Methodology demonstration for minimizing vibrations in the transport of the ATLAS Strip end cap

Abstract

The ATLAS inner tracker end caps are transported by truck from Nikhef, Netherlands to CERN, Switzerland. During the transport the assembly is subjected to various vibrations which can be harmful to the sensitive detector elements in the end cap. The purpose of the thesis is to define a way to estimate the possible excitations, their effects on the end cap, how to dampen them, and to validate the workflow so that it can be used on the real end cap system with confidence. A physical, small-scale demo system was built, and an analytical six degree of freedom system was modelled. The analytical model is tuned and verified by experimental modal measurements of the physical system.

Wire rope isolators chosen to be the damper-springs for the demo system were measured on a tensile testing machine for stiffness values, and hysteretic damping parameters. These were used to estimate an equivalent viscous damping coefficient and spring stiffness for a linear state space model. This model was used to simulate the first six mode shapes and frequencies. The physical system is measured with impact hammer excitation and sine sweep excitation. The measurement workflow was validated by simulating and measuring a simply supported beam. The measured demo system transfer function was used to refine the stiffness values of the system model and to simulate the effect of a spectrum excitation based on the input spectrum from ASTM D4169-22.

Possible reasons for the disparity between the measured values from tensile tests and experimental modal analysis were analyzed and found to be within the expected range. Dynamics methods for WRI characterization were suggested as opposed to the quasi-static tests more commonly found in the literature with a novel approach to measuring transverse properties. The workflow for simulating and testing an end cap assembly was developed and improvements to the transport were found.

ATLAS Strip end cap -kokoonpanot siirretään kuorma-autokuljetuksella Nikhef:stä, Alankomaista, CERN:iin, Sveitsiin. Kuljetuksen aikana kokoonpanoihin kohdistuu erilaisia värähtelyherätteitä, jotka voivat vaurioittaa ilmaisimen herkkiä alikokoonpanoja ja komponentteja. Diplomityön tarkoitus on määritellä tapa, jolla mahdollisia herätteitä, niiden vaikutusta päätykokoonpanoon, ja vaimennusta voidaan tutkia. Tarkoituksena on suunnitella ja validoida työtapa, jota voidaan soveltaa tulevaisuudessa luotettavasti päätykokoonpanojen analysointiin. Tätä varten rakennettiin todellisen päätykokoonpanon tukirakennetta vastaava pienen mittakaavan testimalli. Sama järjestelmä mallinnettiin analyyttisena kuuden vapausasteen mallina. Analyyttisen mallin parameterja määritettiin ja varmennettiin värähtelymittauksien avulla.

Testijärjestelmän vaimennuselementeiksi valittiin vaijerivaimentimet. Niiden jäykkyys ja hystereesivaimennus mitattiin kvasistaattisilla vetokokeilla. Näiden arvojen perusteella arvioitiin ekvivalentti viskoosivaimennus, sekä jousivakiot lineaarista tilayhtälömallia varten. Mallilla simuloitiin ensimmäiset kuusi värähtelymuotoa ja -taajuutta. Fyysinen testimalli mitattiin isku- ja siniaaltoherätteella. Ennen mittauksia koko värähtelymittausprosessi varmennettiin mittaamalla yksinkertaisesti tuettu suora palkki. Testimallilla mitatulla siirtofunktiolla korjattiin vaijerivaimentimien jäykkyysarvoja, sekä laskettiin standardin ASTM D4169-22 mukaisen spektriherätteen vaikutus.

Eroavaisuuksia vetokokeiden ja värähtelymittausten tulosten välillä tutkittiin ja todettiin, että arvot ovat realistia. Vaijerivaimentimien ominaisuuksien dynaamiseen mittaukseen ehdotettiin parannettua mittaustekniikkaa. Poikittaissuuntaisten ominaisuuksien mittaukseen luotiin uusi konsepti. Työtapa päätykokoonpanojen simulointiin ja mittaukseen määriteltiin ja testattiin. Kuljetustukiin löydettiin parannusehdotuksia.