METODE INSTRUMENTALE SI INFORMATICE PENTRU EVALUAREA EXPERIMENTALA [311311]

Solutia stationara va conduce la amplitudinea complexa a deplasarii sub forma:

Prin masurarea amplitudinii la rezonanta ( =1), poate fi determinata fractiunea din amortizarea critica cu formula:

4.5 Analiza experimentala prin metode instrumentale si informatice de evaluare a performantelor

4.5.1. Incercari pe stand cu excitatie inertiala cu frecventa ridicata (regim dinamic)

a. Determinarea fractiunii din amortizarea critica ( ) prin metoda curbei de rezonanta obtinuta prin cresterea liniara a frecventei vibrogeneratorului

a) [anonimizat] o curba de rezonanta. Determinarea consta in variatia liniara a frecventei motorului de actionare si corelarea evolutiei semnalului de deplasare cu frecventa excitatorului dinamic. In acest sens trebuie respectata conditia ca pornirea motorului si startul inregistrarii semnalului de deplasare sa fie sincrone. Astfel fiecarei valori temporale i se va asocia o valoare a frecventei de vibratie a sistemului.

Se urmareste determinarea raportului de amortizare ( ) cu formula:

Conform fig.4.18, daca se impune baleierea liniara a domeniului de frecvente (0 – F) Hz in timpul T, frecventa f(t) corespunzatoare momentului t se poate defini :

unde:

Fig 4.18 Variatia fortei in raport cu timpul

Rezulta ca formula (1) se poate scrie:

Rezulta ca raportul de amortizare se poate calcula pe baza coordonatelor temporale ale varfului de rezonanta si a punctelor de semiputere determinate din semnalul de deplasare captat sincron cu pornirea motorului de actionare.

Pentru aplicatiile care presupun un domeniu de frecvente larg (ex. frecventa inalta de rezonanta a sistemului ) [anonimizat] o frecventa initiala F0 si o frecventa finala F, astfel incat capacitatea sistemului de stocare sa fie compatibila cu volumul de date captat. Aceasta situatie este exemplificata in figura 2 iar noua formula de calcul devine:

b) Proceduri de lucru

Pentru variatia turatiei motorului de actionare a vibrogeneratorului a fost folosit un variator de frecventa tip SV075IG5A-4 a carui caracteristica “frecventa-timp” F(t) este liniara. Trasarea caracteristicii F(t) a invertorului a [anonimizat] 14, care evidentiaza o buna liniaritate a acesteia.

[anonimizat]:

Varianta 1: accelerometru piezoelectric tip 4506 B 003 Bruel&Kjaer, placa de achizitie Ni USB-9162 si analizor digital construit pe platforma programului LABVIEW.

Modul de lucru:

se face o inregistrare initiala a semnalului de deplasare prin baleierea unui domeniu de frecvente care sa aduca sistemului studiat in zona postrezonanta. [anonimizat], prin cresterea manuala a [anonimizat]. [anonimizat] a frecventei de rezonanta printr-o analiza spectrala grosiera.

cunoscandu-se valoarea aproximativa a [anonimizat], [anonimizat], frecventa de rezonanta;

se alege un timp de baleiere care sa asigure trecerea sistemului prin zona rezonantei intr-un timp de ordinul secundelor;

se capteaza si se prelucreaza semnalul urmarindu-se vizualizarea zonei de rezoanata si decelarea coordonatelor temporale ale varfului de rezonanta si a punctelor de semiputere;

se aplica formula de caclul corespunzatoare.

Tabelul 4.9

FORFECARE

(metoda cresterii liniare a frecventei; semnale captate cu accelerometrul)

Baleierea domeniului de frecvente s-a facut cu pornire din zero.

Varianta 2: traductor inductiv de deplasare HBM tip WA 20 asistat de un sistem de achizitie SPIDER 8 si softul specializat CATMAN al aceluiasi producator.

Modul de lucru:

se face baleierea manuala a unui domeniu de frecvente care sa asigure manifestarea vizibila a fenomenului de rezonanta, stabilindu-se astfel o frecventa maxima de interes;

se face baleierea automata pe domeniul de frecvente stabilit anterior, pentru diverse intervale de timp, cu vizualizarea semnalelor de deplasare pana la evidentierea clara a zonei de rezonata;

se consemneaza coordonatele temporale ale varfului de rezonanta si a punctelor de semiputere;

se aplica formula de caclul corespunzatoare

Rezultate:

Tabelul 4.10

FORFECARE

(metoda cresterii liniare a frecventei; semnale captate cu traductorul de deplasare)

Baleierea domeniului de frecvente s-a facut cu pornire de la o frecventa prestabilita. Testele pentru M0 si M1 au fost facute in intervalul 5-8 Hz (F0=5Hz) si timpul de baleiere 14s, iar pentru M2 intre 4-8 Hz (F0=4Hz) si timp de baleiere 14s.

b. Determinarea fractiunii din amortizarea critica ( ) prin metoda raportului amplitudinilor vibratiilor in rezonanta – regim stationar

a) Principiul metodei

Relatia de calcul pentru determinarea raportului de amortizare este:

Pentru determinarea amplitudinilor deplasarii la rezonanta si in regim stationar, au fost folosite mai multe metode.

Prima metoda folosita s-a bazat pe analiza spectrala a semnalului captat cu un accelerometru piezoelectric tip 4506 B 003 Bruel&Kjaer si placa de achizitie Ni USB-9162. Pentru analiza spectrala s-a folosit un analizor digital construit pe platforma programului LABVIEW. Modul de lucru a constat in baleierea cu ajutorul unui invertor tip SV075IG5A-4 a unui domeniu de frecvente care sa includa zona frecventiala de rezonanta si de regim stabilizat, urmata de analiza spectrala semnalului in aceste doua zone de interes. Rezultatele au fost nesatisfacatoare datorita complexitatii semnalului in zona de rezonanta (frecventa si amplitudine continuu variabile) ceea ce a condus la rezultate nerepetitive si necorelate cu metoda punctelor de semiputere.

Ca urmare, s-a cautat o metoda pentru determinarea exacta a frecventei de rezonanta fr , cu scopul determinarii Ar prin mentinerea stationara a sistemului in acest regim. Astationar se determina prin aducerea sistemului in regim stationar la o frecventa definita ca fiind: fstationar = 3*fr .

Determinarea frecventei de rezonanta fr , a fost realizata prin urmatoarea metoda:

Semnalul de deplasare generat de un traductor inductiv HBM tip WA 20 se vizualizeaza cu ajutorul sistemului de achizitie si prelucrare SPIDER 8 – CATMAN pentru cazul baleierii unui domeniu de frecvente care include si depaseste zona de rezonanta.

Aducerea sistemului in zona de lucru postrezonanta se face prin comandarea manuala a invertorului, frecventa fiind crescuta treptat pana la manifestarea vizibila a fenomenului de rezonanta si apoi pana la stingerea usoara a acestor efecte.

Semnalul astfel obtinut prezinta o crestere specifica in zona rezonantei, urmata de o scadere cu atat mai accentuata cu cat frecventa de lucru in zona de postrezonanta este mai mare.

Incercarile se reiau in mai multe etape, fiecare fiind insotita de scaderea in cuante a frecventei maxime comandate invertorului.

Efectul scaderii frecventei maxime comandate se concretizeaza in aspectul diagramei deplasare-timp prin scaderea pantei in zona post rezonanta si stabilizarea amplitudinii la valori din ce in ce mai apropiate de maximul frecventei de rezonanta.

Frecventa de rezonanta se considera ca fiind prima frecventa din seria cuantelor descrescatoare, pentru care amplitudinea semnalului de deplasare se stabilizeaza la un palier egal cu amplitudinea la rezonanta. Aceasta frecventa constituie informatia de baza pentru determinarea raportului de amortizare .

b) Proceduri de lucru

Cunoscandu-se frecventa de rezonanta, se pot determina prin diverse metode amplitudinile Ar si Astationar necesare pentru calculul raportului de amortizare. Procedura este comuna, putand diferi doar lanturile de aparate utilizate si consta in urmatoarele etape:

se stabileste frecventa de rezonanta fr conform metodei descrise anterior;

se comanda functionarea invertorului la frecventa fr si se determina Ar;

se comanda functionarea invertorului la frecventa fstationar = 3*fr si se determina Astationar;

se calculeaza raportul de amortizare.

Determinarea Ar si Astationar s-a facut prin mai multe metode:

Varianta 1: Utilizarea lantului de aparate compus din: accelerometru piezoelectric tip 4506 B 003 Bruel&Kjaer, placa de achizitie Ni USB-9162 si analizor digital construit pe platforma programului LABVIEW.

In cadrul acestei metode s-a facut captarea semnalelor obtinute la fr si fstationar iar determinarea Ar si Astationar s-a facut prin doua procedee:

analiza spectrala a celor doua semnale;

determinarea amplitudinilor din evolutia in timp a celor doua semnale.

Tabelul 4.11

FORFECARE

(amplitudini determinate din analiza spectrala)

Tabelul 4.12

FORFECARE

(amplitudini determinate din evolutia in timp )

Varianta 2: Utilizarea lantului de aparate compus din: traductor inductiv de deplasare HBM tip WA 20 asistat de un sistem de masurare si achizitie SPIDER 8 – CATMAN.

Sistemul de masurare SPIDER 8-CATMAN, neavand posibilitatea efectuarii unei analize spectrale, Ar si Astationar au fost obtinute ca valori de varf din diagramele semnalelor de deplasare pentru regimurile de lucru la frecventele fr si fstationar.

Tabelul 4.13

FORFECARE

(amplitudini determinate cu traductorul de deplasare)

Frecventele fr si fstationar consemnate in tabel, sunt frecventele comandate inverorului si includ alunecarea motorului electric.

Varianta 3: Utilizarea analizorului analogic Bruel & Kjaer compus din vibrometru tip 2511 si filtru tip 1621.

In cadrul acestei metode determinarea Ar si Astationar s-a facut prin citirea directa pe scalele analogice ale analizorului a deplasarii la cele doua frecvente de interes (fr si fstationar). S-a utilizat un accelerometru Bruel & Kjaer tip 4371.

Tabelul 4.14

FORFECARE

(amplitudini determinate cu traductorul de deplasare)

Precizia acestei metode este influentata de erorile inerente de citire specifice analizorului analogic.

c. Determinarea fractiunii din amortizarea critica ( ) prin metoda decrementului logaritmic

a) Principiul metodei

Cu ajutorul lantului de aparate compus din: traductor inductiv de deplasare HBM tip WA 20, asistat de sistemul de masurare, achizitie si prelucrare SPIDER 8 – CATMAN, se traseaza diagramele deplasarii pentru oscilatia libera a sistemului excitat prin lovirea centrala cu un ciocan cu masa de 2 Kg.

b) Procedura de lucru

inregistrare oscilograma sistemului rezultata in urma aplicarii impulsului initial;

pe baza oscilogramei se determina marimea pseudoperioadei TP si se calculeaza valoarea decrementului logaritmic (viteza de amortizare a vibratiilor libere);

calculez valoarea coeficentilor de amortizare c si respectiv c0, dupa care se determina valoarea factorului de amortizare ; relatiile de calcul utilizate sunt:

; ;

Rezultate:

Tabelul 4.15

FORFECARE

(valori calculate pe baza diagramelor oscilatiilor libere determinate cu traductorul de deplasare)

d. Determinarea fractiunii din amortizarea critica ( ) prin metoda “elipsei” – diagrama forta – deplasare F(d)

a) Principiul metodei

Pentru trasarea elipsei F(d) a fost utilizat sistemul de achizitie si prelucrare SPIDER 8 – CATMAN, un traductor inductiv tip WA 20 HBM si o doza tensometrica executata cu tehnologie proprie.

In limitele performantelor sistemului de prelucrare CATMAN utilizat, au fost trasate curbele F(d) care au fost interpretate ca atare, fara nicio prelucrare numerica complexa. Planimetrarea curbei s-a facut prin asimilarea acesteia cu o elipsa pura pentru care aria a fost calculata cu formula S2 = πab (unde a si b sunt semiaxele elipsei).

Coordonatele geometrice necesare pentru calcule in vederea determinarii raportului de amortizare ,au fost obtinute prin masurarea directa la scara oferita de diagramele inregistrate.

b) Procedura de lucru

inregistrare diagrama forta-deplasare pentru situatiile caracteristice de lucru;

determinarea grafica a elementelor necesare pentru calculul factorului de amortizare ;

aplicarea relatiei de calcul pentru determinarea factorului de amortizare.

Rezultate:

Tabelul 4.16

FORFECARE

(valori calculate pe baza curbei F(d))

Tabelul 4.17

COMPRESIUNE

(valori calculate pe baza curbei F(d))

4.5.2. Incercari la presa cu excitatie cinematica oligociclica (regim cvasistatic)

a. Rezultate experimentale

Pentru încercarea la presă cu excitație cinematică oligociclică au fost efectuate teste la 4 tampoane de cauciuc (denumite în continuare probe) cu aceleași dimensiuni caracteristice. Au fost inregistrate 5 cicluri de încărcare-descărcare pentru fiecare probă în parte (figura 18 a,b). După aceea se repetă modul de încercare pentru aceleași 4 probe de cauciuc montate în paralel (figura 19 a,b,c). Astfel, rezultă 5 situații de încercare (Proba 1, Proba 2, Proba 3, Proba 4 și Proba 1+2+3+4 – pentru montajul tampoanelor de cauciuc în paralel).

a. b.

Fig. 4.24 Masina de incercare cvasisistatica

a. b. c.

Fig. 4.25 Detalii privin pregatirea experimentala

În software-ul de comandă automată al presei au fost fixați următorii parametrii:

număr de cicluri încărcare-descărcare = 4 cicluri pentru CAZUL 1 și 5 cicluri pentru CAZUL 2;

deplasarea minimă = 1 mm;

deplasarea maximă = 5 mm;

frecvența de comandă pentru încărcare-descărcare de f1 = 0,008 Hz (CAZUL 1) și f2 = 0,1 Hz (CAZUL 2).

Cunoscând frecvența de acționare se pot calcula:

În funcție de deplasările impuse prin sofware-ul de comandă de deplasare maximă și minimă, se înregistrează simultan: deplasarea, forța rezultată și timpul.

În continuare se prezintă variația forței rezultate în funcție de timp (figura 20 a – d și figura 21), pentru CAZUL 1 (f1 = 0,008 Hz).

a. b.

c. d.

Fig. 4.26. Variația forței în funcție de deformație pentru fiecare probă în parte (f1 = 0,008 Hz)

Fig. 4.27. Variația forței în funcție de deformație pentru cele 4 probe montate în paralel (f1 = 0,008 Hz)

În continuare se prezintă variația forței rezultate în funcție de timp (figura 4.28 – d și figura figura 4.29), pentru CAZUL 2 (f2 = 0,1 Hz).

a. b.

c. d.

Fig.4.28. Variația forței în funcție de deformație pentru fiecare probă în parte (f2 = 0,1 Hz)

Fig. 4.29. Variația forței în funcție de deformație pentru cele 4 probe montate în paralel (f2 = 0,1 Hz)

În continuare se prezintă curbele histerezis – variația forței rezultate în funcție de deformație (figura 4.30 a – d și figura 4.31), pentru CAZUL 1 (f1 = 0,008 Hz).

a. b.

c. d.

Fig. 4.30. Variația forței în funcție de deformație pentru fiecare probă în parte (f1 = 0,008 Hz)

Fig. 4.31. Variația forței în funcție de deformație pentru cele 4 probe montate în paralel (f1 = 0,008 Hz)

În continuare se prezintă curbele histerezis – variația forței rezultate în funcție de deformație (figura 4.32 a – d și figura 4.33), pentru CAZUL 2 (f2 = 0,1 Hz).

a. b.

c. d.

Fig. 4.32. Variația forței în funcție de deformație pentru fiecare probă în parte (f2 = 0,1 Hz)

Fig. 4.33. Variația forței în funcție de deformație pentru cele 4 probe montate în paralel (f2 = 0,1 Hz)

b. Determinarea caracteristicii de amortizare

b1. Metodă generală de calcul

La toate aceste curbe histerezis măsurate, pentru determinarea fracțiunii din amortizarea critică echivalentă se utilizează modelul general reprezentat în figura 28 și următoarea expresie de calcul:

unde: – este capacitatea de disipare a energiei (aria cuprinsă în interiorul elipsei);

– energia disipata maximă (aria cuprinsă în interiorul triunghiului);

Fig. 4.34 Schematizrea elemntelor de calcul pe bucla histeretica

b2. Metodă de verificare prin calcul a fracțiunii din amortizarea critică echivalentă

Cunoscând fracțiunea din amortizarea critică echivalentă pentru fiecare element în parte:

Prin insumare rezultă capacitatea de disipare a energiei a sistemului cu cele patru probe montate în paralel:

;

De asemenea, energia disipata maximă calculată a sistemului se poate calcula ca o sumă a energiilor disipate măsurate pentru fiecare probă în parte, astfel:

și astfel fracțiunii din amortizarea critică echivalentă calculată a sistemului este

b3. Rezultate sintetice și verificări

Rezultate obținute din măsurările experimentale în CAZUL 1 (f1 = 0,008 Hz), sunt prezentate în tabelul 4.18.

Tabel 4.18.

Rezultate obținute din măsurările experimentale în CAZUL 2 (f2 = 0,1 Hz), sunt prezentate în tabelul 4.19.

Tabel 4.19.

Verificare CAZUL 1

Pentru încercarea celor 4 probe în paralel în CAZUL 1, se poate face o verificare prin determinarea fracțiunii din amortizarea critică echivalentă calculată a sistemului. În final rezultatul calculat se compară cu rezultatul măsurat.

– Fracțiunea din amortizarea critică echivalentă măsurată a sistemului se găsește pe ultima linie din tabelul 13.1:

– Energia disipata maximă calculată a sistemului, este:

[N.mm]

– Capacitatea de disipare a energiei a sistemului calculată:

[N.mm]

Rezultă fracțiunii din amortizarea critică echivalentă calculată a sistemului:

Abaterea fracțiunii din amortizarea critică echivalentă măsurată față de cea calculată, este:

-0,0826 (aproximativ -8,3%)

Verificare CAZUL 2

Pentru încercarea celor 4 probe în paralel în CAZUL 2, se poate face o verificare prin determinarea fracțiunii din amortizarea critică echivalentă calculată a sistemului. În final rezultatul calculat se compară cu rezultatul măsurat.

– Fracțiunea din amortizarea critică echivalentă măsurată a sistemului se găsește pe ultima linie din tabelul 13.2:

– Energia disipata maximă calculată a sistemului, este:

[N.mm]

– Capacitatea de disipare a energiei a sistemului calculată:

[N.mm]

Rezultă fracțiunii din amortizarea critică echivalentă calculată a sistemului:

Abaterea fracțiunii din amortizarea critică echivalentă măsurată față de cea calculată, este:

-0,00754 (aproximativ -0,75%)

Concluzii partiale

Pe baza metodelor experimentale, instrumentale si informatice rezulta ca procedurile din standardele SR EN 1337 si SR EN 15129 pot fi realizate cu mare precizie, in timp real si cu arhivarea electronica necesara.

Pentru elementele elastomerice de gabarit mic, cele antivibratile s-a utilizat standul experimental specializat din dotarea ICECON S.A.

Pentru mostrele din elastomer s-a utilizat presa pulsatoare cu inregistrarea automata a fortei si deplasarii cu trasarea buclelor histeretice.

Metodele prezentate au fost verificate experimental in laborator si sunt valabile pentru orice tip de izolator.

4.6 Rezultate experimentale parametrice pentru dispozitivele elastomerice antiseismice solicitate in regim dinamic

Incercarile semnificative pentru caracterizarea dispozitvelor antiseismice elastomerice se realizeaza in regim dinamic la frevente de la 0.2Hz pana la 3Hz, pe standuri specializate cu actuatoare comandate cu servovalve asistate electronic si informatic astfel incat sa poata fi atinse valorile de incercare si anume:

Sarcina maxima la incarcarea orizontala

Deformatia maxima la limita starii de aparitie a colapsului

Frecventa cararcterisitca ciclurilor echivalente pentru o miscare seismica semnificativa

Ridicarea buclei histretice

Determinarea ariei buclei histeretice

Determinarea coeficientului de rigiditate secant(pe baza axei caractreistice ce trece prin cele doua varfuri ale buclei histeretice)

In cadrul cercetarilor aferente tezei de doctorat au fost realizate incercari la scara naturala in cadrul laboratoarelor din Romania si din strainatate, dupa cum uremeaza: ICECON-Bucuresti, Eucentre-Pavia, Alga-Milano, Isolab – Universitatea Basilicata Potenza, Sismalab-Taranto, DIS-Reno(SUA).

4.6.1 Rezultate experimentale parametrice pentru dispozitivele elastomerice antiseismice realizate de firma DIS-SUA

Fig 4.35 Familia de bucle histeretice pentru izolatoarele elastomerice DIS

PAGINA 36

PAGINA 37

Fig 4.36 Pozitia buclelor histeretice in starea de deformatie static stabila a dispozitivului elastomeric

.6.2 Rezultate experimentale parametrice pentru dispozitivele elastomerice antiseismice realizate de firma ALGA-ITALIA

PAGINA 80

Fig 4.37 Bucla histeretica pentru ciclul 1 al dispozitivului elastomeric Alga

PAGINA 81

Fig 4.38 Bucla histeretica pentru ciclul 2 al dispozitivului elastomeric Alga

PAGINA 82

Fig 4.39 Bucla histeretica pentru ciclul 3 al dispozitivului elastomeric Alga dm 400

PAGINA 72

Fig 4.40 Bucla histeretica pentru ciclul 1 al dispozitivului elastomeric Alga dm 900

PAGINA 73

Fig 4.40 Bucla histeretica pentru ciclul 2 al dispozitivului elastomeric Alga dm 900