração - também conhecidos como formas de deflexão - são mostrados em diferentes frequências, ordens ou instâncias de tempo como uma geometria animada que representa as deflexões estruturais, bem como listados em tabelas de forma para os vários pontos e direções (DOFs) na geometria. Os valores de vibração são mostrados como aceleração, velocidade ou deslocamento, com escala de pico, pico a pico ou RMS e em unidades SI ou imperiais.

As condições de operação podem ser definidas, por exemplo, pela velocidade de rotação de várias partes de uma máquina e pela carga, pressão e fluxo a que a máquina ou estrutura está exposta. As mudanças nas condições resultarão em diferentes padrões de vibração.

Os sinais de vibração observados contêm uma combinação da função de força externa atuando na estrutura, forças geradas internamente e as propriedades dinâmicas da estrutura definidas por seus parâmetros modais. Nas ressonâncias, as forças são amplificadas significativamente, levando a grandes níveis de vibração. Isso pode levar a tudo, desde desconforto ao dirigir um carro a danos estruturais com consequências desastrosas, como colapsos de aeronaves e pontes. Consequentemente, a identificação das frequências de ressonância estruturais e como as forças as excitam é um cenário de uso muito típico para análise de ODS.

Na análise ODS, observamos a saída de uma estrutura X _i (ω)em vários DOFs. As forças externas e internas F (ω) e as Funções de Resposta em Frequência H (ω) representando as propriedades dinâmicas da estrutura não são medidas.

Medir a vibração e visualizar as formas de deflexão em função do tempo ou em frequências ou ordens específicas fornece uma compreensão muito melhor de um problema potencial ou consideração de projeto do que apenas observar os níveis de vibração medidos. E, como tal, ajuda os engenheiros a encontrar soluções mais otimizadas. Consequentemente, a análise de ODS costuma ser a primeira etapa da dinâmica estrutural para muitos usuários.

Cenários de Uso para análise de ODS

Como você está apenas medindo a saída da estrutura, a análise ODS pode ser realizada em qualquer estrutura (linear ou não linear), excitada com qualquer tipo de sinal (por exemplo, estacionário, quase estacionário ou não estacionário) e ter qualquer tipo de condições de contorno (de livre para fixo). Isso torna a análise ODS muito fácil de usar. Em contraste com o teste modal, nenhuma análise de pré-teste é necessária para selecionar os sinais de excitação corretos e as condições de contorno e, durante a medição, nenhuma excitação de entrada artificial é aplicada usando martelos de impacto ou excitadores modais. No entanto, como nenhum modelo é criado como no teste modal, nenhuma previsão de respostas de vibração em outras condições pode ser feita. Portanto, se as condições mudarem, você deve medir novamente.

O uso da análise ODS é diverso. Da verificação do projeto, definição de metas e benchmarking à solução de problemas, controle de qualidade e monitoramento da integridade da máquina. Os cenários de uso típicos incluem:

Validação de previsões de FEM a partir de simulações de resposta forçada, comparando-as aos dados medidos de ODS
Comparando valores de ruído e vibração medidos com valores de referência
Garantir que as ressonâncias estruturais não sejam excitadas e as velocidades críticas não ocorram
Identificar e separar ruído rotacional e estrutural e fenômenos de vibração originados de peças rotativas e fixas, respectivamente
Relacionando radiação de ruído com vibração estrutural
Reduzindo o ruído e vibração excessivos
Investigar o desgaste da máquina resultando em, por exemplo, desequilíbrio, desalinhamento do eixo e ruído
Analisando fenômenos transitórios, como batidas de portas, explosões, lançamentos e disparos, impactos de queda e queda
Analisando máquinas funcionando em velocidade constante ou ligeiramente variável
Analisar sistemas não lineares e realizar análises de variação de frequência, como aceleração / desaceleração do motor
Monitoramento de estruturas de engenharia civil que são carregadas por forças ambientais, como ondas em estruturas offshore, carga de vento em edifícios e efeitos de carga de tráfego em pontes

Tipos de análise ODS

A análise de ODS é normalmente dividida em três grupos:

ODS de Tempo
O ODS de tempo é usado para investigar o padrão de vibração de uma estrutura em função do tempo. O ODS de tempo inclui todas as frequências na faixa de frequência analisada e é muito útil para mostrar um ODS geral em um determinado ponto no tempo para sinais estacionários ou não, como sinais transitórios.
ODS espectral
O ODS espectral é usado para investigar o padrão de vibração de uma estrutura para frequência específica ou componentes de pedido. Para investigações de componentes de frequência, a análise FFT é usada e as condições devem ser estacionárias. Para investigações de componentes de pedido, o rastreamento de pedido é usado e as condições podem ser ligeiramente quase estacionárias, por exemplo, uma velocidade do motor ligeiramente variável. O ODS de diferentes componentes espectrais é posteriormente extraído, mostrado em uma tabela de formas e animado.
ODS não estacionário
ODS não estacionário é usado para investigar o padrão de vibração de uma estrutura para frequência específica ou componentes de ordem em função da velocidade de rotação ou do tempo. Os resultados são baseados na análise FFT ou rastreamento de pedido. O ODS não estacionário é muito útil para identificar qual ruído e comportamento de vibração estão relacionados à rotação e quais às partes fixas de máquinas em funcionamento. ODS de aceleração / desaceleração, em que um motor é acionado para cima e para baixo, é uma variante frequentemente usada do ODS não estacionário.

Análise de Tempo ODS BK Connect de um quadro de carro.
Um intervalo de tempo pode ser selecionado e varrido enquanto anima os padrões de vibração. Um fator de dizimação pode ser aplicado para ignorar amostras. A vibração nos vários DOFs pode ser salva em instâncias de tempo discretas em uma tabela de forma.

Análise Espectral ODS BK Connect de um quadro de carro.
As formas são animadas selecionando frequências / ordens nos espectros e os padrões de vibração são documentados em uma tabela de formas para fácil recuperação e comparação. A vibração nos vários DOFs pode ser mostrada como aceleração, velocidade ou deslocamento com escala de pico, pico a pico ou RMS. Podem ser usadas unidades SI ou imperiais.

BK Connect Análise de ODS para cima / para baixo de um quadro de carro simplificado.
As formas são animadas selecionando combinações de frequência / ordem e rpm / tempo em um gráfico de contorno. Nesse caso, o ODS de execução baseado em FFT é usado, onde as linhas oblíquas representam ordens e as linhas verticais representam ressonâncias estruturais. Quanto ao ODS espectral, os padrões de vibração podem ser documentados em uma tabela de formas.

Instrumentação para análise de ODS

Como apenas a saída da estrutura / maquinário é medida, a instrumentação para análise de ODS é relativamente simples e barata. Ele consiste em um sistema de aquisição de dados com hardware, software de medição e análise, transdutores de resposta (geralmente acelerômetros) e, potencialmente, uma sonda de tacômetro. A sonda do tacômetro é necessária se você realizar a análise ODS em máquinas com velocidades ligeiramente variáveis, onde o rastreamento do pedido deve ser executado para evitar manchas de frequência. Ou você pode precisar de uma sonda de tacômetro para anotar testes de aceleração / desaceleração com tags RPM, mesmo se o rastreamento do pedido não for executado.

Os sistemas para análise de ODS variam de sistemas simples de 2 canais usando acelerômetros móveis a sistemas com centenas de acelerômetros para medição em estruturas complexas com todos os DOFs medidos simultaneamente.

Exemplo de um sistema ODS que consiste em acelerômetros, sonda de tacômetro,
e hardware e software de aquisição de dados .

Como as vibrações medidas em um teste ODS são frequentemente desconhecidas, é importante prestar atenção especial para evitar sobrecargas e situações abaixo da faixa. Muito pode ser feito fazendo testes constantes e alterando os atenuadores de entrada de acordo. Mas para maior eficiência e qualidade de dados, a melhor solução é usar um sistema de aquisição de dados com uma alta faixa dinâmica compatível com os transdutores usados.

Além disso, ao realizar testes de ODS em grandes estruturas, como grandes máquinas, navios, trens, pontes e edifícios, a tarefa de cabeamento pode ser imensa. Para reduzir o custo do cabeamento, simplificar a configuração do teste e eliminar o risco de erros, pode ser muito vantajoso usar hardware de aquisição de dados distribuível que pode ser localizado próximo aos pontos de medição e conectado por meio de cabos LAN padrão simples ou sem fio.

Ao realizar testes de ODS em grandes estruturas, os primeiros padrões de vibração de interesse podem estar em frequências bastante baixas, perto de 0 Hz. Consequentemente, o hardware de aquisição de dados e os acelerômetros devem suportar medições até DC nesses casos.

Com relação aos acelerômetros, muitos dos requisitos para outros testes estruturais, como testes modais, se aplicam aqui também. Os parâmetros a serem considerados variam de faixa dinâmica, faixa de frequência e sensibilidade a baixo peso para evitar carregamento de massa e fácil montagem usando acessórios como clipes e bases. Requisitos específicos, como faixa de alta temperatura, vedação hermética, robustez, etc., também podem ser aplicados.

Soluções HBK

HBK oferece soluções completas para todos os três tipos de análise ODS - de acelerômetros e sondas de tacômetro, a sistemas de aquisição de dados com hardware e software de medição e análise. Nossos sistemas de aquisição de dados são baseados em nosso hardware LAN-XI, que pode ser configurado como um único front-end ou como sistemas distribuídos, e em nosso software BK Connect focado no usuário.

A análise ODS é uma das várias aplicações complementares dentro da dinâmica estrutural. A HBK também oferece soluções completas para análise modal clássica, análise modal operacional, correlação de modelo, monitoramento de integridade estrutural e análise de resposta a choque.

Leia mais sobre e assista às gravações de nosso webinar sobre análise de ODS e outros aplicativos de dinâmica estrutural e veja como podemos ajudar:

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