Identificação dos Parâmetros Físicos das Juntas Aparafusadas

Para estruturas mecânicas compostas por vários componentes ligados por juntas, o estudo da junta é de fundamental importância. Na verdade, a identificação dos parâmetros das juntas permite estudar o efeito das juntas no comportamento dinâmico do sistema montado. Uma técnica de identificação envolve o chamado desacoplamento. Esta técnica requer a medição das funções de resposta em frequência do conjunto do sistema e seus componentes.

Um grupo de estudantes de duas universidades italianas, a Universidade Sapienza de Roma e a Universidade de L'Aquila , decidiu experimentar a técnica de dissociação. Eles se juntaram a equipes de pesquisa em vibração mecânica e vibroacústica. 

A maioria das estruturas mecânicas são compostas por vários componentes ligados por juntas, tais como juntas aparafusadas ou pregadas, etc. Embora as juntas estejam localizadas apenas numa pequena parte da estrutura, elas podem influenciar significativamente o comportamento dinâmico do sistema montado. 

Um exemplo notável é o das juntas aparafusadas, que podem modificar a rigidez geral da estrutura na área de interface dos componentes. Como consequência, ocorre uma variação das frequências naturais do sistema montado dependendo das condições de operação. Isto, por exemplo, é observado em torres de turbinas eólicas.

Estudar o efeito das juntas mecânicas no comportamento dinâmico do sistema montado é, portanto, de fundamental importância. Partindo da análise de um sistema simplificado como o da Figura 1.

Na dinâmica estrutural, tais estudos podem ser feitos modelando a junta com parâmetros de massa, rigidez e amortecimento que conectam subsistemas e componentes. Como estes parâmetros não são conhecidos a priori, devem ser identificados através de um procedimento conhecido como identificação conjunta.

Identificação conjunta por desacoplamento

Um dos métodos mais utilizados para identificar juntas é o da subestruturação dinâmica , em particular, o procedimento denominado desacoplamento. Na subestruturação, uma estrutura montada é decomposta em vários subsistemas de componentes conectados. 

Considere, por exemplo, uma estrutura montada na qual uma junta aparafusada conecta dois componentes (ver Figura 2). Esta estrutura articulada pode ser decomposta em três subsistemas, os subsistemas bicomponentes A e B, e um terceiro subsistema, que representa a junta aparafusada J. O desacoplamento permite identificar o comportamento dinâmico do subsistema articulado J, retirando da dinâmica do sistema montado AJB, a dinâmica dos subsistemas A e B medida individualmente.

Para identificar a junta através do desacoplamento, é necessário medir as Funções de Resposta em Frequência (FRF) da estrutura montada e dos subsistemas de componentes individuais. FRF é definido como a razão entre resposta e excitação em função da frequência de excitação.

Aplicação experimental

Em nosso experimento, utilizamos o desacoplamento para identificar a junta parafusada de uma referência conhecida na literatura como Brake Reuss Beam, duas vigas de aço conectadas no meio do vão por três parafusos.

As funções de resposta em frequência do sistema montado e dos feixes únicos foram adquiridas usando o plug-in Modal Testing do software DewesoftX . 

Este plug-in contém as principais ferramentas para aquisição dos FRFs, com possibilidade de visualização dos FRFs e da coerência em tempo real para avaliar a qualidade resultante durante a medição. Além disso, o plug-in pode extrair informações sobre a estrutura testada, como frequências naturais, amortecimento e deformações modais.

Através de 42 pontos de excitação e 42 pontos de medição, determinamos as funções de resposta em frequência do sistema montado. Utilizamos um procedimento de teste SIMO (Single Input-Multi Output) no qual a estrutura foi excitada usando um martelo modal (PCB 086C03), e medimos a aceleração em sete pontos diferentes com acelerômetros uniaxiais (PCB 352A24). 

A força e a aceleração foram registradas por meio de um sistema de aquisição Dewesoft SIRIUSi com oito canais analógicos, baseado na tecnologia DualCoreADC® com duplo conversor analógico-digital de 24 bits. 

Um filtro anti-aliasing em cada canal analógico nos permitiu atingir uma faixa dinâmica de 160 dB em tempo e frequência com uma frequência de amostragem de 200 kHz. Neste caso, utilizamos uma frequência de amostragem de 5.000 Hz para medir a FRF na faixa de 0-1.400 Hz. 

Aplicamos a técnica do martelo móvel disponível no plug-in Modal Testing para medir todas as funções de resposta de frequência. Uma vez fixadas as posições dos sete acelerômetros, excitamos a estrutura em todos os 42 pontos de excitação. Este procedimento foi repetido movendo as posições do acelerômetro sem interromper a medição.

O plug-in Modal Testing também permitiu analisar as medições realizadas na fase de pós-processamento. A Figura 5 mostra alguns dos FRFs medidos para o sistema montado.

Uma vez medido também o FRF das vigas monocomponentes, foi possível identificar os parâmetros de massa e rigidez da junta aplicando o procedimento de desacoplamento. Por exemplo, encontramos um valor de rigidez global de 9,4e9 N/m e um de 3,1e10 N/m para a rigidez de contato no parafuso central.

Conclusões

Na aplicação de desacoplamento, o plug-in de teste modal DewesoftX nos permitiu adquirir um grande número de funções de resposta de frequência em um curto espaço de tempo. Conseguimos fazer isso graças à simplicidade da interface do software e às possibilidades de utilização da técnica do martelo e da exibição da FRF em tempo real. A consistência do software e do plug-in também nos permitiu verificar imediatamente a validade das medições.