Bir Pervane Kanadının Modal Testi ve Modal Analizi

İvmeölçerler kullanılarak yapılan yerinde titreşim ölçümleri, bir sistemin içsel dinamiklerini analiz etmek için temel veriler sağlar. Bu makalede, bir uçak pervane kanadının modal analizini yapmak için Dewesoft kullanılmıştır ve rezonans frekanslarını ve titreşim modları vurgulanmıştır. Ölçümler aracılığıyla, yapının dinamik davranışı daha iyi anlaşılmaktadır ve en önemlisi, deneysel ölçümlerin temel değerini gösterilmektedir.

Modal Test İçin Veri Toplama Enstrümantasyonu

Modal test genellikle yapının darbe çekici veya sarsıcı ile uyarılması ve daha sonra incelenen gövdeye sabitlenen bir veya daha fazla ivmeölçer ile titreşim tepkisinin ölçülmesiyle gerçekleştirilir.

Bu makalede yer alan ölçümler kontrollü bir ortamda, Trieste Üniversitesi mühendislik bölümünün teknik laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Aşağıdaki enstrümantasyon kullanılmıştır:

• 8 kanallı Dewesoft KRYPTON Veri Toplama Sistemi
• IEPE kuvvet sensörlü darbe çekici
• IEPE tek eksenli ivmeölçer

Kurulum

Öncelikle DewesoftX yazılımı içerisinde kullanılması planlanan sensörler tanımlanır.

• Darbe Çekici
• İvmeölçer (ACC 1)
• İvmeölçer (ACC 2)

Yazılımda, kullanılan tüm sensörlerin IEPE tipi olduğu ve darbe çekici ile ölçmek istenilen fiziksel niceliğin bir kuvvet [N] olduğu belirtilir. Sonra, sensörlerin hassasiyeti tanımlanır:  darbe çekici için 20 x, ivmeölçerler için ise on x’tir.

Modal analizi gerçekleştirmek için, iki sinyal arasındaki transfer fonksiyonunu hesaplamak için kullanılan matematiksel bir modül olan Modal Test’i seçip aktif hale getirmek için tıklanır.

Analiz için olmazsa olmaz olan darbe çekici/tepki grubunu gezdirme ayarlaması unutulmamalıdır. Sonra, yeni bir ölçüme geçildiğinde önceki ölçümlerin sonuçlarının bozulmaması için “Hesaplanmış grupları koru” seçeneği ayarlanmalıdır.

Bu noktada, sistemin edinim parametreleri üzerinde işlem yapılması gerekir. Çözünürlüğü, yani spektrumun spektral bileşenleri arasındaki mesafe tanımlanabilir. 4096 değeri ayarlandığında, bu nedenle edinim süresi 1,64 𝑠 olarak ortaya çıkar.

Temel bir parametre, bir sinyalin örneklendiği ve veri toplama sistemine yönlendirildiği frekans olan örnekleme oranıdır. Nyquist teoremine göre, veri toplama sisteminin frekansı, ilgi duyulan olgunun frekansının en az iki katı olmalıdır. Olası doğal kanat frekanslarının ilk tahmini, yüz veya bin Hz aralığında olabilir.

Sonuç olarak, 5000 𝐻𝑧’lik bir örnekleme frekansı tanımlanmıştır. Kanadın titreşim modlarının 1500 𝐻𝑧’ye kadar görülmesi istendiğinden, en az 3000 𝐻𝑧 örnekleme yapılmalıdır. Ancak, yeterli hata payına sahip olmak için bu sınır arttırılmaya karar verilmiştir.

Sonrasında, uyarım kısmına darbe çekicini ile kaç adet düğüm noktasına vurulacağı girilip tetik tanımlanır.

Tetik, darbe çekici aracılığıyla giriş kanalına uygulanan belirli bir kuvvet yoğunluğu mevcut olduğunda veri toplama ve işlemenin başlaması için yapılandırılır. Bu makaledeki durumda, 5 N değeri ayarlanmıştır ve birkaç çekiç darbesinin, düğüm başına tam olarak üç olmak üzere, birbiri ardına yürütülebilmesi için otomatik olarak yeniden tetiklenecek şekilde yapılandırılmıştır.

Ek olarak, zaman penceresini tanımlanabilmektedir. Bu makaledeki durumda, edinilen sinyale uygulandığında spektral sızıntı etkilerini azaltan bir pencereleme biçimi olan Kuvvet penceresini kullanılmıştır, böylece modal analizin spektral çözünürlüğünü ve veri kalitesini iyileştirilmiştir.

Tepki bölümüne, ivmeölçerlerin uygun tepki kanallarını girilmiştir:

• İvmeölçer (Acc1)
• İvmeölçer (Acc2)

Sensörlerin aynı anda ivmeyi ölçebilmesi için her ikisinin de aynı grupta yapılandırılmış olması gerekir.

Çıkış kanalları bölümünde, yazılımın Kullanılan olarak belirttiği ve dikkat edilmesi gereken birkaç terim bulunmaktadır:

• FRF H1 : Bu durumda girişte gürültü yoktur, bu da ölçümleri daha doğru hale getirir. Tüm gürültünün çıkışta mevcut olduğu varsayılır.
• Tutarlılık : Tutarlılık, iki ilişkili sinyal arasındaki doğrusallık derecesini ölçen 0 ile 1 arasında bir sayısal değerdir.
• Mod Gösterge Fonksiyonu (MIF) : Modal analizde kanat rezonans frekanslarını belirlemek için kullanılan bir araçtır.

MIF değeri DewesoftX’te görüntülenebilir.

Son olarak geometri editörü kısmında darbe çekicinin uygulanacağı düğüm noktaları işaretlenerek yapının geometrisi tanımlanır.

Prosedür

Yazılım uygun şekilde yapılandırıldıktan sonra, testin nasıl yapılacağı belirlenmelidir.

Serbest bir kısıtlamayı simüle etmek için bir köpük kauçuk temeli kullanılmıştır (bkz. Şekil 12).

Bu kısıtlama, tüm yapı boyunca eşit olarak dağılmayan, ancak köpük kauçuğun temas ettiği kanadın tabanı gibi belirli bir alanda yoğunlaşan yerel bir sönümlenmeye neden olur.

Etkisi karmaşık modların ortaya çıkmasına neden olur: yapının düğümleri birbirleriyle aynı fazda salınım yapmaz, bu nedenle pervane kanadının farklı noktaları çeşitli zamanlarda maksimum yer değiştirmeye ulaşır ve salınımlarda gecikmeye neden olur. Şekil 13’te ivmeölçerlerin konumları gösterilmiştir.

Pervane kanadı köpük kauçuğun üzerine yerleştirilmiştir ve ivmeölçerler balmumu kullanarak yapının üzerine yerleştirilmiştir.

Bu noktada, darbe çekici kullanılarak ölçümlere devam edilebilir. Her uyarım noktası için ortalama üç darbe ve her çekiç darbesi arasında 10 saniyeye eşit bir bekleme süresi içeren bir çalışma modu belirlenmiştir. Bir kez vurulduğunda, bu aralık yapının titreşimleri azaltmasını ve ilk denge koşullarına geri dönmesini sağlar.

Yazılımda aynı anda şunları görüntülemek mümkündür:

• Zaman tabanında vuruş
• Frekans tabanında vuruş

Her bir nokta için ölçümden memnun kalındığında bir sonrakine geçilmiştir. İlgilenilen düğümdeki çekiç vuruşlarının sonunda, yazılım FRF grafiğini doğrudan uyarım noktasına göre okunmasına izin verir.

Deneysel FRF’ler ve Titreşim Modları

Ölçüm tamamlandığında analiz için, DewesoftX yazılımında Modal Analiz modülü ile devam edilir:

Modül, bu durumda 44 olan belirli sayıda FRF’in işlenmesini ister. Tüm FRF’ler içe aktarıldıktan sonra, bunlar görüntülenebilir ve bir frekans aralığı tanımlanabilir, bu makalede bu değer 160 Hz’dir. Şekil 15 ‘te tüm frekans tepkisi fonksiyonlarının ortalama FRF’i görülebilir.

DewesoftX’te AutoMAC’i (Modal Assurance Criterion) görüntülenebilir. AutoMAC’teki “Auto”, iki modal formun aynı testten geldiği anlamına gelir.

Bire eşit bir AutoMAC değeri, iki modal formun aynı olduğunu gösterirken, sıfıra doğru eğilim gösteren bir değer, farklı olduklarını gösterir. Ana diyagonalde, iki aynı modal form karşılaştırıldığı için değer 1’dir.

Şekil 17’de açıklanan frekanslar sönümlenmiş olanlardır. Dewesoft Modal Analiz modülü ayrıca her mod için sönümleme oranlarını hesaplar.

Sonuç

Yazılımda modal şekiller görülebilmektedir. Kurulum bir darbe çekici, tek eksenli ivmeölçerler ve Dewesoft KRYPTON veri toplama sistemiyle yapılandırılarak kanadın titreşim tepkisi yakalanmıştır. İşlem, veri doğruluğu ve bütünlüğünü sağlamak için dikkatli kalibrasyon ve tetikleme içermektedir. İlgili frekans aralığını yakalamak ve analizin kapsamlı ve güvenilir olmasını sağlamak için çözünürlük ve örnekleme hızı gibi kritik parametreler optimize edilmiştir.

Serbest bir kısıtlamayı simüle etmek için köpük kauçuk bir temel kullanmak, karmaşık titreşim modlarını vurgulayan ve gerçekçi deneysel koşulların önemini vurgulayan yerelleştirilmiş sönümlemeyi tanıtmıştır. DewesoftX yazılımıyla işlenen sonuçlar, kanadın frekans tepkisi fonksiyonları (FRF’ler), sönümleme oranları ve modal şekilleri hakkında net bilgiler sağlamıştır.

Bir pervane kanadının modal analizinde, ivmeölçerlerle yerinde titreşim ölçümleri kullanılarak rezonans frekanslarını ve titreşim modlarını başarıyla belirlenmiştir. Dewesoft sistemi, kanadın dinamik davranışının hassas bir şekilde ölçülmesine ve analiz edilmesine olanak tanımıştır.

Bu deneysel yaklaşım, Kelvin’in iyileştirmenin ölçme becerisine dayandığı ilkesiyle uyumlu olarak, mühendislikte doğru ölçümlerin temel rolünü vurgular.