Как углепластиковые конструкции реагируют на вибрацию и резонанс?

После быстрого разгона и остановки роботизированного манипулятора его рабочий конец может ещё некоторое время слегка колебаться. У измерительной балки на определённой скорости движения вибрация может внезапно стать значительно заметнее.

Можно ли решить такую проблему, просто заменив металлическую конструкцию на более лёгкую и жёсткую углепластиковую?

Не обязательно.

Углепластик обладает высокой удельной жёсткостью и предоставляет инженерам больше возможностей для настройки конструкции, но углепластиковые элементы также вибрируют и имеют собственные частоты и формы колебаний.

Для роботизированных манипуляторов, подвижных балок, прецизионного оборудования и высокоскоростных механизмов важен не вопрос:

«Будет ли углепластик вибрировать?»

Гораздо важнее:«Где находятся собственные частоты конструкции и на каких частотах оборудование её возбуждает?»

Почему более лёгкая и жёсткая конструкция всё равно может войти в резонанс?

Любая конструкция имеет собственные частоты колебаний.

Для простой системы с одной степенью свободы собственная частота приблизительно пропорциональна квадратному корню из отношения жёсткости к массе.

Увеличение жёсткости обычно повышает собственную частоту, а увеличение массы обычно её снижает.

Однако реальные машины значительно сложнее.

Роботизированный манипулятор или подвижная балка обычно имеют несколько собственных частот и соответствующих форм колебаний.

Вращение двигателя, возвратно-поступательные движения, зацепление шестерён и периодические нагрузки могут выступать источниками возбуждения.

Когда частота возбуждения приближается к одной из собственных частот конструкции, может возникнуть значительно более сильный резонансный отклик.

Поэтому после замены стальной или алюминиевой конструкции на углепластиковую одновременно изменяются и масса, и жёсткость.

Определить новые собственные частоты только на основании того, что конструкция стала «легче и жёстче», невозможно.

Изменяется схема укладки — изменяется и динамическое поведение

Это одно из важных преимуществ углепластиковых композитов с точки зрения проектирования.

Углепластик обладает выраженными направленными свойствами.

В типичных балках, трубах и элементах роботизированных манипуляторов продольные волокна обычно вносят значительный вклад в осевую жёсткость и жёсткость на изгиб.

Слои ±45° в большей степени участвуют в восприятии сдвига и кручения.

Поперечные слои влияют на поперечные характеристики, устойчивость сечения и локальную передачу нагрузок.

Изменение доли и последовательности слоёв фактически перераспределяет жёсткость конструкции по разным направлениям.

Когда распределение жёсткости меняется, собственные частоты и формы колебаний также могут измениться.

Наличие демпфирования не означает, что углепластик естественным образом «не вибрирует»

В композитной конструкции полимерная матрица, интерфейс между волокном и матрицей, а также сама деформация конструкции участвуют в рассеивании энергии колебаний.

Поэтому углепластиковые композиты могут иметь демпфирующие характеристики, отличающиеся от металлических конструкций.

Однако нельзя делать простой вывод, что углепластик всегда лучше металла гасит вибрации.

На демпфирование влияют тип смолы, схема укладки, объёмная доля волокон, температура и конструктивная форма.

После установки детали в оборудование в динамическое поведение также включаются клеевые соединения, болты, металлические вставки и фактическое состояние сборки.

С инженерной точки зрения действительно важны модальное демпфирование и частотная характеристика всей конструкции, а не один показатель демпфирования из справочника по материалу.

Некоторые вибрационные проблемы появляются только после сборки

Отдельно испытанная углепластиковая балка может не показывать никаких проблем, но после установки в оборудование может начать заметно вибрировать.

Это вполне нормально.

Например, установка исполнительного механизма на конце роботизированной руки изменяет массу и момент инерции.

Установка направляющих и датчиков на измерительную балку изменяет распределение массы.

Способ фиксации, положение опор и жёсткость соединений на концах также изменяют первоначальные граничные условия.

Для длиннопролётных балок не менее важны длина пролёта и форма поперечного сечения.

Чем длиннее конструкция, тем больше внимания обычно требуют низшие изгибные формы колебаний.

Если соединительная зона сама по себе недостаточно жёсткая, простого увеличения жёсткости балки может быть недостаточно для решения динамической проблемы всей системы.

Поэтому анализ вибраций не должен ограничиваться одной углепластиковой трубой или плитой.

Необходимо рассматривать элемент как часть реального оборудования.

На этапе проектирования сначала нужно понять, «как вибрирует» оборудование

Если для роботизированного манипулятора, подвижной балки или высокоскоростного механизма критичны точность позиционирования и время успокоения после движения, одного статического расчёта прочности обычно недостаточно.

Более практичный подход — сначала определить рабочие скорости, циклы движения и основные источники периодического возбуждения.

После этого модальные характеристики конструкции можно корректировать с помощью геометрии сечения, схемы укладки, распределения массы, опор и соединений, чтобы критические собственные частоты не попадали в основной рабочий диапазон возбуждения.

Универсального значения частотного разнесения, подходящего для любого оборудования, не существует.

Необходимо одновременно учитывать демпфирование, уровень возбуждения, рабочий диапазон и конкретные требования конструкции.

Для систем с высокими требованиями к динамическим характеристикам сначала можно использовать расчётный модальный анализ и анализ частотного отклика для прогнозирования собственных частот и амплитуд реакции.

Затем на опытном образце можно провести экспериментальный модальный анализ или вибрационные испытания и использовать реальные измерения для проверки и уточнения расчётной модели.

Углепластик не заставляет вибрацию исчезнуть автоматически. Его настоящее преимущество заключается в том, что он даёт инженерам больше возможностей управлять массой, жёсткостью и схемой укладки, чтобы настроить динамический отклик конструкции под нужный рабочий диапазон.

Если вы разрабатываете углепластиковый роботизированный манипулятор, подвижную балку, длинную опорную трубу или другую высокоскоростную подвижную конструкцию, GBTECH может на основе размеров, нагрузок, распределения массы, способа установки и рабочих частот помочь оценить материал, схему укладки и вариант изготовления конструкции.

Отправить запрос:https://gbtechrussia.com/SendInquiry/

Ознакомиться с характеристиками углеродно-волокнистых листов:

https://gbtechrussia.com/Carbon-Fiber-Sheets/

Ознакомиться с характеристиками углеродно-волокнистых труб:

https://gbtechrussia.com/Carbon-Fiber-Tubes/