SUPERVISOR
Mohsen Esfahanian,Saeed ZeiaeiRad
محسن اصفهانیان (استاد راهنما) سعید ضیائی راد (استاد مشاور)
STUDENT
Reza Ebrahimi
رضا ابراهیمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Simulation and Modification of Vibrational Model of Corn Harvest Combine Platform Using Operational Modal Analysis (OMA)
Vibration in cutting platform of corn harvest combine causes increase in grain loss, reduction of vehicle lifetime and driver’s comfort, and also affects the machine working precision. In order to determine linear vibration behavior of a mechanical structure, a model which relates acting forces on the structure with the resulting responses of it plays a significant role. For a great number of mechanical structures, only response data are measurable while the actual loading conditions are not known. Operational Modal Analysis (OMA) is a process of determining dynamic characteristics of a structure based on the output responses only (i.e. input excitation information is not required). The use of such processes allows the identification of modal models of structures which are excited by unknown ambient force and vibration. In this thesis, controlled vibration tests are conducted on cutting platform of a John Deer 955 combine. During the test, the combine is excited by its engine and the resulting vibrations of different working sections, such as the trashing mechanism, elevator and cutter bar. The acceleration signals are recorded with a 6-channel data acquisition device associated with PULSE Lab Shop measurement software. The PULSE system is regulated for sampling interval of 1.953 ms. Therefore, about 16384 data points are acquired, corresponding to a measurement time of 32 s. Measurements are taken for constant values of the engine speed and the cutting height. Next, the frequency domain decomposition (FDD) technique is used by the MEscope software to estimate the modal parameters of vibrating structure in real operational conditions. FDD technique is a non-parametric technique for operational modal analysis (OMA) of structures that estimates the modal parameters directly from signal processing calculations. Then, a finite element model is constructed representing the vibration behavior of the cutting platform. For this purpose, the body of platform, knife, spiraled auger, reel and a total of 56 bolts, 13 knife clips and 28 guards are modeled in ABAQUS. These parts are assembled by 140 coaxial constrains and 100 face to face constrains and meshed automatically with tetrahedron elements. Then, the finite element model is successfully updated by comparing the estimated results with the measured data from operational modal analysis. Also, a resonance condition is found around the natural frequency of the fifth mode shape (50 Hz). Since the scaling of estimated operational mode shape depends on the unknown level of the ambient excitation, an extra effort is required in order to correctly merge the different parts of the mode shapes. Therefore, the mass change strategy is used to estimate the scaling-factor. The FRF matrix is then calculated by scaled mode shapes. Finally, the modification technique is introduced on the structure by change of mass matrix in order to achieve better harvest performance and have easier and more comfortable operation. The structural modification methods often prove to be the best and sometimes the only strategy for the redesign of complex structures. As a result of this modification, natural frequency of fifth mode shape (50 Hz) of the combine cutting platform was shifted to 48 Hz. Thus the resonance condition and vibration of cutting platform is reduced. Keyword : cutting platform, FDD technique, operational modal analysis, mass modification.
ارتعاش در پلتفورم برشی کمباین برداشت غلات باعث افزایش افت دانه و کاهش عمر وسیله نقلیه شده و می تواند دقت و آسایش کاری راننده را تحت تاثیر قرار دهد. برای تعیین رفتار ارتعاشی یک سازه مکانیکی، ارائه مدلی که نیرو های اعمال شده به سازه را با پاسخ های ارتعاشی ناشی از آن به هم مربوط کند نقش اساسی بازی می کند. برای بسیاری از سازه های مکانیکی فقط داده های پاسخ قابل اندازه گیری هستند، در حالی که شرایط بارگذاری واقعی معلوم نیست. آنالیز مودال عملیاتی (OMA) [1] فرایند تعیین مشخصات دینامیکی یک سازه بر اساس پاسخ های خروجی است (اطلاعات مربوط به تحریک ورودی مورد نیاز نیست). استفاده از این قبیل فرایند ها، تعیین مدل مودال سازه هایی که با نیرو و ارتعاشات محیطی تحریک می شوند را ممکن می سازد. در این پایان نامه، آزمایش های ارتعاشی کنترل شده ای بر روی پلتفورم برشی یک کمباین جاندیر مدل 955 اعمال گردیده است. در طول تست، کمباین به وسیله موتور و ارتعاشات ناشی از قسمت های کاری مختلف از جمله مکانیزم واحد کوبش، بالا برنده و تیغه برش تحریک شده است. سیگنال های شتاب، با یک دستگاه جمع آوری داده شش کاناله همراه با نرم افزار اندازه گیری PULSE Lab Shop ضبط شده اند. سیستم PULSE برای نرخ نمونه گیری 953/1 میلی ثانیه تنظیم شده است. بنابراین حدود 16384 نمونه متناظر با مدت نمونه گیری 32 ثانیه به دست آمده است. اندازه گیری ها برای مقدار ثابتی از دور موتور و ارتفاع برش انجام شده اند. سپس تکنیک تجزیه حوزه فرکانسی [2] (FDD) به وسیله نرم افزار MEscope استفاده شده تا پارامتر های مودال سازه در حال ارتعاش را در شرایط کاری واقعی تخمین بزند. تکنیک FDD یک تکنیک غیر پارامتریک برای آنالیز مودال عملیاتی (OMA) سازه ها است که پارامتر های مودال را مستقیماً از محاسبات پردازش سیگنال تخمین می زند. سپس یک مدل اجزاء محدود که نشان دهنده رفتار ارتعاشی پلتفورم برشی است تهیه شده است. برای این منظور، بدنه پلتفورم، تیغه، مار پیچ حلزونی، پروانه و مجموع 56 پرچ، 13 نگه دارنده تیغه و 28 انگشتی در نرم افزار ABAQUS مدل شده اند. این قطعات با 140 قید هم مرکزی و 100 قید صفحات موازی مونتاژ و با المان های چهار وجهی شبکه بندی شده اند. سپس مدل اجزاء محدود، با مقایسه نتایج تخمین زده شده از آنالیز مودال عملیاتی داده های اندازه گیری شده، به طور موفقیت آمیز به روز گردیده است. نتایج نشان دهنده آن است که شرایط رزونانس اطراف فرکانس طبیعی مود پنجم (50 هرتز) وجود دارد. چون مقیاس بندی شکل مود های عملیاتی تخمین زده شده وابسته به سطوح تحریک مجهول است، باید قسمت های مختلف این شکل مود ها به طور صحیح مقیاس بندی شوند. بنابراین استراتژی تغییر جرم برای تخمین زدن فاکتور مقیاس مود ها استفاده شده، سپس ماتریس FRF [3] به وسیله مود شیپ های تخمین زده شده، محاسبه گردیده است. سرانجام تکنیک اصلاح سازه به منظور دست یابی به عملکرد برداشت بهتر و عملیات آسان تر، به وسیله تغییر ماتریس جرم بر روی سازه اعمال گردید. روش های اصلاح سازه به عنوان بهترین و در مواردی تنها استراتژی برای طراحی مجدد سازه های پیچیده به کار می روند. در نتیجه، فرکانس طبیعی مود پنجم ( 50 هرتز ) پلتفورم برشی کمباین، به 48 هرتز تغییر یافت تا شرایط رزونانس و نتیجتاً ارتعاشات پلتفورم کاهش داده شود. [1] Operational Modal Analysis [2] Frequency Domain Decomposition [3] Frequency Response Function