Validación de los modelos FE con el vibrómetro 3-D

Validación de los modelos FE con el vibrómetro 3-D

validación-modelos-FELa eliminación de sonidos no deseados es un tema prioritario en el diseño automotriz. Muchos de los componentes, como las cajas de transmisión, comprometen la experiencia de conducción por el sonido que emiten. El modelo FE es una herramienta vital y poderosa usada durante el análisis de vibración y emisión de sonido. El IPEK (Instituto de Ingeniería de Producto en Karlsruhe) usa este tipo de técnicas como parte de la optimización del proceso de diseño.

El modelado FE sobre intervalos amplios de frecuencia es usado para determinar las frecuencias propias y los vectores propios durante el modelo de validación. Estos modelos son un medio importante para mapear de manera realista el efecto de los cambios de diseño en el producto final.

En la experimentación tradicional, la aceleración de los sensores es usada para la medición de vibraciones y los “shaker” son usados para generar la excitación.

Para estructuras complejas, una aplicación de este tipo es complicada, costosa y susceptible al error. Los puntos de medición y excitación deben ser definidos con cuidado, asegurándose que todas las frecuencias propias están excitadas y puedan producir una resolución adecuada de los vectores propios correspondientes. El vibrómetro laser 3-D es una alternativa interesante, permitiendo un mayor número de puntos de medición, que pueden alcanzarse con menos esfuerzo y menor costo y sin introducir influencias de masa adicionales en el sistema.

Prueba de excitación y montaje

Las mediciones integrales con un vibrómetro láser requieren que todos los puntos de medición estén accesibles visualmente. La solución más conveniente sería un vibrómetro laser 3-D montado en un robot. Adicionalmente, pueden usarse espejos para desviar el haz de láser, o el vibrómetro u objeto de medida puede ser reposicionado para medir puntos ocultos contrarios. Programar un robot para mover los cabezales del láser alrededor del objeto de medición, permitiendo medir estructuras complejas.

El vibrómetro laser 3-D puede determinar eficazmente los parámetros modales de una estructura compleja.

Los conjuntos de datos resultantes son posteriormente combinados con la función de costura del software de escaneo del vibrómetro para reproducir un mapa de vibraciones de cuerpo completo.

 

Montaje-suspendidoFig.1 Montaje en suspensión

 

El objeto de medición, como la caja de transmisión usada en este ejemplo, puede ser suspendido con correas (Fig.1) o en una estructura de montaje vertical (Fig.2), con el “shaker” y la estructura aislada del medio ambiente mediante patas de goma.

 

montaje-verticalFig. 2 Montaje vertical

La calidad de las variantes del montaje se pueden evaluar comparando el llamado “Función de punto de manejo” (DPF), el cociente del espectro de la respuesta del sistema en el punto de excitación y la fuerza introducida, dando una secuencia claramente definida de resonancias y anti resonancias, una tendencia descendente o ascendente y una gran brecha adecuada entre el cuerpo rígido y los modos de la estructura que deben ser identificados. (Fig.3)

 

DPF-variantes-montajeFig. 3 DPF (Función del punto de manejo) De las variantes de montaje.

 

Estos criterios se cumplen en ambas variantes del montaje. El modo de cuerpo rígido ocurre en ambas variantes alrededor de 30 Hz, sin embargo en la variante del montaje vertical, algunas resonancias entre 600 Hz y 1000 Hz son ligeramente distintas presentando picos adicionales. Una de las ventajas del método de montaje vertical es una instalación más rápida sin embargo su desventaja es subestimar los valores de amortiguación modal y resonancias adicionales.

Al igual que el método del montaje, la punta usada para unir la estructura y el “shaker” también tiene una gran influencia en los resultados del experimento. (Fig. 4).

influencia-variante-acoplamientoFig. 4 Influencia de la variante de acoplamiento durante la excitación

La curva azul se refiere a una variante de la punta con dos conjuntos de abrazadera y la curva verde se refiere a una variante de un simple estudio del dispositivo de fijación. Los resultados son similares en un principio, aunque las variantes más simples presentan resonancias adicionales en el rango de baja frecuencia y mucho menos resonancias distintas en el rango de alta frecuencia.

Por consiguiente, la punta delgada, rígida y fija se adapta mejor a la estructura del objeto de investigación para mediciones superiores a 1200 Hz.

Medición y evaluación de vibraciones

Después de especificar la configuración de la prueba, el escaneo del vibrómetro 3-D PSV-400 es aplicado a la caja de transmisión para determinar las respuestas del sistema en 600 puntos de medición y frecuencias mayores a 4000 Hz. Las funciones de transferencia asociados pueden ser importados dentro de la prueba LMS usando un formato UFF y evaluarlo allí. En los intervalos de evaluación arriba de 3500 Hz, las frecuencias propias son identificadas y pueden ser clasificadas como fiables, sobre la base de Auto-MAC y la síntesis modal. Los picos adicionales en las variantes del montaje vertical pueden ser identificados como modos no estructurales de análisis Auto-MAC.

Correlación con el modelo FE

El análisis modal se realiza por el método BlockLanczos disponible en MD Nastran.

Para relacionar los dos modelos (Fig.5), los datos del experimento son importados en MATLAB usando un formato UFF mientras que los datos numéricos se importan mediante el uso de la MATLAB / Nastran interfaz IMAT FEA.

modo-propio-2800Fig. 5 Modo propio a 2800 Hz (Izquierda:medido; derecha: el modelo)

Los dos conjuntos de datos se colocan y correlacionan de forma automática. Para las primeras 16 frecuencias propias, ésto resulta en una media de correlación MAC (Fig.6) de 91 % y una variación de la frecuencia media de 1.28 %.

 

análisis-MACFig. 6 Análisis MAC de los modelos investigados

 

La correlación MAC es mejor en los modos bajos, mientras que la correlación de frecuencia es mejor en los modos altos.

Conclusiones

El ejemplo muestra que el vIbrómetro laser 3-D puede determinar eficazmente los parámetros modales de una estructura compleja en poco tiempo, particularmente cuando el objeto de medición -incluyendo la fuente de excitación- es rotado para mediciones desde direcciones diferentes.

Mediante la selección adecuada de la punta, la vibración de excitación puede aplicarse con fiabilidad, incluso en rangos de frecuencia alta. Es posible validar el modelo FE con la configuración descrita aquí en todo el rango de evaluación. Las variaciones están dentro de los valores límite que se pueden lograr con los modelos de datos FE basados en CAD.

Polytec. “Optimization of Sound Emission Properties”. En Blog de Lengua [documento en línea: http://www.polytec.com/us/news/newsletter/; acceso: Agosto de 2013].

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