Mô phỏng điều kiện thực tế trong thử nghiệm độ bền

Một số loại hình thử nghiệm hiện đại có thể mô phỏng các điều kiện thực tế khá chính xác, nhưng bất kỳ sự trừu tượng hóa nào cũng chỉ là một sự gần đúng. Về mặt này, Tái tạo Dữ liệu Thực địa (Field Data Replication – FDR) là một giải pháp tốt.

Tuy nhiên, FDR có một nhược điểm lớn — nếu chúng ta muốn thử nghiệm một vật thể đến khi phá hủy (up to destruction), các thử nghiệm có thể tiêu tốn rất nhiều thời gian.

Giải pháp chúng tôi đưa ra cho vấn đề này là gì?

Chúng tôi cung cấp tùy chọn Phổ Thiệt hại Do Mỏi (Fatigue Damage Spectrum – FDS), một phương pháp tăng tốc thử nghiệm bằng cách cô đọng tác động rung động, cho phép tạo ra cùng một lượng thiệt hại do mỏi trong một khoảng thời gian ngắn hơn đáng kể.

Mỏi là gì (Fatigue) ?

Mỏi (Fatigue) là sự tích lũy thiệt hại gây ra bởi ứng suất (stress), mà ứng suất lại là kết quả của rung động. Sự tích lũy thiệt hại làm thay đổi các đặc tính của vật thể, gây ra sự xuất hiện của các vết nứt, và cuối cùng phá hủy vật thể. Khả năng chịu đựng ứng suất của vật thể được gọi là độ bền (durability).

Khi chúng ta đối phó với một tác động rung động kéo dài, độ bền được đặc trưng bởi đường cong S/N Stress(S) to cycles(N), hoặc Wöhler-curve.

Hãy lấy một ví dụ. Nếu chúng ta có một thanh sắt, đường cong S/N cho thấy chúng ta có thể uốn thanh thước đó bao nhiêu lần với một biên độ nhất định trước khi nó bị gãy.

Quy tắc Palmgren-Miner cho thấy:

Trong đó:

$n_{i}$ – số chu kỳ với mức ứng suất $i$
$N_{i}$ – số chu kỳ cần thiết để phá hủy vật thể (ở mức ứng suất $i$ )
$C$ – giá trị đặc trưng cho sự mỏi tích lũy (Accumulated Fatigue)

Khi C đạt giá trị 1 hoặc cao hơn, đối tượng sẽ bị hỏng.

Khi $C$ đạt giá trị $1$ hoặc lớn hơn, vật thể sẽ bị phá hủy (breaks).

Chúng ta giả định rằng thanh thước sẽ bị gãy nếu nó bị uốn $1000$ chu kỳ với biên độ $10 mm$ ( $N_{10 mm} = 1000$ ), hoặc $10000$ chu kỳ với biên độ $1 mm$ ( $N_{1 mm} = 10000$ ).

Trong mô-đun phần mềm FDS trong RL-C21, thanh thước đã chịu $5000$ chu kỳ ứng suất với biên độ $1 mm$ ( $n_{1 mm} = 5000$ ) và $470$ chu kỳ với biên độ $10 mm$ ( $n_{10 mm} = 470$ ).

Do đó, tổng thiệt hại ( $C$ ) có thể được tính như sau (theo quy tắc Palmgren-Miner):

Vì vậy, thước đo cho thấy thiết bị đã thiệt hại 97% độ bền của thiết bị và có khả năng sẽ gãy sau khoảng 30 chu kỳ ứng suất biên độ 10mm nữa (hoặc 300 chu kỳ ứng suất biên độ 1mm).

Phổ thiệt hại do mỏi là gì?

Phổ thiệt hại do mỏi (FDS) cho thấy thiệt hại gây ra cho vật thể đang thử nghiệm bởi một tần số tín hiệu cụ thể. Nếu PSD (Mật độ Phổ Công suất) là sự phân bố năng lượng theo tần số, thì FDS là sự phân bố thiệt hại theo tần số.

Phổ này được tính toán theo nguyên tắc tương tự như SRS (Phổ Phản ứng Sốc – Shock Response Spectrum): chúng ta sử dụng một số hệ thống khối-lò xo (spring-mass systems), mỗi hệ thống có một tần số tự nhiên riêng. Các hệ thống này phải có cùng hệ số giảm chấn (damping factor).

Một tín hiệu nhất định sẽ tác động lên hệ thống tải trọng của lò xò, khi đó chúng ta có thế tính toán mức độ thiệt hại bằng cách sử dụng quy tắc Palmgren-Miner – tức là đếm số chu kỳ dao động với một biên độ của hệ thống khối-lò xo và tính toán hư hại bằng độ dốc của đường cong S/N.

Nói cách khác, để thực hiện thử nghiệm FDS (Fatigue Damage Spectrum – Phổ hư hại mỏi), chúng ta cần tính toán hư hại mỏi dựa trên dữ liệu đã ghi lại, và sau đó tổng hợp một tín hiệu, mà sẽ tạo ra cùng mức độ hư hại trong thời gian ngắn hơn.

FDS được tính toán như thế nào?

Ứng suất tỷ lệ thuận trực tiếp với vận tốc theo hệ số P.

Dựa trên thực tế này, thuật toán sau được sử dụng để tính toán phổ:

Tính toán vận tốc;
Tính toán số chu kỳ và biên độ của chúng;
Tính toán hư hại

Vận tốc được tính toán như thế nào?

Chúng ta có thể thu được vận tốc của hệ thống lò xo-khối lượng bằng cách lọc tín hiệu với bộ lọc IIR.

Các hệ số bộ lọc được tính toán bằng công thức:

f – tần số tự nhiên của hệ thống lò xo-khối lượng;
Q – hệ số chất lượng;
Ts – tốc độ lấy mẫu;
vk – mẫu vận tốc thứ k;
аk – mẫu gia tốc thứ k;

Vận tốc được tính bằng công thức:

Tính toán Số lượng Chu kỳ

Sau khi vận tốc được tính toán, chúng ta cần xác định ứng suất (stress), tức là xác định tất cả các chu kỳ dao động (fluctuation cycles) và tính toán biên độ của từng chu kỳ.

Việc này được thực hiện bằng cách sử dụng thuật toán Rainflow (Rainflow algorithm). RULA Technologies áp dụng việc thực hiện thuật toán này từ hộp công cụ WAFO(Wave Analysis for Fatigue and Oceanography).

Trong đó b và c là các hằng số, đặc trưng cho đường cong S/N.

Tổng hợp dữ liệu báo cáo

Ở bước này, chúng ta thực hiện tác vụ ngược lại và tính toán tín hiệu sẽ gây ra cùng mức độ hư hại, dựa trên FDS đã tính toán.

Thiệt hại cần được tính toán phân tích analytically, nếu không quá trình sàn lọc hồ sơ sẽ mất nhiều thời gian hơn dự kiến. Có thể tổng hợp hai lại tín hiệu, tín hiệu Sin và tín hiệu Ngẫu nhiên (Random). Nhưng mục đích của chúng ta là giảm thời gian thử nghiệm nên phương án tốt nhất là ưu tiên sử dụng tín hiệu ngẫu nhiên (Random)

Công thức để tính toán PSD (Mật độ Phổ Công suất) từ FDS là:

Tuy nhiên, với tín hiệu ngẫu nhiên (random signal), hệ thống khối-lò xo bị kích thích không chỉ bởi một thành phần tần số mà còn bởi các thành phần tần số lân cận nữa. Vì vậy, sau khi thu được PSD, việc tính toán FDS từ PSD trở thành một quá trình lặp (iterative process) nhằm hiệu chỉnh PSD, cho đến khi FDS khớp chính xác với hồ sơ nhiệm vụ (task profile) đã đặt ra.

Giao diện thử nghiệm FDS

Trong ví dụ dưới đây, thử nghiệm FDS đã được chạy trên hệ thống điều khiển rung động RL-C25. Trước đó, chúng tôi đã thực hiện các bản ghi dữ liệu trên RL-R19 và mở chúng trong mô-đun TestUp FDS.

Sau khi mở các tệp, chúng tôi thiết lập một số tham số thiết yếu: tần số phân tích bắt đầu và kết thúc, độ dốc S/N và hệ số Q.

Do có một vài bản ghi với dữ liệu thực tế (real-life data), nên chúng phải được tổng hợp (compiled). Có hai cách để thực hiện việc này:

Người dùng có thể lấy tổng phổ của tất cả các bản ghi. Sử dụng phương pháp này, có thể mô phỏng việc thử nghiệm vật thể liên tiếp qua tất cả các chế độ vận hành.
Người dùng có thể thu được giá trị tối đa của các tần số của tất cả các phổ trong các bản ghi. Phương pháp này cho phép mô phỏng “kịch bản tồi tệ nhất” của việc sử dụng cuối của vật thể.

Bạn có thể chỉ định thời gian tác động cho mỗi bản ghi, tức là nếu chúng ta có bản ghi 15 phút, chương trình có thể tính toán phổ như thể nó kéo dài 30 hoặc 60 phút.

Sau khi tính toán FDS, có thể thiết lập thời gian thử nghiệm mong muốn. Chương trình đã tính toán PSD và hiển thị các giá trị gia tốc, vận tốc và chuyển vị. Sau khi hoàn tất tính toán, TestUp tự động tạo một thử nghiệm Ngẫu nhiên (Random test) với thời gian thử nghiệm và hồ sơ PSD đã được tính toán sẵn.

Mua máy đo độ rung ở đâu

Ngoài cung cấp thiết bị, Lidinco còn cung cấp một số giải pháp đo độ rung giúp chuẩn đoán sớm các lỗi có thể xảy ra cho sản phẩm hoặc dây truyền sản xuất như

– Tạo biểu đồ nhiệt kiểm tra độ rung cho dây chuyền
– Kiểm tra độ rung các thiết bị gia dụng như máy lạnh, máy giặt, máy quạt
– Kiểm tra rung lắc của động cơ, vòng bi
– Đo rung lắc của bạc đạn, tua bin, máy nén khí, băng tải…
– Theo dõi độ rung dài hạn.

Công ty Lidinco là một trong những nhà đại diện phân phối hàng đầu các sản phẩm máy đo độ rung, phân tích âm thanh với giá tốt, chất lượng cao và chính hãng được nhầu khẩu từ nhiều thương hiệu hàng đầu trên toàn thế giới

Liên hệ ngay với Lidinco để được đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm tư vấn và hỗ trợ thêm về ứng dụng của bạn

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG

– Trụ sở chính: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
– Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
– VP Bắc Ninh: 184 Đường Bình Than, Phường Võ Cường, TP. Bắc Ninh
– Điện thoại: 0222 7300 180
– Email: sales@lidinco.com

Mô phỏng điều kiện thực tế trong thử nghiệm độ bền