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应用案例:火箭鼻锥正弦扫频试验

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【摘要】:
本文中,将介绍客户使用SIRIUS系列产品及包含正弦处理插件(sine processing,支持COLA信号)的DEWESoft软件,对火箭鼻锥进行正弦扫频测试,以便确定其共振频率及传递函数的方法。

客户:

巴西航空航天技术和科学部(DCTA)——总管单位

巴西航空航天研究所(IAE)——试验承接单位

 

实验内容:本文中,将介绍客户使用SIRIUS系列产品及包含正弦处理插件(sine processing,支持COLA信号)的DEWESoft软件,对火箭鼻锥进行正弦扫频测试,以便确定其共振频率及传递函数的方法。

                              火箭鼻锥扫频试验现场测试图

 

    DCTA是巴西国家航空航天研究中心,隶属于巴西空军(FAB),负责协调涉及巴西国防及航空航天领域有关的技术和科学研发工作。

 

DCTA总部

此次试验的承接单位是:巴西航空航天研究所(IAE)。该研究所负责开发,执行巴西航空航天及国防领域的项目。

 

试验背景和主要内容:

此次特殊结构测试中测试的火箭鼻锥是TEXUS探空火箭的重要组成部分。TEXUS探空火箭是欧空局(ESA)与德国宇航中心(DLR)微重力技术试验计划能够顺利进行的必要条件,其中IAE部门(巴西航空航天研究所)参与了TEXUS探空火箭发射系统的研发。TEXUS探空火箭每次发射都需要持续6分钟的失重飞行以满足实际试验的需要。微重力技术试验的主要任是:研究材料、流体及生物样本在失重环境下的性能。

IAE部门需要测量火箭鼻锥的共振频率,以避免火箭的固有频率/运行频率与鼻锥一样,从而引发共振,导致任务发射失败。为了实现上述测试,客户需要一个可靠的数据采集系统,能够实时跟踪和计算定义范围内的频率响应和传递函数。

 

正弦扫频振动试验

振动试验的目的是在试验室内模拟产品在运输、储存、使用过程中可能经受到的振动及其影响。根据施加的振动载荷的类型把振动试验分为正弦振动试验随机振动试验两种。正弦振动试验包括定额振动试验扫频振动试验。正弦扫频试验中,振动台会在设置的频率范围内按规律从低频到高频对产品进行扫描。通过将产品的响应与振动台加载的振动进行比较来识别扫描范围内的共振。

本文主要介绍基于正弦扫频试验原理,使用SIRIUS系列产品识别火箭鼻锥定义范围内的频率响应和传递函数的方法。

不同共振频率下产生的不同模态阵型

一般情况下,扫频振动试验能得到以下参数:结构共振频率,振幅,相位,响应的总谐波失真(THD)以及激励点和响应点之间的传递函数。为了在指定频域范围内对被测结构进行评估,从测试信号中准确提取上述参数是非常重要的。

在IAE 与 DCTA,客户使用带有正弦处理(Sine processing,支持COLA信号)插件的DEWESoft数据采集软件和SIRIUS系列采集模块进行正弦扫频测试。正弦处理插件使用COLA信号来计算瞬时频率,然后从该频率的加速度信号/振动信号中提取振幅和相位等参数。COLA信号输出同步信号使振动台与数据采集系统能同步工作。DEWESoft正弦处理插件支持如下两种COLA信号:Zero-crossing(过零)Hilbert transform(希尔伯特变换)

 

测试系统与测试设置

为了确保获得客户需要的测试结果,正弦扫频需要的频率范围是:25-1000Hz——此频率范围是火箭鼻锥在运输,发射和飞行期间可能经历的振动频率范围。

本测试中使用32通道的SIRIUS系列数据采集系统,支持32个IEPE加速度输入,包含两个SIRIUSi-HD-16xACC模块。IAE与DCTA还拥有其他的SIRIUS系列模块,用于能够执行其他测量任务,可支持IEPE,电压,温度,应变计等各类信号的采集。

测试硬件

本例中所展示的DEWESoft正弦处理解决方案的优势是:在进行正弦处理的同时,软件支持给31个模拟输入通道/振动信号都添加1/3倍频程和4096线分辨率的FFT(可选的线分辨率最高支持64K)。唯一的例外是用于连接来自振动台控制器COLA信号的模拟输入通道。

在实际测试中,鼻锥(外形尺寸874mm x 1830mm)上安置了8个三轴加速度传感器(5个B&K三轴加速度传感器和3个PCB三轴加速度传感器)。其中七个加速度传感器的信号接入数据采集系统,另外一个三轴传感器的信号作为参考连接到振动台控制器中。

三轴加速度传感器实际安装图

两个SIRIUSi-HD-16xACC模块中的一个模拟输入用于连接来自振动台的COLA电压信号,以对从振动台控制器传输到振动台的扫频进行频率检测,并激发结构。

 SIRIUS系列数据采集系统还包括两项非常重要的技术,可以将测量和数据采集提升到一个新高度:24位双核ADC技术隔离技术

SIRIUS高动态范围系列:

SIRIUS高动态范围系列的每个放大器都具有双24位AD转换器用于信号调理。每通道的采样率最高可达200 kHz,动态范围可达惊人的160 dB。

隔离技术

SIRIUS系列数据采集系统具有极高的通道间和通道对地隔离(高达1000VDC),可防止产生不必要的噪声以及接地环路(产生共模电压),从而提供最佳质量的测试信号。

在振动台运动的方向上激励被测设备,并相应地设置坐标系,以使y轴与激励轴对齐。同时IAE/DCTA客户已经使用指定的系统进行前期测试(有限元分析与模态测试),以便确定实际测点的分布。如下图所示:

加速度计的位置:7个在被测火箭鼻锥上,1个振动台转接板上

 

注意:本例中,所进行得测量仅使用了多个节点中的一个,如果需要测量多个节点,那么需要构建一个更大的系统,此时也意味着更大的试验成本。但是无论通道数量多与少,DEWESoft采集系统灵活强大的操作属性将保持不变。

 

在进行正弦扫频测试时,DEWESoft正弦处理插件(sine processing)能够实时处理传递函数,相位,RMS值,峰值及许多其他参数。实际测试界面如下:

实际测试界面

实时计算的结果对于IAE客户至关重要,因为我们都知道DUT(火箭发射系统及其载荷)价格十分昂贵。通过测试IAE的工程师们可以了解到火箭鼻锥的共振频率及对应的幅值是否在预期的设计范围内。

 

结论

DEWESoft正弦处理插件(sine processing)与功能强大的SIRIUS系列采集模块相结合,能够实现大型结构的实时结构测试(正弦扫频),测试系统的通道数可以依据具体试验进行搭配或扩展。同时结构测试中存储的时域数据也可以在后期分析中计算出需要的其他参数。

IAE测试工程师Domingos Strafacci说:

"此系统非常易于使用和设置。在进行这种关键的结构测试时,为我们节省大量测试时间"。

由于DCTA的研发活动中有许多不同的项目需要进行测试,此时客户可以从功能强大且扩展灵活的DEWESoft数据采集系统中获益。客户常见的试验如下:道路振动数据采集、GPS跟踪、飞机机翼模态分析、火箭分离试验中SRS测量等。

IAE动态测试负责人Edilson Camargo博士说:

"由于SIRIUS系列数据采集系统功能强大且扩展灵活,使其能够完成我们各种日常的测量任务,而不仅仅只是结构测试(正弦扫频),可以帮助我们节省支出"。

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