Phân Tích Dao Động Kim Loại Tấm Bằng Hệ Thống DIC

Đánh giá hành vi động học của vật liệu tấm nhôm

Việc hiểu rõ hành vi động học (cách vật liệu/kết cấu phản ứng khi chịu tải trọng thay đổi theo thời gian) là yếu tố then chốt để thiết kế các kết cấu bền bỉ và đáng tin cậy. Trong quy trình này, phân tích dao động đóng vai trò cực kỳ quan trọng, giúp các kỹ sư hình dung rõ cách vật liệu biến dạng trước các lực tác động liên tục.

Bài viết này giới thiệu một nghiên cứu điển hình về việc ứng dụng Mercury RT — giải pháp đo lường/phân tích dao động toàn trường tiên tiến — nhằm xác định đặc tính dao động của tấm nhôm trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Mục Tiêu Nghiên Cứu

Mục tiêu chính là phân tích chi tiết dao động của một mẫu tấm nhôm thử nghiệm. Bằng cách sử dụng phầm mềm Mercury RT, nhóm nghiên cứu hướng tới việc xác định chính xác độ dịch chuyển 3D (3D displacement) và Dạng lệch vận hành (ODS – Operational Deflection Shapes) (hình dạng biến dạng thực tế của tấm nhôm khi bị kích thích tại các tần số cụ thể).

Mô Tả Bối Cảnh & Thiết Lập Thử Nghiệm

Mẫu thử nghiệm là một tấm nhôm có kích thước khoảng 400 x 20 x 1 mm.

Để ghi lại toàn bộ chuyển động dao động trong không gian 3 chiều, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống Tương quan Hình ảnh Kỹ thuật số 3D tốc độ cao (3D Digital Image Correlation – 3D DIC) (phương pháp quang học không tiếp xúc, dựa vào phân tích hình ảnh từ camera để đo độ biến dạng/dịch chuyển).

Hệ thống thử nghiệm bao gồm:

  • Nguồn kích thích dao động: Bộ phát tín hiệu (signal generator) kết hợp với bàn rung (shaker).

  • Camera: 02 camera tốc độ cao Chronos 1.4 được đồng bộ hóa.

  • Độ phân giải camera: 1280 × 1024 pixel.

  • Tốc độ ghi hình: 1.070 khung hình/giây (fps).

  • Lưới hiệu chuẩn: Lưới kích thước 3 mm.

  • Hệ thống chiếu sáng: 02 đèn LED xanh lục/xanh dương không nhấp nháy, giúp duy trì độ sáng ổn định.

  • Ống kính: Ống kính tiêu cự 50 mm, đặt camera cách mẫu thử 600 mm (Lưu ý: Do giới hạn phần cứng, phép đo tập trung vào vùng phía ngoài của mẫu nhôm).

  • Phần mềm: MercuryRT tích hợp sẵn module 3D DIC và module Phân tích phổ dao động (Vibrography).

Quy Trình Phân Tích Dao Động Các Bước Với Mercury RT

Quy trình thử nghiệm được tiến hành bài bản qua 4 bước:

  1. Chuẩn bị mẫu & Bối cảnh đo (Real-Time Scene Preparation):

    • Mẫu nhôm được sơn một lớp nền màu trắng mờ, sau đó phun các đốm hạt màu đen mờ tạo thành mẫu lốm đốm (speckle pattern). Mẫu đốm này là yếu tố cốt lõi giúp thuật toán DIC nhận diện và theo dõi sự di chuyển của từng điểm trên bề mặt.

    • Chất lượng của mẫu đốm được kiểm tra bằng công cụ Focus Tool của Mercury RT. Hệ thống thực hiện hiệu chuẩn camera thời gian thực bằng lưới 3 mm, đồng thời thiết lập hệ tọa độ tùy chỉnh để đo đạc chính xác.

  2. Phân tích tại các tần số chọn lọc (Chosen Frequency Analysis):

    • Bộ phát tín hiệu và bộ khuếch đại truyền sóng dạng hình sin (sinusoidal) đến bàn rung để kích thích tấm nhôm dao động.

    • Các kỹ sư quan sát bằng mắt để xác định các tần số tới hạn (critical frequencies – những tần số làm tấm nhôm biến dạng rõ nhất), sau đó cài đặt bộ phát tín hiệu phát đúng các tần số này để phân tích sâu. Các phép đo được ghi lại ở hai tần số: 25 Hz và 36 Hz.

  3. Dựng hình dạng biến dạng (Deflection Rendering):

    • Dữ liệu dịch chuyển toàn trường thu được từ Mercury RT được xử lý qua công cụ Vibrography để tạo ra phổ tần số (frequency spectrum), từ đó xác định chính xác các đỉnh tần số (peak frequencies).

    • Mercury RT sau đó mô phỏng trực quan Dạng lệch vận hành (ODS) của tấm nhôm tại tần số kích thích đã chọn.

  4. Tạo chuyển động động học trực quan (Dynamic Animation):

    • Để dễ dàng quan sát các dao động cực nhỏ, công cụ chuyển động động học của Mercury RT cho phép póng đại (kích đại) biên độ biến dạng và điều chỉnh tốc độ chuyển động, giúp quan sát hành vi dao động một cách trực quan và rõ ràng.

Kết Quả Đo Lường

Nhờ phương pháp 3D DIC, toàn bộ trường dịch chuyển và trường biến dạng (strain fields) trên bề mặt tấm nhôm đã được ghi lại, đặc biệt là độ dịch chuyển theo trục Z (hướng vuông góc với mặt phẳng tấm nhôm).

1. Kết quả ở tần số 25 Hz

Mercury RT thu nhận độ dịch chuyển 3D trên cả 3 trục: X (màu xanh lá), Y (màu xanh dương) và Z (màu đỏ).

Đồ thị biên độ dao động ở tần số 25 Hz (Công cụ Vibrography)

Sau đó, dữ liệu dịch chuyển được xử lý qua công cụ Vibrography để lập đồ thị phổ tần số.

Phân tích qua công cụ Vibrography cho thấy biên độ cực đại đạt đỉnh ở tần số 25,1 Hz. Dạng lệch vận hành (ODS) tương ứng được tái hiện rõ ràng trên phần mềm.

2. Kết quả ở tần số 36 Hz

  • Tương tự, độ dịch chuyển toàn trường 3D được ghi nhận trên 3 trục X, Y, Z.

Màn hình hiển thị dao động kế (Oscilloscope) ở tần số 36 Hz

Phân tích dao động – Độ dịch chuyển ở tần số 36 Hz

Nhóm nghiên cứu tiếp tục phân tích qua công cụ Vibrography để xuất phổ tần số

Đồ thị biên độ dao động ở tần số 36 Hz (Công cụ Vibrography)

Phân tích phổ Vibrography xác định đỉnh biên độ xuất hiện ở tần số 35,9 Hz, cùng với đồ thị mô phỏng ODS tương ứng.

Tần số kích thích (Bàn rung) Tần số cộng hưởng đo được (DIC) Sai lệch (%)
25 Hz 25,1 Hz 0,4 %
36 Hz 35,9 Hz 0,278 %

Kết quả cho thấy độ chính xác cực kỳ cao của hệ thống đo quang học DIC so với tần số kích thích thực tế.

Ưu Điểm Nổi Bật Của Mercury RT Trong Phân Tích Dao Động

Nghiên cứu trên đã chứng minh hiệu quả vượt trội của Mercury RT qua các ưu điểm:

  • Đo dịch chuyển 3D toàn trường: Cung cấp dữ liệu dịch chuyển trên toàn bộ bề mặt thay vì chỉ đo tại một vài điểm đơn lẻ như cảm biến truyền thống.

  • Trực quan hóa Dạng lệch vận hành (ODS): Giúp kỹ sư quan sát trực tiếp hình dạng kết cấu bị biến dạng thế nào tại từng tần số cụ thể.

  • Module Vibrography chuyên sâu: Hỗ trợ phân tích chi tiết trong miền tần số, mang lại cái nhìn toàn diện về đặc tính dao động của vật liệu.

  • Ghi hình tốc độ cao: Kết hợp với camera tốc độ cao giúp ghi lại chính xác các hiện tượng động học diễn ra cực nhanh.

  • Phương pháp đo không tiếp xúc: Hoàn toàn không cần dán hay gắn cảm biến lên mẫu, tránh làm thay đổi khối lượng hay đặc tính dao động tự nhiên của vật liệu.