Exciting vibrations: usefull or annoying?

Transcriptie

1 Exciting vibrations: usefull or annoying? Onderzoekseminarie KHBO - KATHO Stijn Debruyne Departement Industriële wetenschappen en technologie, KHBO

2 Inhoud Wat is een trilling? Modale analyse in een notendop. Case 1: Doctoraatsonderzoek op honingraat sandwich panelen. Case 2: Modale analyse van tandimplantaten. Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV. Conclusies. 2

3 Wat is een trilling? Volgens Wikipedia: Een trilling of oscillatie is een periodiek herhaalde omkering van de bewegingsrichting. Een trilling wordt vaak veroorzaakt door de verstoring van een stabiele evenwichtsituatie. Trillend massa - veersysteem 3

4 Wat is een trilling? Trillingen: alom vertegenwoordigd! gewenst! vervelend! 4

5 Modale analyse in een notendop Modale analyse = studie van het trillingsgedrag van een structuur. Massa - veersysteem met 1 vrijheidsgraad dat trilt op een bepaalde frequentie: de eigenfrequentie van het systeem. Elke structuur is een aaneenschakeling van massa - veersystemen De modale analyse bestudeert het trillingsgedrag van structuren: eigenfrequenties, vervormingspatronen, demping, 5

6 Modale analyse in een notendop Modale analyse = studie van het trillingsgedrag van een structuur. trillingspatroon eigenfrequentie 6

7 Case 1: Doctoraatsonderzoek op honingraat sandwich panelen Doel van het onderzoek: Het bestuderen van ontwerpparameter variabiliteit bij honingraat sandwich panelen via analyse van de variabiliteit in hun dynamisch gedrag. skin lijmlaag honingraatkern skin lijmlaag Deze panelen hebben een hoge specifieke stijfheid waardoor ze ideaal zijn voor alle automotive toepassingen. 7

8 Case 1: Doctoraatsonderzoek op honingraat sandwich panelen Experimentele modale analyse: De honingraatpanelen (2500x1200x25 mm) worden elastisch opgehangen om vrije randvoorwaarden te bekomen. Excitation van de panelen gebeurt met een electrodynamische shaker in 1 punt. Voor een meetmatrix van 77 punten wordt in elk punt de trillingssnelheid gemeten met een laser vibrometer; dus volledig contactloos. Geen extra massa aan de lichte structuur toegevoegd! 8

9 Case 1: Doctoraatsonderzoek op honingraat sandwich panelen Experimentele modale analyse: Frequentie responsiefuncties worden geanalyseerd om modale parameters zoals eigenfrequenties, trillingspatronen (modevormen), demping, te kennen. Frequentie responsiefunctie modevorm eigenfrequentie 9

10 Case 1: Doctoraatsonderzoek op honingraat sandwich panelen Numerische modale analyse: Eigenfrequenties en modevormen worden berekend via eindige elementenanalyses. Hierbij wordt een gehomogeniseerd model van het honingraat sandwich paneel gemaakt. Als 1 orthotrope laag gemodelleerd Homogenisatie van de honingraatkern 10

11 Case 1: Doctoraatsonderzoek op honingraat sandwich panelen Modale parameters vertonen onzekerheid omwille van: Variabiliteit van de paneel ontwerpparameters: Materiaaleigenschappen: v.b. elasticiteits en glijmoduli van de kern en de skin. Geometrische eigenschappen: v.b.skin en kern dikte, afmetingen van de honingraatcellen. Onzekerheden in de modale analyse zelf: Meetfouten afkomstig van opnemers en meetmethode. Fouten in het schatten van modale parameters, omwille van de beperkte nauwkeurigheid van de schattingsalgoritmes. 11

12 Case 1: Doctoraatsonderzoek op honingraat sandwich panelen Status van het onderzoek: De ontwerpparameters die het dynamische gedrag van honingraat sandwich panelen bepalen zijn bestudeerd, samen met hun specifieke invloed op het dynamische gedrag. De meeste parameters zijn experimenteel bepaald. Hun variabiliteit is in kaart gebracht. Het dynamische gedrag van verschillende soorten honingraatpanelen is experimenteel en numerisch bepaald. De variabiliteit is bepaald. Wat volgt: Omschrijven van het dynamische gedrag als een stochastisch random proces dat bepaald wordt door een set random variabelen (= ontwerpparameters). 12

13 Case 2: Modale analyse van tandimplantaten Opbouw van tandimplantate,: Hoe de bevestigingskwaliteit van het implantaat beoordelen? 13

14 Case 2: Modale analyse van tandimplantaten Verschillende fases in het plaatsen van een implantaat: I II III Plaatsen van het implantaat. Plaatsen van een healing abutment om het bot en tandvlees te laten aangroeien. Na de herstelperiode wordt het definitieve abutment geplaatst. 14

15 Case 2: Modale analyse van tandimplantaten Resonantiefrequenties als een criterium om de kwaliteit van de implantaatbevestiging te beoordelen: Implantaat + abutment = kaakbeen Hoe hoger de resonantie frequenties, hoe stijver het implantaat gefixeerd zit. 15

16 Case 2: Modale analyse van tandimplantaten Experimentele setup voor bepaling van resonantiefrequenties: Versterker Laser vibrometer Onmogelijk om dit te meten met klassieke accelerometers! Electro magnet implantaat + gemagnetiseerd abutment (=smartpeg) Excitatie van het implantaat! 16

17 Case 2: Modale analyse van tandimplantaten Voorbeeld van een gemeten frequentie responsiefunctie: Belangrijke resonantiefrequentie bij 7541 Hz 17

18 Case 2: Modale analyse van tandimplantaten Eindige elementenmodel van het implantaat: Implantaat + smartpeg gemodelleerd in het kaakbeen. Eindige elementenberekening van eigenfrequenties en modevormen (bijvoorbeeld: modevorm bij 7210 Hz). 18

19 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV Probleem: Nu en dan zijn ritselgeluiden te horen aan de achterkant van een LCD TV. Tegen de achterwand van de TV is de zogenaamde speakerbox gemonteerd: Ophangingspunt: bevestiging aan de TV wand. luidsprekers klankkast 19

20 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV Vermoedelijke oorzaak van het probleem? Trillingstransmissie van de speakerbox naar de achterwand, via de ophangingspunten. Close up van een ophangingspunt: Rubber: grommet Luidsprekertrillingen and resonantietrillingen van de speakerbox worden te veel doorgegeven naar de TV achterwand. 20

21 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV Vrijheidsgraden om tot een oplossing te komen: Het ontwerp van de grommets wijzigen. De locatie van de ophangingspunten wijzigen. Aanpak van het probleem: 1. Experimentele modale analyse: bepalen van de transmissiekracht bij de 4 ophangingspunten en bepalen van het modale gedrag van de speakerbox zelf. 2. Eindige elementenanalyse om ophangingsontwerp te verbeteren. 3. Veranderingen aan de ophanging doorvoeren. 4. Evaluatie van de voorgestelde wijzigingen. 21

22 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV 1. Experimentele modale analyse van de speakerbox: Versterker Data acquisitie systeem Ophangingspunt: krachtcel Speakerbox set up Luidsprekers: ruissignaal Laser vibrometer 22

23 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV 1. Experimentele modale analyse van de speakerbox: Frequentie responsie functie Modevorm 23

24 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV 2. Eindige elementenanalyse: Excitatiekracht van de luidsprekers Experimenteel bepaald! Gesimuleerde modevorm Transmissiekracht bij de 4 ophangingspunten 24

25 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV 3. Voorgestelde wijzigingen: Grommets met een lagere axiale stijfheid: Nieuw ontwerp met naaf en spaken Axialel stijfheid is met een factor 4 gereduceerd! Sterke reductie van de transmissiekracht! Nieuwe locatie van de ophangingspunten: Nieuwe ophangingspunten liggen dicht bij nodale punten van de speakerbox: sterke reductie van de trillingsamplitude! 25

26 Case 3: Trillingsreductie bij een LCD TV 4. Evaluatie van de wijzigingen: Voor Na Een sterke reductie (/5!) van de transmissiekracht in het gewenste frequentiebereik ( Hz). 26

27 Conclusies Modale analyse is een boeiende mix tussen experimenten en simulaties! Kleine trillingen kunnen grote gevolgen hebben. Via gepast ontwerp is het perfect mogelijk het modale gedrag van een structuur te tunen. 27