Comparison of Operational Modal Analysis methods for aerospace structures

Abstract

Estruturas projetadas por profissionais devem suportar diversas cargas dependendo dos requisitos operacionais. Dentre elas, cargas dinâmicas como vibrações representam um desafio significativo devido ao seu potencial de induzir comportamentos indesejados, levando a danos, impraticabilidade operacional e até mesmo falhas estruturais. Dessa forma, saber como as estruturas irão responder às vibrações é fundamental para a integridade e segurança do projeto. A Análise Modal Operacional(OMA) surge como uma ferramenta crucial nesta busca como uma técnica potente para avaliar parâmetros modais que ditam o comportamento dinâmico estrutural, abrangendo frequências naturais, taxas de amortecimento e modos de vibração. O processo OMA envolve medir as respostas da estrutura à entrada que é assumida em forma de ruído branco, para gerar funções de correlação no domínio do tempo e, subsequentemente, derivando famílias de espectros de potência automática e de potência cruzada. O que diferencia o OMA de outros métodos, como a análise modal experimental (EMA) é a utilização de condições de contorno reais e entradas operacionais, permitindo a análise sem interromper as operações da estrutura. Este artigo se concentra na aplicação da OMA a várias estruturas, comparando métodos de extração modal estabelecidos na literatura: o Algoritmo Numérico para Identificação de Subespaço (N4SID) e os Métodos de Identificação Estocástica de Subespaços (SSI): SSI-COV e SSI-DATA. Inicialmente, o método OMA é validado em uma viga cantiléver de aço, onde os parâmetros modais são estimados por estes métodos e comparados com dados teóricos derivados uma análise teórica e de simulações modais usando o método de elementos finitos (FEM) garantindo a precisão dos resultados do OMA. Posteriormente, as estruturas de um aerodesign e um drone são submetidas a testes para estimar seus parâmetros modais utilizando os métodos OMA previamente validados. Os resultados obtidos indicam uma boa correlação entre os parâmetros modais teóricos e experimentais em todos os testes, demonstrando a eficácia da abordagem OMA. No geral, este artigo explora a aplicação de três métodos OMA em diversas estruturas pertinentes à indústria aeroespacial, com o objetivo de determinar as suas características dinâmicas.