Analisi modale sperimentale con FEMtools NI DAQ

L’analisi modale sperimentale è una tecnica di prova che permette di identificare il comportamento dinamico reale di una struttura, ricavandone le frequenze proprie, le forme modali e i coefficienti di smorzamento a partire da misure sperimentali. In pratica, il componente viene eccitato con una forza nota e se ne misura la risposta, così da descrivere come tende a vibrare nelle diverse condizioni.

L’EMA è molto utile perché consente di capire in modo oggettivo come una struttura si comporta realmente, andando oltre le sole ipotesi teoriche o numeriche. Per questo motivo viene spesso impiegata per la Verifica e Validazione dei modelli FEM. In particolare, l’EMA permette di individuare possibili criticità vibrazionali, analizzare fenomeni di risonanza e supportare attività di progettazione, ottimizzazione e troubleshooting, sia in laboratorio che sul campo.

Quando abbiamo a che fare con componenti di dimensioni contenute, è molto utile la tecnica dell’analisi modale free-free. Si tratta di una prova dinamica eseguita su un componente vincolato il meno possibile, in modo da riprodurre una condizione “libera” e misurarne le frequenze proprie, i modi di vibrare e lo smorzamento senza l’influenza dei vincoli esterni. Viene eseguita per caratterizzare il comportamento dinamico intrinseco della struttura e validare i modelli numerici, con il beneficio di ottenere dati più rappresentativi del componente reale e una migliore correlazione tra test e simulazione.

Tipicamente per realizzare fisicamente un sistema free-free è necessario appendere l’oggetto da misurare su un sistema di sospensioni elastiche in maniera che siano consentiti tutti i moti di corpo rigido, come nell’esempio illustrato in figura.

La bellezza di questo tipo di misura risiede nella possibilità di riuscire a replicarla fedelmente anche al FEM, eseguendo l’analisi modale senza applicare alcun vincolo al modello. Infatti, in molti contesti l’analisi modale FEM free-free viene eseguita per comprendere il comportamento dinamico intrinseco della struttura e identificare eventuali criticità di risonanza già nelle prime fasi di progetto.

L’analisi modale sperimentale mediante hammer test consiste nell’eccitare la struttura con un martello strumentato e misurarne la risposta tramite accelerometri, così da ricavare frequenze proprie, forme modali e smorzamenti. È una tecnica rapida ed efficace per identificare il comportamento dinamico reale del componente e per verificare o aggiornare i modelli numerici.

In SmartCAE ci siamo attrezzati con un kit “minimalista” per l’esecuzione di analisi modale sperimentate mediante hammer test. Il kit è costituito da:

• Scheda di acquisizione NI
• Accelerometro monoassiale PCB
• Martello PCB

FEMtools NI DAQ consente infatti l’interfacciamento di FEMtools con le schede di acquisizione National Instruments per eseguire il campionamento dei segnali digitali al fine di gestire la catena di misura accelerometrica. Attraverso questo add-on gli utilizzatori di FEMtools e di sistemi di acquisizione NI sono adesso in grado di eseguire facilmente di vari tipi di test: hammer test, shaker, oma.

Attraverso questa strumentazione e un portatile con FEMtools NI DAQ è possibile allestire una catena di misura trasportabile in grado di eseguire analisi modali su parti e assiemi di qualsiasi dimensione.

Avendo a nostra disposizione un solo accelerometro, siamo in grado di applicare la tecnica del roving hammer che permette di descrivere molte coordinate di misura con una strumentazione ridotta. In pratica, si mantiene l’accelerometro fisso in un punto e si eccita la struttura negli altri punti della griglia. Questa tecnica permette anche di limitare l’effetto del cambiamento di massa (in gergo mass effect) dovuto allo spostamento dei sensori.

L’unione di FEMtools con l’hardware NI permette la creazione di un kit completo ed efficace, ma anche scalabile e dal costo contenuto, che supporta l’ingegnere in tutto il ciclo del test dinamico: nella fase di pianificazione mediante FEMtools Pre-Test, nell’esecuzione delle misure accelerometriche con FEMtools NI DAQ, nell’estrazione dei parametri modali con FEMtools MPE, nella fase di verifica e validazione del modello FEM con FEMtools Correlation, nella fase di taratura del modello FEM con FEMtools Model Updating.

Guarda il webinar: “Approccio integrato FEM + TEST per l’ottimizzazione strutturale”