Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Duży krok naprzód w dziedzinie analizy drgań obiektów inżynierskich

Identyfikacja, modelowanie i kontrola drgań mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa obiektów inżynierskich. Naukowcy korzystający z unijnego dofinansowania zaprezentowali nowoczesne oprogramowanie do analizy drgań, które doskonale sprawdzi się w firmach działających w branży kosmicznej, motoryzacyjnej i mechanicznej.

Transport i mobilność
Technologie przemysłowe

Drgania są powszechnym zjawiskiem w podatnych obiektach inżynierskich. W większości przypadków są one zjawiskiem niepożądanym, ponieważ powodują marnowanie energii i zmęczenie materiału oraz generują hałas. Wszystkie drgania są z natury nieliniowe, co oznacza, że reakcja na drgania nie jest proporcjonalna do siły wzbudzenia. Zjawiska nieliniowe są jednak najczęściej pomijane w branży, ponieważ naukowcy nie dysponują odpowiednią metodologią i oprogramowaniem, aby sobie z nimi właściwie radzić. W związku z tym często preferują oni podejście liniowe, ponieważ dzięki niemu zachowanie systemu jest proste, przewidywalne i łatwe w zarządzaniu.

Zjawiska nieliniowe bez odpowiedników liniowych

Podejścia liniowe niewątpliwie pomogły w rozwoju technik i narzędzi, które pozwalają na rozwiązywanie złożonych wyzwań inżynieryjnych. Jednak „trend polegający na tworzeniu lżejszych, bardziej elastycznych, ekologicznych i mniej kosztownych konstrukcji skłania inżynierów do opracowywania innowacyjnych projektów i, co ważne, zmniejsza margines bezpieczeństwa”, wyjaśnia Gaëtan Kerschen, profesor inżynierii lotniczej i kosmicznej na Wydziale Inżynierii Lotniczej i Mechanicznej na belgijskim Uniwersytecie w Liège. Po rozciągnięciu lub obróceniu obiekty takie są podatne na zachowania nieliniowe. „Nierównomierne tarcie pomiędzy różnymi elementami zestawu baterii (w samochodach elektrycznych) lub pomiędzy łopatami silnika a obudową (w samolotach) może powodować wysoce nieliniową dynamikę – drgania”, dodaje Kerschen. Ogólnie rzecz biorąc, nieliniowość może wywoływać złożone zjawiska dynamiczne, w tym oddziaływania modalne, bifurkacje lub chaos. W związku z tym każda próba zastosowania tradycyjnych technik liniowych w celu uchwycenia ich dynamiki jest skazana na porażkę.

Wyeliminowanie najważniejszych przeszkód w projektowaniu bezpiecznych obiektów inżynierskich

W oparciu o sukces innego projektu mającego na celu opracowanie pierwszego oprogramowania, które pozwala dokładnie określić wpływ drgań nieliniowych na struktury inżynieryjne, finansowany przez UE projekt NI2D pomaga w komercjalizacji tej nowo opracowanej technologii. „Nasze oprogramowanie pomaga inżynierom zajmującym się testowaniem i symulacjami w ocenie znaczenia zjawisk nieliniowych występujących w konstrukcjach poprzez innowacyjną analizę tradycyjnych danych testowych”, wyjaśnia Kerschen. Inżynierowie mogą zidentyfikować źródło nieliniowych drgań, a następnie stworzyć nowe modele opisujące to zachowanie do celów związanych z projektowaniem. Uczony dodaje: „Nieliniowość zamienia się wtedy z nieznanego i potencjalnie niebezpiecznego zjawiska w dobrze zrozumiałe, przewidywalne i akceptowalne zdarzenie dynamiczne. Dzięki temu inżynierowie mogą osiągnąć nowy poziom doskonałości w projektowanych przez siebie obiektach i przezwyciężyć obawy dotyczące drgań nieliniowych”. Unikalną cechą programu NI2D jest to, że może on obejmować zarówno modele z serii czasowej, jak i modele z elementami skończonymi. W odróżnieniu od dostępnego oprogramowania komercyjnego, umożliwia również aktualizację modeli nieliniowych oraz wspiera analizę modalną (badanie dynamicznych właściwości układów w dziedzinie częstotliwości). Łącząc nieliniowe reakcje czasowe, tryby drgań, częstotliwości rezonansowe i bifurkacje, zapewnia jasny i natychmiastowy wgląd we wpływ nieliniowości na dynamiczne właściwości konstrukcji, do może być przydatne do celów predykcyjnych i projektowych.

Wielorakie korzyści

Nieliniowość może być zagrożeniem dla integralności konstrukcji i prawidłowego działania produktów. Poważne ryzyko wiąże się z możliwością przerwania prac nad produktem przy braku spełnienia wymogów certyfikacji (np. w przypadku satelitów). Jeśli chodzi o komponenty samolotów i samochodów, przyspieszone zużycie spowodowane nieliniowością prowadzi do wzrostu kosztów utrzymania i negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Oprogramowanie NI2D daje możliwość oceny wpływu nieliniowości we wczesnej fazie projektowania, zapewniając firmom przydatne modele nieliniowych połączeń w projektowanych przez nich obiektach. Co więcej, program NI2D znacznie skraca czas trwania testów oraz proces wprowadzania produktu na rynek. Kerschen tłumaczy: „Dzięki bogatemu zestawowi interakcji nieliniowych, oprogramowanie NI2D przyspiesza analizę obiecujących nowych projektów, dając możliwość tworzenia śmielszych konstrukcji”.

Słowa kluczowe

NI2D, obiekty inżynierskie, drgania nieliniowe, analiza drgań, samochód, samolot, satelita

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania