德国航空航天中心选择Kistler加速度计执行振动测试

德国航空航天中心的气动弹性研究所在地面和空中都使用了大量奇石乐(Kistler)的加速度计用于振动测试和模态分析。例如:在各种技术和先进的压电传感器的帮助下,对全新ISTAR研究飞机的振动行为进行了精确的成像。

流线型的跑车和双门跑车让大众对空气动力学在车辆和飞机设计中发挥的重要作用有了一定的认识。但是对于研究飞机和其他车辆振动行为的科学分支——气动弹性力学来说,情况就不同了。在德国航空航天中心(DLR)甚至有一个专门研究这个学科的机构:位于哥廷根的气动弹性研究所,拥有一个大约80人的团队。其执行的任务包括飞机、直升机、风力涡轮机和涡轮发动机的结构动态测试,以便对其振动特性进行详细分析。

该研究所进行风洞试验,研究气流和结构振动的耦合(称为颤振行为),同时还进行模拟,以尽可能准确地预测气动弹性行为(这些甚至包括数字映射)。但主要的重点是地面振动测试(GVT)。这些精心设计的测试使用振动激励器在新飞机原型的不同点位(机翼、尾翼单元、机身等)上引起人为振动。使用加速度计进行记录,以确定结构振动的形式——即所谓的模式。

正确的测量技术满足每个测试要求

Julian Sinske 于2013年加入DLR,自2018年起担任结构动态测试团队负责人一职。他解释了GVT的目标和条件:”一般来说,地面振动测试只在首飞前六到八周进行——在这个时间范围内,该程序必须有效地执行。在测试中,飞机被安装好,使其行为类似于飞行中的行为——尽可能地排除由于起落架和轮胎造成的阻尼影响。GVT的实验结果可以用来验证制造商的仿真模型。在大多数情况下,这是进一步对原型进行飞行测试的先决条件。"

Kistler的200多个IEPE加速度计用于ISTAR(飞行系统与技术机载研究)的地面振动测试,这款新型研究飞机于2020年加入DLR的机群。除了这些仪器外,还有62支Kistler的IEPE(PiezoStar)和电容式MEMS加速度计(K-Beam)被永久地安装在ISTAR上,用于飞行测试。Kistler销售工程师Frank Busch解释了这些应用的区别。"静态测量的MEMS传感器也考虑到了重力加速度,因为它们针对0至50Hz范围内的低频进行了优化。这意味着这些传感器可以同时记录飞机的飞行动作。在这个地面振动测试中,永久安装在飞机上的MEMS和IEPE传感器可以与动态IEPE传感器并行操作,并与它们进行比较。GVT传感器被贴在飞机的外部——只是暂时的,仅在测试期间使用。”

所有这些仪器构成了一套综合测量系统的一部分,由Julian Sinske为首的空气弹性力学专家用它来连续记录所有的ISTAR数据,然后他们可以在多年的时间里对这些数据进行评估。他指出:"通过获取这些大数据方法,我们创造了数字映射的基础——这使我们能够建立结构健康监测。"

自从几年前我们在空间技术博览会上首次与Kistler接触以来,我们一直与他们成功合作。我们在涉及大型和小型飞机的项目中使用他们的传感器,也在风力发电领域使用他们的传感器。”

Julian Sinske,德国航空航天中心气动弹性研究所结构动态测试团队负责人

 

坚固、灵活的仪器--加上温度稳定性

ISTAR研究飞机也选择装配了Kistler的传感器——特别得益于一项杰出的创新。GVT的单轴传感器的特点是安装了一个测量元件,使其可以旋转。这使得传感器可以在两个空间方向上灵活的对齐。"因此,飞机的特定部分可以用不同的方式进行测量,而不会牺牲例如三轴传感器的测量通道,"Sinske补充说。这就是为什么DLR和研究所对Kistler如此满意:“有几个因素影响了我们选择Kistler的飞行测试传感器的决定:IEPE传感器的高温稳定性和MEMS传感器的高信号质量,再加上良好的咨询支持——特别是Thomas Petzsche博士的支持。测量设备从第一天起就准备就绪了,而且在设计和成本效益方面同样令人信服。”

对于GVT,研究飞机被连续激励了大约10个点——通常是对称的,并且在几个激励水平上,这样可以检测到非线性,也可以区分紧密相邻的模式。并且已经进行了滑行振动试验(TVT)。在这种情况下,飞机从机库中移出,穿过布伦瑞克DLR研究机场的跑道;这可以确定其缓慢行驶时的振动行为。随着测试的进行,该团队继续完善方法和程序。例如,作为数据评估研究项目的一部分,使用了一种人工智能算法,以实现更快的评估并消除人为因素。"但它还不足以取代有经验的工程师——尤其是在困难的情况下。”Sinske笑着指出。

在人工智能的帮助下进行数据评估

该研究所的学生还开发了一个AR增强现实的应用程序,可以在智能手机上使用,检查并同时记录每个传感器的存在,包括其编号、对齐和位置等。在某些情况下,超过500个传感器的定位必须精确到一厘米——因此这项创新使工作变得更加容易。“这种设置往往必须由轮班工作的人在短短几天内完成。因此,尽快发现任何异常情况是非常重要的,例如,如果一个传感器松动或电缆没有正确插入。在繁忙的阶段,越早发现故障,一旦真正开始行动,测量结果被篡改的机会就越小。”Sinske继续说道。

地面振动测试和滑行振动测试的结果已经经过了全面评估,并且已经开始更新飞机制造商的计算机模型。由于这些努力,ISTAR研究飞机数字映射的气动弹性部分现在已经触手可及。Julian Sinske的最后评论道:"我们对Kistler实施测量技术的方式非常满意。这些传感器非常坚固,而且性能优异。这就是为什么我们已经下了几个重复的订单,包括一米、两米、五米和十米的不同电缆长度。有了这么多的传感器,这使我们总是能够确保最理想的布线——尽可能的短——因此信号的路由得以保障。我们肯定也会在未来其他领域的项目中选择Kistler的解决方案——比如航天、风力发电或创新的空中出租车。”

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