Tesis doctoral de Amaia Yarza Fuentes
El propósito del trabajo realizado y que se presenta en esta tesis, es el estudio del problema aerovibroacústico aplicado a una estructura sometida a una vibración sonora dentro de una cámara de ensayo reverberante. El estudio abarca las dos principales problemáticas que engloban el problema, que son respectivamente la respuesta dinámica de la estructura y el comportamiento del fluido circundante no ideal. como introducción al trabajo realizado se presenta el estado del arte y la teoría a aplicar para la resolución del problema planteado. Se pretende con ello definir el punto de partida de la tesis en relación con las líneas de estudio que se van a explorar. en el capítulo 3 se aborda el estudio de la respuesta dinámica del reflector. Se han desarrollado dos metodologías para resolver los rangos de baja y media densidad modal. la metodología propuesta para baja frecuencia consiste en una evolución de la técnica acoplada de fem/bem que permite obtener de forma precisa la distribución de carga en la estructura como resultado secundario del problema vibroacústico. Por otro lado, para hacer frente al rango de media frecuencia, se ha definido una metodología basada en modelos híbridos, que combinan elementos finitos fem/bem y elementos energéticos sea. Como ejercicio de aplicación para ambos estudios, se realiza el análisis vibroacústico a una estructura ligera y flexible. En concreto, se trata de un reflector deplegable de 2.4m con una masa total de 15.1kg. Para la validación de las metodologías se hace uso de los datos de ensayo de dicha estructura. la metodología presentada para el cálculo del comportamiento estructural para la baja frecuencia, representa una importante evolución de las técnicas previas. Antiguamente, el procedimiento para el estudio de la capacidad de resistencia de la estructura partía de un caso de carga estático equivalente. Por el contrario la metodología propuesta, obtiene la distribución de carga como una respuesta dinámica considerando el comportamiento modal de la estructura. El resultado es una mejora en la precisión de los datos extraídos y un mayor conocimiento del comportamiento estructural en presencia de cargas acústicas. la metodología de baja frecuencia presentada ha sido evaluada cubriendo todos los parámetros relevantes involucrados en el análisis: – resolución de datos aplicada al cálculo y rango de frecuencia de estudio – superficies flexibles acopladas con el fluido – amortiguamiento estructural – modelización de la carga aplicada el resultado obtenido es una simulación conservadora del comportamiento del reflector dentro de una tolerancia de ±3db tanto para el valor de la raíz de la media cuadrática (rms) de las fuerzas como para la respuesta en frecuencia definida como densidad espectral de potencia (psd). Se comparan los resultados con los obtenidos mediante la metodología antigua, basada en un caso estático equivalente, siendo las mejoras notables. el estudio realizado para el rango de frecuencias medio completa una fase preliminar de definición del modelo híbrido y correlación de aceleraciones, teniendo en cuenta la novedad de las técnicas híbridas. Los resultados obtenidos son prometedores para continuar en la línea comenzada. uno de los objetivos alcanzados con el trabajo ha sido determinar la mejor representación de la familia de estructuras de reflectores, para la simulación vibroacústica en este rango de frecuencias. A partir del comportamiento dinámico se han desarrollado dos opciones de modelado, a fin de poder seleccionar la mejor aproximación. La correlación con el ensayo acústico del reflector de 2.4m de referencia ha determinado que el modelo que mejor representa la respuesta en frecuencia es el definido como: – disco de elementos finitos – estructura trasera de elementos energéticos sea. Cada uno de los tramos de los nervios define un único subsistema. – unión entre disco y estructura realizada mediante elementos puntuales con caminos de transmisión de energía dobles. – la carga acústica se aplica mediante elementos bem sobre el disco. desde un punto de vista cuantitativo, a partir del ejercicio de aplicación, se obtienen unos resultados prometedores para la metodología desarrollada. La modelización simula el comportamiento medido durante el ensayo dentro del margen de ±3db en las curvas densidad espectral de potencia (psd) y en términos de valor de la raíz de la media cuadrática (rms) de aceleración de la señal, salvo en casos puntuales. en el capítulo 4, como parte del estudio de los fenómenos físicos acontecidos durante un ensayo acústico en cámara reverberante, se ha querido ir más allá de la respuesta estructural del espécimen y se ha realizado un estudio estadístico de las características del fluido. Para este fin se han utilizado las medidas de los micrófonos de los ensayos de catorce reflectores de eads casa espacio (astrium) en dos cámaras distintas pero semejantes. Se han evaluado características como la homogeneidad y el nivel de entrada máximo, así como la influencia del nivel de entrada, de la resolución de los datos y del espécimen. a partir de una evaluación estadística de los datos, se ha determinado la falta de homogeneidad presentada por el campo de presiones en el interior de las cámaras durante los ensayos. Se concluye, además, que es independiente del espécimen o del nivel de presión aplicado, y por tanto achacables a la instalación en sí misma. Dado que la homogeneidad del campo de presiones es una de las bases para tener un campo difuso, la difusividad queda en entredicho. para un criterio de calidad de ambiente homogéneo de ±ldb se han definido los rangos de frecuencia de validez en las dos cámaras estudiadas. Se obtiene como resultado que en las frecuencias de interés, situadas por debajo de 100hz, el campo dista de ser ideal, invalidando en cierta medida los análisis realizados en dicho rango de frecuencias bajo la hipótesis de campo ideal difuso se observa, además, un efecto singular a 50hz posiblemente debido a la bocina de excitación con corte a 50hz. en línea con la falta de homogeneidad en la distribución de presiones en la cámara, se ha completado un estudio paralelo del nivel de carga máximo aplicado sobre las estructuras durante el ensayo. Se demuestra un incremento de la presión dependiente del tamaño del espécimen y la radiación debida al acoplamiento fluido-estructura. De la estadística de los datos medidos se define un peor escenario cubriendo un nivel de confianza del 99.74%. La información adicional incluida para la cuantificación del peor escenario son las tolerancias de ensayo (3db) y los márgenes de seguridad mínimos requeridos en el diseño (mos=0.25 o 2db). Se concluye que bajo estas hipótesis, por debajo del tercio de octava de 50hz la integridad del reflector no estaría garantizada por los análisis. todos los aspectos arriba mencionados han sido estudiados para dos niveles de resolución, uno detallado a nivel del tercio de octava y otro menos detallado para el ancho de banda definido en octavas. Las irregularidades y singularidades encontradas en el campo de presiones para datos computados con el primer nivel, se difuminan y/o desaparecen al relajar este criterio. como punto final al estudio del medio fluido, se ha tratado de relacionar el campo de presiones con las formas modales de las cámaras. La comparación tenía como objetivo definir la representación del fluido a partir de su respuesta modal, para poder acoplarlo con la estructura y obtener una simulación más realista del ensayo. Los cinco puntos de medida han resultado insuficientes para este fin, por lo que el estudio resulta inconcluyente. El campo de presiones de las cámaras no sigue fidedignamente el comportamiento modal de éstas, declarándose como posibles contribuyentes a esta falta de correlación la presencia de una pared de diferentes propiedades de reflexión y la posición de la fuente con respecto al espécimen y los micrófonos. Para poder concluir estas hipótesis es necesario completar las medidas de ensayo con un mayor número de tomas de presión. finalmente, una vez completados los estudios y evaluado los resultados obtenidos, se definen las líneas de continuación a la presente tesis. para la metodología del rango de baja frecuencia, se propone la definición del problema vibroacústico no lineal y el estudio del problema de varias estructuras embebidas en el mismo campo fluido. la técnica desarrollada para el rango de medias frecuencias requiere ser completada al mismo nivel de detalle que su análoga de baja frecuencia. Así mismo, se ve necesario profundizar el estudio del comportamiento de los caminos de transmisión de energía entre elementos con densidades modales medias. Además, se ha destacado la necesidad de una técnica que acople elementos bem con elementos sea. como último punto, se propone una extensión del conocimiento del comportamiento del campo fluido dentro de las cámaras acústicas mediante una mejor caracterización, con un mayor número de micrófonos, así como la implementación de la teoría de trazado de rayos. Todo ello, con el objetivo de mejorar la representación del campo fluido, en especial a bajas frecuencias.
Datos académicos de la tesis doctoral «Aerovibroacústica en estructuras aeroespaciales complejas«
- Título de la tesis: Aerovibroacústica en estructuras aeroespaciales complejas
- Autor: Amaia Yarza Fuentes
- Universidad: Politécnica de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 01/03/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Jesús López Díez
- Tribunal
- Presidente del tribunal: ángel pedro Sanz andrés
- Julián Santiago prowald (vocal)
- pedro Cobo parra (vocal)
- Andrés Omar tiseira (vocal)