Zastosowanie testów wibracyjnych jest powszechne dla większości wyrobów użytkowych. Począwszy od telefonu komórkowego, laptopa czy komponentów samochodowych, a skończywszy na satelitach. Większość testów ma na celu sprawdzenie czy dany produkt wytrzyma eksploatację w warunkach rzeczywistych.
Tego typu badania przeprowadza się przeważnie korzystając z gotowych norm oraz standardów odpowiednich dla danej grupy produktów. W ten sposób na przykład komponenty pracujące na silniku spalinowym w samochodzie testowane są sygnałami sinusoidalnymi, zaś elementy karoserii, takie jak lusterka czy światła, testowane są sygnałami losowymi, które odpowiadają losowemu charakterowi wymuszeń od drogi.
Innym typem testów są udary, mające na celu sprawdzenie, jak nasz produkt (głownie sprzęt AGD oraz elektronika) zniesie upadek lub obijanie się o inne produkty, czy przeszkody. Zwykle gdy spadnie nam smartfon, najpierw odpada pokrywka, a zaraz za nią wypada bateria. Tego typu konstrukcja została wypracowana poprzez testy udarowe w celu uchronienia wrażliwych elementów elektroniki przed zmiażdżeniem przez przemieszczającą się na skutek udaru baterię.
Spora część testów wibracyjnych przeprowadzana jest na wyrobach końcowych – de facto będąc jednocześnie testami walidacyjnymi gotowego produktu. Dużą część również stanowią testy prototypów, które mają ujawnić słabe strony wyrobu. W tego typu testach nie ma potrzeby stosowania konkretnych norm czy standardów, gdyż cel takiego testu jest inny – dogłębne poznanie zachowania testowanego elementu bądź całego złożenia (gotowego produktu). W tym celu bardzo często wykorzystuje się rzeczywiste przebiegi zmierzone w miejscu użytkowania obiektu. Przykładowo, w przypadku lusterka samochodowego dane (przebiegi czasowe przyśpieszeń w miejscu mocowania) pozyskiwane są podczas rzeczywistych przejazdów pojazdem po drogach bądź torach testowych, a następnie odtwarzane są na wzbudniku, bądź wzbudnikach. Obecnie, coraz częściej testy wibracyjne robione są na wielu wzbudnikach jednocześnie – zamiast testować produkt trzy razy, robimy to jeden raz, za to w trzech kierunkach. Ten rodzaj testu również bardziej odzwierciedla warunki rzeczywiste.
Sam test nie da nam jednak odpowiedzi na pytanie, co jest przyczyną pękania, niszczenia lub awarii danego produktu. W tym celu należy dokładnie poznać dynamikę pracy badanego obiektu. Aby tego dokonać można zastosować dwie dostępne techniki analiz:
- animacje strukturalne (Operational Deflection Shapes)
- analizę modalną
W przypadku animacji strukturalnych w trakcie testu (może to być test dowolnego typu) rejestrujemy widma drgań oraz ich przebiegi czasowe w wielu punktach. Następnie dla wcześniej przygotowanej siatki geometrycznej jesteśmy w stanie stworzyć animację ruchu, który wykonuje nasz obiekt i jego części w czasie testu dla dowolnej częstotliwości, czy wybranej chwili przebiegu czasowego.
Analiza modalna w czasie testów wibracyjnych wymaga innego podejścia. Obiekt należy przymocować do wzbudnika poprzez czujnik (bądź czujniki) siły oraz również, jak w przypadku animacji strukturalnych, zarejestrować przebiegi czasowe w wielu punktach. Następnie dane te należy przeliczyć do widmowych funkcji przejścia, które są danymi wsadowymi do dalszych analiz. W wyniku analizy modalnej dostajemy częstotliwość, tłumienie oraz postać (animację) drgań własnych, które pobudzone powodują rezonans – czyli zupełnie niepożądane dla naszego obiektu zjawisko.
Obie techniki analizy danych pozwalają na uchwycenie niepożądanych zachowań obiektu, takich jak np. wzajemne ocieranie się lub uderzanie elementów. Dzięki tej wiedzy jesteśmy w stanie już na etapie prototypu zmienić konstrukcję lub zastosować inny rodzaj połączeń, czy mocowań elementów. Dodatkowo, posiadając informację o tłumieniach i częstotliwościach komponentów można zmienić ich materiał, przesuwając drgania własne poza częstotliwość wymuszenia, unikając jednocześnie rezonansu.
Podsumowując, analiza modalna oraz animacje strukturalne, w połączeniu z testami wibracyjnymi, są niezwykle przydatnym narzędziem umożliwiającym bardzo efektywną pracę nad optymalizacją prototypów. Dzięki pozyskanym danym jesteśmy w stanie szybciej i dokładniej przewidzieć niezbędne modyfikacje oraz ich skutek. Tym samym, pierwsze testy finalnego produktu mają dużo większą szansę odbyć się ze skutkiem pozytywnym, zmniejszając koszty oraz oszczędzając czas na kolejne modyfikacje i powtórne badania.
Wojciech Paluch
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (94/95) lipiec/sierpień 2015
