Le test modal est utilisé pour déterminer la fréquence naturelle, les formes de mode ou les rapports d'amortissement des structures ou des objets. Le test modal est un processus crucial, notamment dans le domaine de la technologie de la construction et de la construction mécanique. De l'industrie automobile à l'aérospatiale, le test modal joue un rôle important pour garantir l'intégrité, la sécurité et les performances des composants individuels et des structures entières. Dans cet article de blog, nous expliquons les bases du test modal, son application et sa pertinence dans l'ingénierie. Vous trouverez ensuite un guide rapide sur notre option de test modal, qui est disponible avec la version OXYGEN 7.0.

A quoi sert le test modal ?

L'essai modal est une forme d'essai de vibration qui permet de déterminer expérimentalement les paramètres modaux d'une structure. L'essai modal est utilisé, par exemple, pour analyser des pièces d'avion, des châssis, des moteurs, des éoliennes ou pour valider toute autre pièce structurelle. Les paramètres modaux particulièrement importants sont :

Fréquences naturelles (ou modales)
Elles représentent les fréquences auxquelles une structure tend à osciller lorsqu'elle est soumise à une charge dynamique sans aucune force extérieure. Ces fréquences sont inhérentes au système et dépendent de sa masse, de sa rigidité et de ses caractéristiques d'amortissement.

Taux d'amortissement
Ils quantifient la vitesse à laquelle les vibrations d'une structure diminuent au fil du temps. L'amortissement est essentiel pour comprendre la dissipation d'énergie et la stabilité du système dans des conditions de charge dynamique.

Formes modales
Elles représentent la distribution spatiale des déplacements ou des déformations au sein d'une structure à certaines fréquences naturelles. Elles renseignent sur les schémas vibratoires et le comportement dynamique du système.

Contrairement à l'analyse modale, qui se concentre sur l'analyse des paramètres, les tests modaux privilégient l'acquisition de données. Bien que les tests modaux incluent diverses méthodologies, les tests d'impact sont l'une des techniques les plus courantes. Cela implique l'application d'une force mécanique contrôlée via un excitateur au dispositif sous test (DUT) et la mesure de la réponse résultante. En général, un marteau modal est utilisé pour exercer cette force contrôlée. Ces marteaux sont dotés de capteurs IEPE intégrés dans leurs surfaces de frappe, ce qui permet une mesure précise de la force. Pendant ce temps, la réponse du DUT est capturée à l'aide d'accéléromètres ou d'autres capteurs de vibrations.

En fonction du dispositif testé (DUT), de la configuration de test et de l'environnement de test, l'approche optimale consiste à utiliser un ou plusieurs excitateurs ainsi qu'un ou plusieurs capteurs de réponse. Cela offre trois configurations de test distinctes et utiles :

1. Test SISO (Single-Input-Single-Output) :

dans les tests SISO, un seul excitateur (par exemple, un marteau) et un seul capteur sont utilisés. L'opérateur peut choisir de déplacer l'excitateur tout en gardant le capteur de réponse fixe ou vice versa. Selon l'application spécifique, cette configuration est appelée test à marteau mobile ou test à capteur mobile.

2. Entrée unique et sortie multiple (SIMO) :

les configurations SIMO impliquent un seul excitateur (mobile) et plusieurs capteurs capturant la réponse. Cette configuration permet la mesure simultanée d'une seule excitation à différents emplacements de capteurs, offrant des données complètes sur le comportement du DUT.

3. Entrées multiples et sorties multiples (MIMO) :

dans les configurations MIMO, plusieurs excitateurs et plusieurs capteurs de réponse sont utilisés. En général, les shakers servent d'excitateurs dans les tests MIMO, offrant une polyvalence et permettant l'évaluation d'interactions complexes au sein du DUT sur différents points d'excitation et emplacements de réponse.

En cas de résonance, une amplification de la réponse devient visible dans les spectres de réponse. Sur la base de ces spectres de réponse, en combinaison avec les spectres de force, il est possible d'obtenir une fonction de transfert, plus précisément la fonction de réponse en fréquence (FRF), qui est le paramètre d'intérêt. La FRF permet ensuite de quantifier la relation entre les signaux d'entrée et de sortie à chaque fréquence. Il existe différents algorithmes pour calculer la FRF, qui sont généralement tous effectués dans l'espace fréquentiel, car cela simplifie considérablement l'ensemble du calcul. Pour des informations détaillées sur les différents algorithmes de calcul, consultez notre manuel de test modal.

Les techniques d'analyse avancées telles que la fonction indicatrice de mode (MIF) ou l'ajustement de courbe peuvent améliorer la compréhension des fonctions de réponse en fréquence (FRF) en facilitant l'estimation des paramètres modaux. Alors que la MIF évalue les FRF sur toutes les voies d'excitation pour identifier les modes, l'ajustement de courbe estime les paramètres modaux tels que les fréquences naturelles ou les coefficients d'amortissement. Cependant, étant donné que la MIF et l'ajustement de courbe sont des parties inhérentes de l'analyse modale et non des tests modaux, ce billet de blog n'approfondira pas ces techniques d'analyse.

Que sont les applications de tests modaux ?

Les tests modaux et les analyses modales plus poussées sont des outils couramment utilisés dans diverses disciplines et industries d'ingénierie. Voici quelques exemples notables :

Automobile
Dans le secteur automobile, les tests modaux évaluent les caractéristiques de vibration des composants du véhicule et des systèmes de châssis, cruciales pour le confort de conduite et l'analyse de la durabilité.

Les essais modaux de génie civil
permettent d'évaluer le comportement dynamique de grandes structures telles que des bâtiments, des ponts, des barrages ou d'autres structures sous des charges éoliennes, sismiques ou opérationnelles.

Les essais modaux aérospatiaux
jouent un rôle central dans l'analyse du comportement dynamique des composants des avions tels que les ailes, le fuselage et les gouvernes et contribuent à l'optimisation des structures des avions.

Les essais modaux sur les systèmes mécaniques
mesurent les modes de vibration des machines et des systèmes industriels. Ils permettent ensuite de prévenir les défaillances par fatigue et d'optimiser les performances.

Tests modaux avec OXYGEN

Avec la sortie d'OXYGEN 7.0, nous avons implémenté les tests modaux dans notre logiciel de mesure intuitif OXYGEN . Cela permet d'effectuer des tests SISO et SIMO avec un marteau et un capteur mobiles, ainsi que le calcul de la fonction de transfert complexe, de la cohérence de plusieurs coups et de la fonction d'indicateur de mode (MIF). De plus, nous avons implémenté diverses options de visualisation interactives et la possibilité d'importer des modèles géométriques 3D.

Ci-après, nous vous proposons un guide rapide étape par étape sur la manière d'utiliser les tests modaux dans OXYGEN avec les systèmes de mesure DEWETRON. Pour des instructions complètes, reportez-vous une fois de plus à la référence technique

Guide rapide – test modal

Les tests modaux avec OXYGEN 7.0 sont si simples : dans cette vidéo, notre chef de produit Rafael Ludwig vous montre à quel point il est facile de prendre des mesures avec notre option logicielle à l'aide d'une configuration de test. Un banc d'essai est utilisé comme appareil à tester. Le système est excité avec un marteau modal et les signaux de réponse sont mesurés à plusieurs positions avec un accéléromètre. Les signaux des capteurs sont enregistrés par notre système d'acquisition de données NEX[DAQ].

Représentation schématique étape par étape des tests modaux dans OXYGEN:

Étapes 1 à 5 – Configuration des tests modaux dans OXYGEN

Étape 1 – Connexion matérielle :

La première étape consiste à connecter tous les capteurs de réponse et le marteau d’excitation à l’appareil de mesure DEWETRON, via par exemple un module TRION-2402-dACC dans un TRIONet3 .

Étape 2 – Configuration des canaux :

Il est important de configurer correctement les canaux de données pour les signaux d'excitation et de réponse. Cela comprend la sélection du mode correct, c'est-à-dire IEPE, ainsi que la mise à l'échelle/sensibilité du capteur. La mise à l'échelle est importante pour obtenir des valeurs de mesure valides pour les signaux d'entrée et de sortie qui ne sont ni trop faibles ni trop élevées. Pour réduire les influences externes, un filtre passe-haut peut être réglé dans le « couplage », qui supprime les oscillations trop faibles. De plus, une mise à zéro sous forme de valeur fixe peut être définie. La figure 4 illustre les réglages mentionnés ci-dessus.

Configuration du canal pour les tests modaux :

En règle générale, la réponse d'un signal d'excitation est mesurée en un point dans une ou trois directions spatiales. Si les canaux de réponse sont nommés selon la nomenclature [0-999][XYZ][+-], un objet de test modèle peut être généré directement à partir de ceux-ci.

Étape 3 – Configuration du test modal :

pour créer un test modal, commencez par sélectionner les canaux de réponse désignés ou créez un test modal sans aucun canal présélectionné. Ensuite, définissez l'objet de test soit en fonction des canaux de réponse sélectionnés, soit en sélectionnant manuellement le nombre de positions d'excitation et de réponse avec les directions spatiales correspondantes. L'affectation des canaux de réponse aux positions de réponse prévues est la prochaine étape essentielle, qui peut être effectuée automatiquement ou manuellement. Assurez-vous également de l'affectation du canal d'excitation à cette étape. Enfin, spécifiez les paramètres de déclenchement pour l'enregistrement des événements d'excitation, qui incluent des avertissements lorsque les limites de portée sont dépassées et un avertissement de coup secondaire facultatif. De plus, le type de calcul FRF peut être personnalisé en fonction du bruit du signal, ce qui permet des approches d'analyse flexibles.

Étape 4 – Écran de mesure :

personnalisez le modèle d’écran de test modal et affichez différents composants de données, tels que les parties réelles ou imaginaires de la réponse d’amplitude, en fonction de vos besoins spécifiques.

Étape 5 – Armement de la mesure :

Armez le déclencheur pour activer l'enregistrement de l'événement d'excitation. Ajustez le seuil dans les paramètres de déclenchement selon vos besoins. Une fois ces préparatifs terminés, vous êtes prêt à commencer l'enregistrement.

Étapes 6 à 9 – Effectuer les mesures avec OXYGEN :

Étape 6 – TP #1 :

Lancez l’enregistrement et exécutez l’excitation au premier point d’excitation.

Étape 7 – Vérification des données :

Évaluez la validité des données mesurées après chaque excitation. Selon la configuration du test, plusieurs coups par point peuvent être nécessaires, chacun étant évalué individuellement. Les coups réussis sont indiqués par une barre de couleur verte dans le cadre du groupe. Le cadre du groupe est situé en bas à gauche de l'écran de mesure comme indiqué dans la Fig. 5. Les indicateurs de couleur supplémentaires sont :

• rouge : avertissement de dépassement de portée
• orange : avertissement de portée
• rose : avertissement de double coup

Continuez le processus d’excitation jusqu’à ce que tous les événements pour la position désignée soient terminés avec succès.

Validation su résultat par indication de couleur :

Étape 8 – TP#i :

Passez au point d’excitation suivant et exécutez l’excitation.

Étape 9 – Évaluation des données :

examinez les données et répétez l'opération jusqu'à ce que le test soit terminé. Arrêtez l'enregistrement une fois terminé. La figure 6 montre un exemple d'exécution réussie. Elle fournit également un aperçu de l'écran de test principal.

 Écran de test modal universel :

Remarque : l'option « Test modal » d'OXYGEN est facultative et n'est donc pas incluse dans la licence standard d'OXYGEN.

Le test modal en quelques mots

Les tests modaux sont une méthode utilisée pour déterminer expérimentalement les fréquences naturelles, les formes de mode et les rapports d'amortissement d'une structure ou d'un système mécanique. Grâce à une excitation contrôlée et à la mesure de la réponse du système, les ingénieurs peuvent obtenir des informations sur son comportement dynamique. Les tests modaux sont un outil important dans de nombreux secteurs, notamment la fabrication, l'automobile, l'aérospatiale et bien d'autres. Pour prendre en charge tous ces différents domaines, nous avons intégré un outil de test modal facile à utiliser dans notre logiciel de mesure OXYGEN. Cet outil permet des mesures SISO et SIMO rapides avec affichage immédiat des signaux d'excitation, des signaux de réponse, du MIF et de la fonction de cohérence.