Zastosowanie czujników piezoelektrycznych do monitorowania procesów drganiowych w konstrukcjach prętowych

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Zastosowanie czujników piezoelektrycznych do monitorowania procesów drganiowych w konstrukcjach prętowych"

Mieczysław Zych
6 lat temu
Przeglądów:

1 SEMINARIUM MONIT 18 LISTOPADA 010 Zastosowaie czujików piezoelektryczych do moitorowaia procesów drgaiowych w kostrukcjach prętowych Adrzej TYLIKOWSKI, Marek PIETRZAKOWSKI, Ja FREUNDLICH Politechika Warszawska

2 Pla prezetacji Wstęp Cel pracy Walidacja oliczeń MES Modele MES dźwigara kratowego Wyiki oliczeń Wioski

Wstęp Kostrukcje dachowe stosowae w udowictwie arażoe są a iekorzysty wpływ otoczeia w postaci zaurzeń o charakterze drgaiowym, których źródłem jest główie ruch ciężkich pojazdów trasportowych, a

3 Wstęp Kostrukcje dachowe stosowae w udowictwie arażoe są a iekorzysty wpływ otoczeia w postaci zaurzeń o charakterze drgaiowym, których źródłem jest główie ruch ciężkich pojazdów trasportowych, a szczególie pojazdów szyowych p. kolei i metra. Sta elemetów kostrukcji kratowicy dachowej powiie yć moitoroway pod kątem ociążeń statyczych, a także ociążeń zmieych w czasie, w celu wykrycia i idetyfikacji uszkodzeń we wczesych fazach, oraz rozpozaia wpływu uszkodzeia a trwałość i prawidłowe fukcjoowaie kostrukcji. Staowisko adawcze projekt Moitorowaie stau techiczego kostrukcji i ocea jej żywotości

4 Wstęp Staowisko adawcze podpory z możliwością wymuszeia przemieszczeń pioowych

Cel pracy Opracowaie metody symulacji pracy czujików piezoelektryczych w kostrukcji dźwigara kratowego Zadaie możliwości zastosowaia czujików piezoelektryczych do oserwacji i

lektrycze mocowae a ou rzegach (Piezo Systems. Ic., www.piezo.com) Zaletą czujików piezoelektryczych jest : działaie ie wymagające zewętrzego zasilaia.

5 Cel pracy Opracowaie metody symulacji pracy czujików piezoelektryczych w kostrukcji dźwigara kratowego Zadaie możliwości zastosowaia czujików piezoelektryczych do oserwacji i pomiaru odkształceń i przemieszczeń prętowych elemetów kratowicy wywołaych ociążeiem zmieym w czasie Przetworiki piezoelektrycze mocowae a ou rzegach (Piezo Systems. Ic., Zaletą czujików piezoelektryczych jest : działaie ie wymagające zewętrzego zasilaia. pomiar sygałów w szerokim zakresie częstości Przetworiki piezoelektrycze pracujące w tryie rozciągaia ściskaia mogą yć przyklejoe do powierzchi w oszarze mierzoych odkształceń lu mocowae a ou rzegach przy pomocy specjalych uchwytów. Budowa typowego przetworika piezoelektryczego

6 Opis zjawiska piezoelektryczego Rówaie kostytutywe materiału warstwy piezoelektryczej Geerowaie ładuku T e 33 3 D 3 ε E Odkształceie (ściskaie) - (-) + (+) D 3 - przesuięcie elektrycze w kieruku osi 3 E 3 - zewętrze pole elektrycze w kieruku osi 3 ε [ 1,, 1] e T e e 0 31, 3, - macierz odkształceia w płaszczyźie 1- T - macierz współczyików piezoelektryczych Try pracy czujika 33 - współczyik przeikalości elektryczej

7 Oliczeia porówawcze modelu aalityczego i modelu MES Jako zadaie porówawcze rozważoo drgaia jedorodej elki swoodie podpartej z zamocowaym czujikiem piezoelektryczym. Założoo ideale połączeie czujika z powierzchią elki. Aalizę ograiczoo do drgań stacjoarych. Rozpatrzoo wymuszeie pioowym przemieszczeiem podpór elki. Drgaia poprzecze elki oraz apięcie geerowae przez czujik wyzaczoo metodą aalityczą i metodą elemetów skończoych. Sprawdzoo zgodość otrzymaych wyików. Dźwigar elkowy model do walidacji oliczeń MES

8 Oliczeia aalitycze ) ( ) ( t y l x t y l x A t w A t x w x w J E Rówaie drgań poprzeczych elki czujik x l x 1 y 1 (t) y (t) Schemat oliczeiowy adaej elki współczyik tłumieia wewętrzego (model Kelvia-Voigta) E moduł Youga materiału elki gęstość materiału elki A pole powierzchi przekroju poprzeczego elki J momet ezwładości przekroju poprzeczego elki

9 Oliczeia aalitycze Geerowae apięcie w piezoelemecie l w Vs C s s ( x) x 0 h h dx Współczyik jakości czujika określoy wzorem C s d 31 E s A s s 33 h s s (x) - fukcja kształtu czujika Częstości drgań własych elki k E J A k l E s moduł Youga materiału sesora h gruość elki h s gruość czujika A s efektywe pole powierzchi elektrod d 31 stała piezoelektrycza materiału czujika

10 x l i i y x w H wy si ) ( ) exp( 1) ( 1 ) ( ), ( cos cos ) exp( 1) ( 1 ) ( ) ( x l x l i i l C y V H s s s Vy Oliczeia aalitycze Przepustowość widmowa ugięć elki w stosuku do przemieszczeia lewej podpory Przepustowość widmowa apięcia czujika w stosuku do przemieszczeia lewej podpory

11 Model MES dźwigara elkowego Model MES czujika piezoelektryczego Model MES elki z czujikiem piezoelektryczym ( ez rederigu) Model MES elki z czujikiem piezoelektryczym (rederig)

12 Dae oliczeiowe elki Dae elki Dae czujika piezoelektryczego l = 3 m x 1 = 0,87 m x = 0,93 m przekrój dwuteowy o wysokości 10 mm, szerokości 60 mm, półkach o gruości 6 mm i ściace pioowej o gruości 3 mm. E = 10 5 MPa = s ρ = 7600 kg/m 3 Czujik w kształcie prostokątej płytki o wymiarach 60x30 mm gruości 1 mm. E s = 6, MPa s = s d 31 = -1, CN -1 ρ s = 780 kg/m 3

13 V oltage V Voltage [V] Am plitude m Amplitude [m] Porówaie wyików oliczeń aalityczych i MES Kąt przesuięcia fazowego przemieszczeń podpór φ = U F re q u e c y Amplituda drgań oliczeia aalitycze 1 s Frequecy [1/s ] Amplituda drgań oliczeia MES V Fre q u e cy 1 s Amplituda apięcia oliczeia aalitycze Frequecy [1/s ] Amplituda apięcia oliczeia MES

14 V oltage V Voltage [V] Am plitude m Amplitude [m] Porówaie wyików oliczeń aalityczych i MES Kąt przesuięcia fazowego przemieszczeń podpór φ = π U F re q u e c y Amplituda drgań oliczeia aalitycze Fre q u e cy 1 s 1 s Amplituda apięcia oliczeia aalitycze Frequecy [1/s ] Amplituda drgań oliczeia MES Frequecy [1/s ] Amplituda apięcia oliczeia MES V

15 Dźwigar kratowy Schemat oliczeiowy adaego dźwigara kratowego Pasy góre i doly dźwigara zudowae są z teowików o wymiarach 60x30x3 mm atomiast wykrzyżowaia wykoae są z kątowików 30x30x3 mm. Taka kostrukcja powoduje, że rama ie jest ściśle płaska, a zatem mimo wymuszeia w płaszczyźie ramy, występują także przemieszczeia o składowych prostopadłych do jej płaszczyzy

16 Model MES dźwigara kratowego Model MES dźwigara kratowego waruki rzegowe Kostrukcja dachowa jedo z adaych rozwiązań

17 Dae oliczeiowe dźwigara E = 10 5 MPa = s ρ = 7600 kg/m 3 Dae geometrycze i materiałowe czujików piezoelektryczych przyjęto takie same jak w oliczeiach elki Pasy góre i doly adaego dźwigara zudowae z teowików o wysokości 30 mm, szerokości 60 mm, gruości półki 3 mm oraz gruości ściaki pioowej 6 mm. Pręty kraty (tzw. krzyżulce) wykoae są z kątowików 30x30x3 mm

18 Wyiki oliczeń MES dźwigara kratowego Kąt przesuięcia fazowego przemieszczeń podpór φ = 0 Amplituda drgań czujik a pasie Amplituda drgań czujik a wykrzyżowaiu Amplituda apięcia czujik a pasie Amplituda apięcia czujik a wykrzyżowaiu

19 Wyiki oliczeń MES dźwigara kratowego Kąt przesuięcia fazowego przemieszczeń podpór φ = π Amplituda drgań czujik a pasie Amplituda drgań czujik a wykrzyżowaiu Amplituda apięcia czujik a pasie Amplituda apięcia czujik a wykrzyżowaiu

Badaie dźwigara kratowego z uszkodzeiem y 5 6 1 z 3 4 x Schemat wprowadzeia

Elemet typu ushig K 1 = 110 7 N/m K = 110 7 N/m K 3 = 110 4 N/m K 4 = 110 5

20 Badaie dźwigara kratowego z uszkodzeiem y z 3 4 x Schemat wprowadzeia uszkodzeia połączeia w węźle. Elemet typu ushig K 1 = N/m K = N/m K 3 = N/m K 4 = Nm/rad K 5 = Nm/rad K 6 = Nm/rad Model MES dźwigara kratowego z uszkodzeiem mocowaia w węźle jedego z prętów

21 Wyiki oliczeń MES dźwigara uszkodzoego Kąt przesuięcia fazowego przemieszczeń podpór φ = 0 Amplituda drgań czujik a pasie Amplituda drgań czujik a wykrzyżowaiu Amplituda apięcia czujik a pasie Amplituda apięcia czujik a wykrzyżowaiu

22 Wyiki oliczeń MES dźwigara uszkodzoego Kąt przesuięcia fazowego przemieszczeń podpór φ = π Amplituda drgań czujik a pasie Amplituda drgań czujik a wykrzyżowaiu Amplituda apięcia czujik a pasie Amplituda apięcia czujik a wykrzyżowaiu

23 Porówaie charakterystyk dźwigara uszkodzoego i ieuszkodzoego Kąt przesuięcia fazowego przemieszczeń podpór φ = 0 Amplituda drgań czujik a pasie Amplituda drgań czujik a wykrzyżowaiu Amplituda apięcia czujik a pasie Amplituda apięcia czujik a wykrzyżowaiu

24 Wioski Opracowao model MES układu czujik piezoelektryczy kostrukcja prętowa. Wykazao poprawość modelu porówując wyiki oliczeń metodą aalityczą i symulacji MES. Wyiki symulacji w postaci charakterystyk amplitudowych: przemieszczeń dźwigara kratowego i geerowaego apięcia czujika potwierdzają przydatość przetworików piezoelektryczych w systemie moitorowaia ieezpieczych staów kostrukcji dachowych spowodowaych drgaiami. W przypadku złożoych postaci drgań (p. gięto-skrętych) czujiki piezoelektrycze o kierukowym działaiu mają ograiczoe zastosowaie. Powstające uszkodzeia kratowicy wpływają a jej sztywość, co prowadzi do zmiay jej charakterystyk dyamiczych. Zmiay te mogą yć wykrywae przy użyciu czujików piezoelektryczych współpracujących z odpowiedimi rejestratorami i odpowiedim oprogramowaiem Oliczeia MES dźwigara kratowego wymagają weryfikacji doświadczalej, która przewidywaa jest w realizacji programu adawczego

Podobne dokumenty

Symulacja MES pomiaru drgań dźwigara kratowego przy pomocy rozłożonych czujników piezoelektrycznych

Symulacja MES pomiaru drgań dźwigara kratowego przy pomocy rozłożonych czujników piezoelektrycznych Symulacja w Badaiach i Rozwoju Vol., No. 1/011 Ja FREUNDLICH, Marek PIETRZAKOWSKI Politechika Warszawska, IPBM, 0-54 Warszawa, ul. Narbutta 84, E-mail: jfr@simr.pw.edu.pl, mpi@simr.pw.edu.pl Symulacja