Testy młotkiem modalnym – podstawy [część 1]

Testy z wykorzystaniem młotka modalnego pozwalają na określenie charakterystyki dynamicznej badanego obiektu. Znajdują one zastosowanie w przypadku wielu wyzwań inżynierskich. Impact testing pozwala na analizę konstrukcji budowlanych takich jak mosty i wieżowce, gdzie kluczowa jest odporność na wiatr i drgania spowodowane ruchem pojazdów. Z wykorzystaniem tej metody sprawdzana jest odporność samolotów na zjawiska mogące prowadzić do niebezpiecznego zmniejszenia ich stabilności, a także przeprowadzana jest diagnostyka maszyn wykrywająca pęknięcia, luzy i inne uszkodzenia mające wpływ na dynamikę pracy urządzeń.

PRZEBIEG TESTU Z MŁOTKIEM MODALNYM

Test polega na wzbudzeniu obiektu poprzez uderzenie za pomocą młotka modalnego, a następnie dokonaniu pomiaru jego drgań swobodnych. Na poniższym rysunku przedstawiono budowę typowego, ręcznego młotka modalnego. Posiada on wbudowany czujnik rejestrujący siłę uderzenia oraz wymienne końcówki, które wpływają na charakterystykę wzbudzenia. Za pomocą przewodu młotek jest podłączany do systemu rejestracji danych testowych.

Przebieg testu zobrazowano na przykładzie belki jednostronnie utwierdzonej. Struktura zostaje wzbudzona poprzez uderzenie młotka, a odpowiedź układu zostaje zarejestrowana przy pomocy czujników drgań. W tym przypadku jest to akcelerometr jednoosiowy przymocowany na nieutwierdzonym końcu belki, który razem z młotkiem został podłączony do systemu akwizycji danych.

Impuls pochodzący od młotka stanowi wzbudzenie dla struktury. W zależności od doboru końcówki można modyfikować to, w jak szerokim zakresie częstotliwości obiekt zostanie pobudzony do drgań. Jeżeli częstotliwości rezonansowe belki znajdują się w tym zakresie, to odpowiadające im postaci drgań własnych mogą zostać wzbudzone. Na poniższym rysunku widnieją trzy pierwsze postaci rezonansowe, które w trakcie testu wzbudzono poprzez uderzenie młotkiem modalnym.

ANALIZA DANYCH TESTOWYCH

Dane zarejestrowane w trakcie przeprowadzonego testu zazwyczaj są prezentowane w postaci funkcji odpowiedzi częstotliwościowej (FRF – ang. Frequency Response Function). Wykres FRF powstaje jako stosunek odpowiedzi układu do sygnału wejściowego. W przypadku badania młotkiem modalnym sygnałem wejściowym jest zarejestrowana siła uderzenia, a pomiar przyspieszenia drgającej belki stanowi odpowiedź struktury. FRF jest uzyskiwany na podstawie wzoru:

Dla przykładowej belki uzyskano poniższy wykres FRF. Widnieją na nim piki wartości, które odpowiadają trzem pierwszym postaciom drgań własnych.

Wykres FRF niesie za sobą szereg cennych informacji, które są użyteczne dla inżynierów. Na jego podstawie można uzyskać na temat badanej struktury dane takie jak:

• Częstotliwości rezonansowe – Lokalne maksima na wykresie świadczą o występowaniu zjawiska rezonansu w danych częstotliwościach
• Postaci drgań własnych – Dokonując pomiaru odpowiedzi w kilku lokalizacjach struktury można uzyskać informacje na temat jej kształtów postaci rezonansowych
• Tłumienie – Na podstawie analizy kształtu pików na wykresie FRF istnieje możliwość wyznaczenia współczynnika tłumienia dla każdej z częstotliwości rezonansowych

PRZYGOTOWANIE TESTU Z MŁOTKIEM MODALNYM

Metoda impact testing pozwala na szybkie przetestowanie badanego obiektu. Na etapie przygotowań należy natomiast uwzględnić szereg istotnych czynników takich jak:

• Warunki utwierdzenia badanego obiektu
• Miejsce i sposób uderzania młotkiem
• Sposoby pomiaru drgań obiektu
• Właściwa konfiguracja układu pomiarowego
• Sposób analizy wyników

Na temat tych oraz wielu innych praktycznych aspektów będzie można się dowiedzieć z nadchodzącej serii artykułów o testach z wykorzystaniem młotka modalnego.

PODSUMOWANIE

Testy młotkiem modalnym są sprawdzonym i szybkim sposobem na uzyskanie wielu informacji na temat charakterystyki dynamicznej badanych obiektów. Jest to cenne źródło danych dla inżynierów pracujących nad konstrukcjami, które w trakcie pracy są narażone na obciążenia dynamiczne.