ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
3-apr-2025
2023/2024
I test di qualificazione vengono condotti su componenti o strutture per verificarne la capacità di resistere all’ambiente operativo. Tipicamente, la struttura viene montata su un tavolo vibrante, che induce vibrazioni tramite uno o più shaker, riproducendo le eccitazioni reali. L'esecuzione di un'analisi modale in questa configurazione è di interesse, principalmente per l'efficienza in termini di tempo e costi, oltre che per ridurre i rischi legati allo spostamento della struttura. L'obiettivo finale di questa indagine è estrarre le forme modali e le frequenze per l’aggiornamento e la validazione di un modello agli elementi finiti (EF). Una delle principali sfide è spesso dato dall’accoppiamento dinamico tra tavolo e struttura, soprattutto quando questa è di grandi dimensioni e massa, come in ambito aerospaziale quali satelliti o grandi pacchi batteria. Per affrontare questo problema, i dati sperimentali devono essere elaborati per eliminare l’influenza del tavolo vibrante sulla dinamica della struttura, ottenendo le Funzioni di Risposta in Frequenza (FRF) in condizioni di base fissa. Ciò permette un confronto diretto tra i risultati dell'analisi modale sperimentale e i modi numerici di un modello con base fissa. La letteratura presenta diversi metodi per ottenere questo disaccoppiamento. Questa tesi esamina due metodologie: il metodo di Mayes e quello di Napolitano. Il primo consente la correzione in presenza sia di modi rigidi che di modi flessibili del tavolo vibrante nella banda di frequenze di interesse, ma richiede l’identificazione dei modi propri del tavolo. Il secondo può disaccoppiare solo i modi rigidi del tavolo vibrante, ma senza necessità di identificarne i modi propri. Inoltre, ha il vantaggio di lavorare esclusivamente con le accelerazioni nel dominio del tempo. Le potenzialità, le limitazioni e l’applicabilità di questi metodi sono analizzate attraverso studi numerici su due modelli: un sistema semplificato a 7 gradi di libertà e un modello EF più complesso. Inoltre, viene condotta un'analisi preliminare su dati sperimentali reali. Questo lavoro fornisce un approfondimento sull'efficacia di ciascun metodo e sulla loro idoneità a diversi scenari.
Qualification tests are conducted on components or structures to verify their ability to withstand the operational environment. Typically, the structure is mounted on a shaker table, which induces vibrations via single or multiple shakers, reproducing real-world excitations. Conducting a modal survey in this configuration is of interest, primarily for its time and cost efficiency, as well as to mitigate risks associated with handling and directly exciting the structure. The ultimate aim of this survey is to extract mode shapes and frequencies for updating and validating a finite element (FE) model. A key challenge is that the dynamics of the shaker often couple with those of the structure under test, especially if it is large and heavy, as is common for aerospace structures like satellites or large battery packs. To address this, experimental data must be processed to eliminate the influence of the shaker table on the structure’s dynamics, yielding fixed-base Frequency Response Functions (FRFs) of the structure. This allows direct comparison of the experimental modal analysis (EMA) outcomes with the numerical modes of a clamped-base model. The technical literature presents various methods for achieving this decoupling. This thesis investigates two promising methodologies: the Mayes and Napolitano methods. The former accounts for both rigid-body and flexible modes of the shaker table in the frequency range of interest. However, it requires the identification of the bare table modes. The latter can only decouple the shaker-table rigid-body mode but does not require the identification of table modes. Moreover, it has the advantage of working exclusively with time history acceleration data.
The strengths, limitations, and applicability of these methods are analysed through numerical studies on two models: a simplified 7-degree-of-freedom (DoF) system and a more complex FE model. Additionally, preliminary analysis is conducted using real experimental test data. This work provides insights into the effectiveness of each method and their suitability for different testing scenarios.