Análisis modal experimental con FEMtools NI DAQ

El análisis modal experimental es una técnica de ensayo que permite identificar el comportamiento dinámico real de una estructura, obteniendo sus frecuencias naturales, formas modales y coeficientes de amortiguamiento a partir de mediciones experimentales. En la práctica, el componente se excita mediante una fuerza conocida y se mide su respuesta, con el objetivo de describir cómo tiende a vibrar en diferentes condiciones.

El EMA es muy útil porque permite comprender de forma objetiva cómo se comporta realmente una estructura, superando las simples hipótesis teóricas o numéricas. Por este motivo, se utiliza habitualmente para la Verificación y Validación de modelos FEM. En particular, el EMA permite identificar posibles problemas vibracionales, analizar fenómenos de resonancia y dar soporte a actividades de diseño, optimización y troubleshooting, tanto en laboratorio como en campo.

Cuando se trabaja con componentes de dimensiones reducidas, resulta muy útil la técnica del análisis modal free-free. Se trata de un ensayo dinámico realizado sobre un componente con la menor cantidad posible de restricciones, con el objetivo de reproducir una condición “libre” y medir sus frecuencias naturales, modos de vibración y amortiguamiento sin la influencia de las condiciones de contorno externas. Se utiliza para caracterizar el comportamiento dinámico intrínseco de la estructura y validar los modelos numéricos, proporcionando datos más representativos del componente real y una mejor correlación entre ensayo y simulación.

Normalmente, para realizar físicamente un sistema free-free, es necesario suspender el objeto que se va a medir mediante un sistema de suspensiones elásticas, de forma que se permitan todos los movimientos de cuerpo rígido, como en el ejemplo mostrado en la figura.

La ventaja de este tipo de medición reside en la posibilidad de reproducirla fielmente también mediante FEM, realizando el análisis modal sin aplicar ningún tipo de restricción al modelo. De hecho, en muchos contextos, el análisis modal FEM free-free se utiliza para comprender el comportamiento dinámico intrínseco de la estructura e identificar posibles problemas de resonancia desde las primeras fases del diseño.

El análisis modal experimental mediante hammer test consiste en excitar la estructura con un martillo instrumentado y medir su respuesta mediante acelerómetros, con el fin de obtener las frecuencias naturales, las formas modales y los amortiguamientos. Es una técnica rápida y eficaz para identificar el comportamiento dinámico real del componente y para verificar o actualizar los modelos numéricos.

En SmartCAE nos hemos equipado con un kit “minimalista” para la ejecución de análisis modales experimentales mediante hammer test. El kit está compuesto por:

• Tarjeta de adquisición NI
• Acelerómetro monoaxial PCB
• Martillo instrumentado PCB

FEMtools NI DAQ permite la integración de FEMtools con las tarjetas de adquisición National Instruments para realizar el muestreo de señales digitales y gestionar la cadena de medición acelerométrica. A través de este add-on, los usuarios de FEMtools y de sistemas de adquisición NI ahora pueden ejecutar fácilmente diferentes tipos de ensayos: hammer test, shaker y oma.

Con esta instrumentación y un portátil con FEMtools NI DAQ es posible configurar una cadena de medición transportable capaz de realizar análisis modales en piezas y conjuntos de cualquier tamaño.

Al disponer de un único acelerómetro, podemos aplicar la técnica del roving hammer, que permite describir múltiples coordenadas de medición utilizando una instrumentación reducida. En la práctica, el acelerómetro se mantiene fijo en un punto y se excita la estructura en los demás puntos de la malla de medición. Esta técnica también permite limitar el efecto de cambio de masa (mass effect) debido al desplazamiento de los sensores.

La integración de FEMtools con el hardware NI permite crear un kit completo y eficaz, además de escalable y con un coste reducido, que acompaña al ingeniero durante todo el ciclo del ensayo dinámico: desde la fase de planificación mediante FEMtools Pre-Test, pasando por la ejecución de mediciones acelerométricas con FEMtools NI DAQ, la extracción de parámetros modales con FEMtools MPE, la fase de verificación y validación del modelo FEM con FEMtools Correlation, hasta la calibración del modelo FEM mediante FEMtools Model Updating.

Mira el webinar: «Approccio integrato FEM + TEST per l’ottimizzazione strutturale»