Modal Test ve Modal Analiz nedir? Amaç nedir?
Modal testler, modal analiz yapmak ve test nesnelerinin yapısal dinamikleri hakkında sonuçlara varmak için temel oluşturur. Modal Testler, test nesnesini titreştirmek için yapay uyarım kaynakları ile veya test nesnesini çalışma koşullarında çalıştırarak gerçekleştirilebilir.
Modal Testler ve Modal Analiz, yapıların doğal rezonans frekansları, sönümleme oranları ve mod şekilleri gibi dinamik davranışlarını ve yapısal özelliklerini hesaplamak ve anlamak için kullanılır. Böylece yapılar test edilebilir, optimize edilebilir ve doğrulanabilir.
Modal test gerçekleştirilirken, yapı kuvvet (N) uygulanarak iki şekilde uyarılabilir:
1) Modal Çekiç
2) Elektrodinamik Sarsıcı (Shaker)
Yapıya uygulanan kuvvetin tepkisini görmek için sensöre ihtiyaç vardır. Tepkiyi görmek için genellikle ivmeölçerler (g) kullanılır.
Modal Test ve Modal Analiz genellikle şunları içerir:
– Modal sarsıcı(shaker) veya darbeli çekiç
– Giriş uyarma sinyallerini alan güç dönüştürücüler
– Çıkış sinyalleri alan ivmeölçerler
– DAQ cihazı
– Modal test ve analiz yazılım uygulamasına sahip bir bilgisayar
Yapı nasıl uyarılır?
Modal analiz, Operasyonel Modal Analiz (OMA) olarak çalışma koşullarında yapılabileceği gibi Deneysel Modal Analiz (EMA) olarak yapay uyarım kaynakları uygulanarak da yapılabilir.
Deneysel Modal Analizde yapılar modal çekiçler veya titreşim sarsıcıları ile uyarılır. Seçilen sarsıcı veya modal çekiç, tüm yapıyı uyarabilecek frekans aralığında olmalıdır.
OMA (Operasyonel Modal Analiz)
OMA, çıkış (yanıt) sinyallerini ölçerek doğal frekanslar, sönümleme ve mod şekilleri gibi bir modal modeli tahmin eder. Giriş kuvveti sinyaline gerek yoktur.
Bazı durumlarda, yapıları darbeli çekiçler veya sarsıcılarla titreştirmek ya mümkün değildir ya da çok zordur. Bu gibi durumlarda yapılar doğal yüklerle yüklenir (açık deniz yapıları, köprüler, binalar vb. gibi). Yapılar bu tür testlerde kolayca kontrol edilemez veya ölçülemez.
EMA (Deneysel Modal Analiz)
EMA, basit ve karmaşık yapıların rezonans frekansları, sönüm oranları ve mod şekilleri gibi modal bir model sağlar. EMA’da yapılar yapay kuvvetlerle uyarılır ve OMA’dan farklı olarak, frekans yanıt fonksiyonunu elde etmek için hem giriş (uyarma) hem de çıkış (yanıt) sinyalleri ölçülür. Yapılar çekiç veya sarsıcılarla uyarılabilir.
EMA testleri sahada veya kontrollü laboratuvar ortamlarında gerçekleştirilebilir. Bu nedenle, kontrollü ortam nedeniyle EMA, OMA’ya göre daha fazla tercih edilmektedir. Bu sayede yapısal uyarımlar yönetilebilir.
EMA, giriş ve çıkış sayısına göre sınıflandırılabilir:
-SISO (Tek Giriş Tek Çıkış)
-SIMO (Tek Giriş Çoklu Çıkış)
-MIMO (Çoklu Giriş Çoklu Çıkış)
MIMO yöntemi ile yapının her parçası kolaylıkla uyarılabilir. Böylece yapının tüm bölümlerinden daha doğru yanıt alınabilir.
ODS (Çalışma Sapma Şekilleri)
Çalışma Sapma Şekilleri (ODS), yalnızca çıkış (tepki) titreşim sinyallerini ölçerek bir yapının çalışma koşullarında nasıl hareket ettiğini görmek için yapılan dinamik bir analizdir.
ODS, yapısal sapma şekillerinin animasyonları için kullanılır, ancak OMA ve EMA gibi modal model sağlamaz.
ODS sonuçları, geometri üzerinde canlandırılan sapma şekillerinden ve belirlenen tepki genliği ve faz bilgilerinden oluşur.
Modal Test Hazırlığı
- Bir yapı desteğinin seçilmesi
Test nesnesi, nesnelerin yapısal dinamiklerini en iyi şekilde ortaya çıkaracak şekilde serbestçe titreşebilmelidir.
- Uyarma kuvveti türü
Deneysel Modal Analiz (EMA) için farklı uyarma (giriş) türleri seçilebilir. (Sarsıcı veya darbeli çekiç).
– Darbeli çekiçlerin hızlı kurulum süresi ve ucuz olması gibi bazı avantajları vardır. Fikstüre gerek yoktur.
– Modal sarsıcılar, daha derinlemesine analizin gerekli olduğu daha büyük karmaşık yapılar için en iyi çözümdür. Modal sarsıcılar sayesinde uyarımların açısı ve konumu kesindir. Doğrusal olmayan durumlar tespit edilebilir. Herhangi bir frekans bandının uyarılması iyidir.
- Uyarım yerleri
EMA testi için, nesneyi titreşim özelliklerinin çoğunu ortaya çıkaracak şekilde etkileyecek pozisyonlarda uyarmak önemlidir.
- Kuvvet ve tepkileri ölçmek için kullanılan donanım ve sensörler
EMA testi için, giriş uyarımları genellikle kuvvet transdüserleri veya empedans kafaları ile ölçülür. Bir empedans başlığı hem bir kuvvet sensörü hem de bir ivmeölçer içerir. Empedans başlığına alternatif olarak, kuvvet sensörünün yanına bir ivmeölçer yerleştirilebilir. Tepki sinyalleri çoğunlukla ivmeölçerler ile ölçülür.
Frekans Tepki Fonksiyonu (FRF) ve Transfer Fonksiyonu nedir?
Basitçe tanımlamak gerekirse, sisteme bir giriş sinyali uygulanır, çıkış sinyali ölçülür ve yanıtın uyarıma oranı transfer fonksiyonunu verir. FRF, sistemin giriş ve çıkışı ölçülerek hesaplanır.
Sistemin doğrusal ve zamanla değişmez olduğu varsayılır.
Mekanik yapılarda riskli rezonans değerlerini görmek için transfer fonksiyonu elde edilir. Malzemenin gerilme değerinin çok yüksek olduğu frekans aralıklarından yani rezonans frekansından kaçınmak gerekir.
Sırasıyla giriş ve çıkış sinyalleri olan iki sinyal x(t) ve y(t) olduğunu varsayalım. X(f) ve Y(f), x(t) ve y(t)’den gelen karmaşık spektrumlardır. Yanıtın (çıkış) uyarıma (giriş) frekans alanında bölünmesi temel olarak transfer fonksiyonunu verir:
H(f) = Y(f) (çıkış sinyali) / X(f) (giriş sinyali)
Mekanik yapılarda:
FRF, yapıyı modal bir çekiç veya sarsıcı ile uyararak (kuvveti ölçerek) ve yapının tepkisini ivmeölçerlerle ölçerek (ivmeyi ölçerek) elde edilir.
Elektrik devrelerinde:
FRF, devreye girişte voltaj uygulayarak ve çıkıştaki voltajı ölçerek elde edilir.
Koherans nedir?
Koherans verileri, modal test validasyonu için önemli bilgiler sağlar. Rezonans ve anti-rezonans noktalarını belirlemek için giriş ve çıkış değerlerinin birbiriyle nasıl ilişkili olduğunu gösterir.
Koherans değeri 0 ile 1 arasındadır. 1 koherans değeri, ölçülen yanıtın tamamen ölçülen girdiden kaynaklandığını gösterir. Eğer 1’den küçükse, ölçülen yanıtın sadece ölçülen girişten kaynaklanmadığını gösterir.
Tutarlılık değeri ortalama ölçümlere dayanmalıdır.
FRF çok yüksek olduğunda, örneğin rezonans noktasında, tutarlılık değeri yaklaşık 1’dir. Bununla birlikte, FRF’nin yüksek olduğu bir noktada tutarlılık değeri sıfıra yaklaşırsa, bu gerçek bir rezonans olmayabilir.
Modal Test için sarsıcı türleri:
Farklı tipte titreşim sarsıcıları kullanılabilir:
– Kalıcı mıknatıslı sarsıcılar (PM)
– Modal sarsıcılar (MS)
– Ataletsel sarsıcılar (IS)
Her bir sarsıcı tipinin farklı avantajları vardır. Sarsıcı seçimi, gerçekleştirilen testin senaryosuna bağlıdır. Maksimum uyarma kuvveti seviyesi, frekans aralığı ve en önemlisi, test edilen cihazın yerleştirilme şekli, bir sarsıcı seçerken önemli parametrelerden bazılarıdır.
Kalıcı Mıknatıslı Sarsıcı (PM Shaker) Nedir?
Kalıcı mıknatıslı sarsıcılar (shakerlar) esas olarak çevresel testler ve sensör kalibrasyonu için kullanılır.
DUT, sarsıcı armatürünün üstüne yerleştirilir. Titreşim yüzey alanı, numune boyutlarına göre bir kafa genişletici kullanılarak genişletilebilir.
Kullanım Alanları:
– Mikro parçaların titreşim testi ve montajların ve elektroniklerin modal testi
– Şok Testi
– Sensör Kalibrasyonu
– Rezonans Testi
– Eğitim ve çeşitli araştırmalar
Modal Sarsıcı (MS Shaker) Nedir?
Modal titreşim sarsıcıları, büyük ve karmaşık yapıları uyarmak ve yüksek kaliteli modal veriler elde etmek için kullanılır. Modal çekiçlerle karşılaştırıldığında, modal sarsıcılar yapıyı daha geniş bir frekans aralığında ve çeşitli sinyal türleriyle uyarma yeteneğine sahiptir. Modal sarsıcılar, optimum ve doğru test sonuçları elde etmek için idealdir. Karmaşık yapılar için, birden fazla sarsıcıyı kullanmak daha gerçekçi kuvvet uyarımları ve mod şekillerinin daha iyi incelenmesini sağlar.
Modal sarsıcılar yapıya bir stinger ile monte edilir ve kuvvet bu stinger aracılığıyla sarsıcıdan yapıya aktarılır. Test edilen yapı ve/veya modal sarsıcı, serbest sınır koşullarını simüle etmek için test sırasında elastik bir halat veya yay gibi bileşenlerle asılabilir.
Modal sarsıcılar, stinger için açık delikli bir armatür ile tasarlanmıştır, böylece stinger, sarsıcıyı hareket ettirmeden DUT için gereken uzunluğa ayarlanabilir, bu da kurulumu kolaylaştırır.
Kullanım Alanları:
– Elektronik kartlar ve alt bileşenler
– Havacılık ve Uzay
– Otomotiv
– Makineler, taşıtlar, hava taşıtları ve inşaatlar
Ataletsel Sarsıcı (IS Shaker) Nedir?
Ataletsel sarsıcılar, daha düşük frekans bantlarında uyarım gerektiren yapılar için kullanılır. Kompakt, hafif ve el tipi olarak kullanılırlar.
Ataletsel modal sarsıcılar kullanım alanı olarak benzerdir. Modal sarsıcılar gibi yapıların titreşimsel davranışlarının incelenmesine yönelik testlerde de kullanılırlar. Ancak modal sarsıcılara göre bağlantı şekilleri farklıdır. Ataletsel sarsıcıların kendi gövdesi titreşir. Bu nedenle ataletsel sarsıcılar doğrudan yapıya sabitlenir.
Kullanım Alanları:
– İnşaat mühendisliği
– Otomotiv
– Havacılık ve Uzay
– Gemi İnşaatı
– Eğitim ve araştırma
Darbeli Çekiç Nedir?
Modal çekiç, çekiç darbe testleri için kullanılır. Darbe çekici genellikle basit bir yapıyı test etmek için tercih edilir veya daha karmaşık modal sarsıcı testlerinden önce hızlı bir önizleme olarak kullanılır. Darbe çekiçi, yapıyı kısa bir impuls ile uyarmak için kullanılır. Böylece, geniş bir frekans uyarımı verirler. Bir veya daha fazla ivme sensörü ile tepki ölçülür.
Çekiç, entegre bir kuvvet sensörüne ve farklı sertliklere sahip olabilen değiştirilebilir bir çekiç ucuna sahiptir. Modal teste dahil edilecek frekans aralığı ile ilgili olarak, doğru çekiç ucunun seçilmesi önemlidir. Darbeli çekiçler, yapının türüne bağlı olarak farklı boyutlarda ve özelliklerde gelir.
Darbe çekiçlerinin hızlı kurulum süresi ve ucuz olması gibi bazı avantajları vardır. Fikstüre gerek yoktur.
Modal Çekiç Nasıl Seçilir?
Öncelikle en uygun modal çekiç boyu seçilmelidir. Dikkate alınması gereken diğer özellikler aşağıdadır:
– Frekans cevabı ve frekans aralığı ile ilgili olarak, en uygun darbe ucunun seçilmesi
– Çekiç boyutu ve ağırlığı
– Ölçüm aralığı – yeterli darbe kuvveti seviyesi
– Hassasiyet – çok zayıf ve aşırı yüklenmiş seviyeler arasında bir denge sağlar
Bir sarsıcıyı uyarmak için sinyal türleri:
– Random
– Burst Random
– Pseudo Random
– Periodic Random
– Sinusoidal Chirp
– Sinüs Taraması ve Kademeli Sinüs (Sine scan and graded sine)
Kontrolör ve Sensör Seçimi
Sensörler, ivme aralığı, sıcaklık aralığı, frekans aralığı vb. temel alınarak seçilmelidir. Sensör sayısına da karar verilmelidir.
Kontrolör seçimi test koşullarına göre belirlenmelidir. Yaygın titreşim testi türleri şunlardır:
- Sinüs (Sine)
- Random
- Şok (Shock)
- RSTD (Rezonans Arama ve Tracking Dwell)
- Sine on random
- Sine on sine
- Random on random
- Sinüs ve Random on Random
- Şok Tepki Spektrumu
- Yorulma Testi (Fatigue Test)