Duży krok naprzód w dziedzinie analizy drgań obiektów inżynierskich
Drgania są powszechnym zjawiskiem w podatnych obiektach inżynierskich. W większości przypadków są one zjawiskiem niepożądanym, ponieważ powodują marnowanie energii i zmęczenie materiału oraz generują hałas. Wszystkie drgania są z natury nieliniowe, co oznacza, że reakcja na drgania nie jest proporcjonalna do siły wzbudzenia. Zjawiska nieliniowe są jednak najczęściej pomijane w branży, ponieważ naukowcy nie dysponują odpowiednią metodologią i oprogramowaniem, aby sobie z nimi właściwie radzić. W związku z tym często preferują oni podejście liniowe, ponieważ dzięki niemu zachowanie systemu jest proste, przewidywalne i łatwe w zarządzaniu.
Zjawiska nieliniowe bez odpowiedników liniowych
Podejścia liniowe niewątpliwie pomogły w rozwoju technik i narzędzi, które pozwalają na rozwiązywanie złożonych wyzwań inżynieryjnych. Jednak „trend polegający na tworzeniu lżejszych, bardziej elastycznych, ekologicznych i mniej kosztownych konstrukcji skłania inżynierów do opracowywania innowacyjnych projektów i, co ważne, zmniejsza margines bezpieczeństwa”, wyjaśnia Gaëtan Kerschen, profesor inżynierii lotniczej i kosmicznej na Wydziale Inżynierii Lotniczej i Mechanicznej na belgijskim Uniwersytecie w Liège. Po rozciągnięciu lub obróceniu obiekty takie są podatne na zachowania nieliniowe. „Nierównomierne tarcie pomiędzy różnymi elementami zestawu baterii (w samochodach elektrycznych) lub pomiędzy łopatami silnika a obudową (w samolotach) może powodować wysoce nieliniową dynamikę – drgania”, dodaje Kerschen. Ogólnie rzecz biorąc, nieliniowość może wywoływać złożone zjawiska dynamiczne, w tym oddziaływania modalne, bifurkacje lub chaos. W związku z tym każda próba zastosowania tradycyjnych technik liniowych w celu uchwycenia ich dynamiki jest skazana na porażkę.
Wyeliminowanie najważniejszych przeszkód w projektowaniu bezpiecznych obiektów inżynierskich
W oparciu o sukces innego projektu mającego na celu opracowanie pierwszego oprogramowania, które pozwala dokładnie określić wpływ drgań nieliniowych na struktury inżynieryjne, finansowany przez UE projekt NI2D pomaga w komercjalizacji tej nowo opracowanej technologii. „Nasze oprogramowanie pomaga inżynierom zajmującym się testowaniem i symulacjami w ocenie znaczenia zjawisk nieliniowych występujących w konstrukcjach poprzez innowacyjną analizę tradycyjnych danych testowych”, wyjaśnia Kerschen. Inżynierowie mogą zidentyfikować źródło nieliniowych drgań, a następnie stworzyć nowe modele opisujące to zachowanie do celów związanych z projektowaniem. Uczony dodaje: „Nieliniowość zamienia się wtedy z nieznanego i potencjalnie niebezpiecznego zjawiska w dobrze zrozumiałe, przewidywalne i akceptowalne zdarzenie dynamiczne. Dzięki temu inżynierowie mogą osiągnąć nowy poziom doskonałości w projektowanych przez siebie obiektach i przezwyciężyć obawy dotyczące drgań nieliniowych”. Unikalną cechą programu NI2D jest to, że może on obejmować zarówno modele z serii czasowej, jak i modele z elementami skończonymi. W odróżnieniu od dostępnego oprogramowania komercyjnego, umożliwia również aktualizację modeli nieliniowych oraz wspiera analizę modalną (badanie dynamicznych właściwości układów w dziedzinie częstotliwości). Łącząc nieliniowe reakcje czasowe, tryby drgań, częstotliwości rezonansowe i bifurkacje, zapewnia jasny i natychmiastowy wgląd we wpływ nieliniowości na dynamiczne właściwości konstrukcji, do może być przydatne do celów predykcyjnych i projektowych.
Wielorakie korzyści
Nieliniowość może być zagrożeniem dla integralności konstrukcji i prawidłowego działania produktów. Poważne ryzyko wiąże się z możliwością przerwania prac nad produktem przy braku spełnienia wymogów certyfikacji (np. w przypadku satelitów). Jeśli chodzi o komponenty samolotów i samochodów, przyspieszone zużycie spowodowane nieliniowością prowadzi do wzrostu kosztów utrzymania i negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Oprogramowanie NI2D daje możliwość oceny wpływu nieliniowości we wczesnej fazie projektowania, zapewniając firmom przydatne modele nieliniowych połączeń w projektowanych przez nich obiektach. Co więcej, program NI2D znacznie skraca czas trwania testów oraz proces wprowadzania produktu na rynek. Kerschen tłumaczy: „Dzięki bogatemu zestawowi interakcji nieliniowych, oprogramowanie NI2D przyspiesza analizę obiecujących nowych projektów, dając możliwość tworzenia śmielszych konstrukcji”.
Słowa kluczowe
NI2D, obiekty inżynierskie, drgania nieliniowe, analiza drgań, samochód, samolot, satelita
