Mô phỏng thí nghiệm thử rung kết cấu bo mạch dưới tác dụng của gia tốc nền

Harmonic Response là một dạng bài toán mô phỏng các đáp ứng rung động của kết cấu dưới tác dụng của tải điều hòa. Bài toán mô phỏng này thường được ứng dụng để tái hiện các thí nghiệm thử rung trong giai đoạn thiết kế và tiền sản xuất hàng loạt.

Đây là một trong những bài toán mô phỏng giúp kiểm tra kết cấu có làm việc ở chế độ cộng hưởng hay không? Cung cấp số liệu cho việc đánh giá kết cấu có thể chịu được bao nhiêu chu kỳ tải cho đến khi bị phá hỏng (do mỏi)? và giúp xác định những đặc trưng nào của tải (biên độ, tần số) ảnh hưởng không tốt đến độ bền của kết cấu? câu trả lời cho những câu hỏi trên đều có thể được đánh giá dựa trên các kết quả phân tích Harmonic Response.

Hình 1 Đồ thị rung động theo thời gian của kết cấu dưới tác dụng của tải điều hòa

Trong thực tế, đáp ứng tổng của kết cấu theo thời gian dưới tác dụng của tải điều hòa sẽ có dạng như [Hình 1]:

• Giai đoạn 1 là giai đoạn quá độ tức thời, rung động là sự tổng hợp của kích thích cưỡng bức và đáp ứng rung động tự nhiên của kết cấu ứng với điều kiện đầu. Rung động tự nhiên của kết cấu sẽ tắt dần do các yếu tố cản gây ra.
• Giai đoạn 2 là giai đoạn rung động cưỡng bức bình ổn. Lúc này kết cấu rung động điều hòa với tần số bằng với tần số của lực kích thích.

Bài toán phân tích Harmonic Response chỉ xét đến giai đoạn kết cấu rung động bình ổn dưới tác dụng của ngoại lực (Giai đoạn 2 – Giai đoạn bình ổn).

Trong bài viết trước, phân tích Modal (Phân tích rung động tự nhiên) đã xác định được các đặc tính rung động tự nhiên của kết cấu. Ở bài viết này, phân tích rung động điều hòa tái hiện thí nghiệm thử rung sản phẩm dưới tác động của tải gia tốc điều hòa, nhằm khảo sát các đáp ứng cộng hưởng của hệ kết cấu.

Tải điều hòa được tạo ra từ thiết bị thử rung có tần số thay đổi trong khoảng giá trị làm việc của sản phẩm trong thực tế. Tải trọng này được biểu diễn thông quan một hàm điều hòa hình sin có biên độ bằng độ lớn của tải kích thích, tần số thay đổi trong khoảng giá trị cần khảo sát.

Ví dụ, kết cấu chịu một kích thích gia tốc nền có biên độ là 2G (1G = 9.81 m/s2), rung động với tần số trong khoảng 5Hz -> 1000 Hz. Kết quả cần khảo sát là đáp ứng gia tốc tại các vị trí cần quan tâm, gồm: biên độ và góc lệch pha của đáp ứng so với tải trọng đầu vào.

Trong [Hình 2] là kết quả đáp ứng về biên độ và góc pha của gia tốc tại 1 vị trí nằm trên linh kiện tản nhiệt (Heat Sink). Từ đồ thị đáp ứng về biên độ ta có thể thấy, tại một số vị trí có giá trị nhảy vọt. Do là do tại các vị trí này có tần số của lực kích thích gần bằng/bằng với tần số rung động tự nhiên của kết cấu, dẫn đến trường hợp cộng hưởng, gây ra sự nhảy vọt về biên độ đáp ứng.

Hình 2 Một số mô phỏng liên quan đến thí nghiệm thử rung sản phẩm

Với Harmonic Response chúng ta có thể biết được đáp ứng rung động tại mọi ví trí trên kết cấu.

Hình 3 Đáp ứng chuyển vị của kết cấu bo mạch dưới tác dụng của tải điều hòa.

Các kết quả có thể khai thác trong một phân tích đáp ứng điều hòa (Harmonic Response):

• Giá trị đáp ứng lớn nhất trong dải tần số khảo sát (Maximum Over Frequency)
• Tần số gây ra biên độ đáp ứng lớn nhất (Frequency of Maximum)
• Góc pha gây ra biên độ đáp ứng lớn nhất tại một tần số xác định (Phase of Maximum)
• Thay đổi của biên độ đáp ứng theo góc pha tại một tần số xác định (Maximum Over Phase)

Các kết quả này sẽ giúp trả lời các câu hỏi:

• Tại tần số bao nhiêu thì đáp ứng (chuyển vị, gia tốc, ứng suất,…) lớn nhất xảy ra trên kết cấu?
• Đáp ứng lớn nhất xảy ra ở vị trí nào trên kết cấu?
• Giá trị lớn nhất của đáp ứng trên kết cấu là bao nhiêu?

Bài tiếp theo: Mô phỏng rung động của kết cấu theo phương pháp Phổ đáp ứng (Response Spectrum).