成功案例| 德國航空航天中心選擇Kistler加速度計執(zhí)行振動測試
該研究所進行風(fēng)洞試驗，研究氣流和結(jié)構(gòu)振動的耦合（稱為顫振行為），同時還進行模擬，以盡可能準確地預(yù)測氣動彈性行為（這些甚至包括數(shù)字映射）。但主要的重點是地面振動測試（GVT）。這些精心設(shè)計的測試使用振動激勵器在新飛機原型的不同點位（機翼、尾翼單元、機身等）上引起人為振動。使用加速度計進行記錄，以確定結(jié)構(gòu)振動的形式——即所謂的模式。
Julian Sinske 于2013年加入DLR，自2018年起擔(dān)任結(jié)構(gòu)動態(tài)測試團隊負責(zé)人一職。他解釋了GVT的目標和條件：”一般來說，地面振動測試只在首飛前六到八周進行——在這個時間范圍內(nèi)，該程序必須有效地執(zhí)行。在測試中，飛機被安裝好，使其行為類似于飛行中的行為——盡可能地排除由于起落架和輪胎造成的阻尼影響。GVT的實驗結(jié)果可以用來驗證制造商的仿真模型。在大多數(shù)情況下，這是進一步對原型進行飛行測試的先決條件。"
Kistler的200多個IEPE加速度計用于ISTAR（飛行系統(tǒng)與技術(shù)機載研究）的地面振動測試，這款新型研究飛機于2020年加入DLR的機群。除了這些儀器外，還有62支Kistler的IEPE（PiezoStar）和電容式MEMS加速度計（K-Beam）被永久地安裝在ISTAR上，用于飛行測試。Kistler銷售工程師Frank Busch解釋了這些應(yīng)用的區(qū)別。"靜態(tài)測量的MEMS傳感器也考慮到了重力加速度，因為它們針對0至50Hz范圍內(nèi)的低頻進行了優(yōu)化。這意味著這些傳感器可以同時記錄飛機的飛行動作。
在ISTAR的地面振動測試中，DLR使用了200多支來自Kistler的IEPE加速度計。它們具有卓越的溫度穩(wěn)定性和可移動的對齊。| © DLR
在這個地面振動測試中，永久安裝在飛機上的MEMS和IEPE傳感器可以與動態(tài)IEPE傳感器并行操作，并與它們進行比較。GVT傳感器被貼在飛機的外部——只是暫時的，僅在測試期間使用。”
所有這些儀器構(gòu)成了一套綜合測量系統(tǒng)的一部分，由Julian Sinske為首的空氣彈性力學(xué)專家用它來連續(xù)記錄所有的ISTAR數(shù)據(jù)，然后他們可以在多年的時間里對這些數(shù)據(jù)進行評估。他指出："通過獲取這些大數(shù)據(jù)方法，我們創(chuàng)造了數(shù)字映射的基礎(chǔ)——這使我們能夠建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。"
DLR的ISTAR研究飛機配備了250多支Kistler的加速度計，用于地面和空中的振動測試。| © DLR
自從幾年前我們在空間技術(shù)博覽會上首次與Kistler接觸以來，我們一直與他們成功合作。我們在涉及大型和小型飛機的項目中使用他們的傳感器，也在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域使用他們的傳感器。
——Julian Sinske 德國航空航天中心氣動彈性研究所結(jié)構(gòu)動態(tài)測試團隊負責(zé)人
ISTAR研究飛機也選擇裝配了Kistler的傳感器——特別得益于一項杰出的創(chuàng)新。GVT的單軸傳感器的特點是安裝了一個測量元件，使其可以旋轉(zhuǎn)。這使得傳感器可以在兩個空間方向上靈活的對齊。"因此，飛機的特定部分可以用不同的方式進行測量，而不會犧牲例如三軸傳感器的測量通道，"Sinske補充說。
這就是為什么DLR和研究所對Kistler如此滿意：“有幾個因素影響了我們選擇Kistler的飛行測試傳感器的決定：IEPE傳感器的高溫穩(wěn)定性和MEMS傳感器的高信號質(zhì)量，再加上良好的咨詢支持——特別是Thomas Petzsche博士的支持。測量設(shè)備從第一天起就準備就緒了，而且在設(shè)計和成本效益方面同樣令人信服。”
DLR氣動彈性研究所結(jié)構(gòu)動態(tài)測試組組長Julian Sinske在新的ISTAR研究飛機上檢查Kistler傳感器。| © DLR
對于GVT，研究飛機被連續(xù)激勵了大約10個點——通常是對稱的，并且在幾個激勵水平上，這樣可以檢測到非線性，也可以區(qū)分緊密相鄰的模式。并且已經(jīng)進行了滑行振動試驗（TVT）。在這種情況下，飛機從機庫中移出，穿過布倫瑞克DLR研究機場的跑道；這可以確定其緩慢行駛時的振動行為。隨著測試的進行，該團隊繼續(xù)完善方法和程序。例如，作為數(shù)據(jù)評估研究項目的一部分，使用了一種人工智能算法，以實現(xiàn)更快的評估并消除人為因素。"但它還不足以取代有經(jīng)驗的工程師——尤其是在困難的情況下。”Sinske笑著指出。
為了進行地面振動測試，Kistler加速度計安裝于飛機的各個部分——在本例中，安裝于新ISTAR的尾部裝置。| © DLR
該研究所的學(xué)生還開發(fā)了一個AR增強現(xiàn)實的應(yīng)用程序，可以在智能手機上使用，檢查并同時記錄每個傳感器的存在，包括其編號、對齊和位置等。在某些情況下，超過500個傳感器的定位必須精確到一厘米——因此這項創(chuàng)新使工作變得更加容易。“這種設(shè)置往往必須由輪班工作的人在短短幾天內(nèi)完成。因此，盡快發(fā)現(xiàn)任何異常情況是非常重要的，例如，如果一個傳感器松動或電纜沒有正確插入。在繁忙的階段，越早發(fā)現(xiàn)故障，一旦真正開始行動，測量結(jié)果被篡改的機會就越小。”Sinske繼續(xù)說道。
Julian Sinske（左四）與他在DLR的團隊一起，進行時間緊迫的地面振動測試，有時涉及500多支加速度計和復(fù)雜的數(shù)據(jù)評估。| © DLR
地面振動測試和滑行振動測試的結(jié)果已經(jīng)經(jīng)過了全面評估，并且已經(jīng)開始更新飛機制造商的計算機模型。由于這些努力，ISTAR研究飛機數(shù)字映射的氣動彈性部分現(xiàn)在已經(jīng)觸手可及。Julian Sinske的最后評論道："我們對Kistler實施測量技術(shù)的方式非常滿意。這些傳感器非常堅固，而且性能優(yōu)異。這就是為什么我們已經(jīng)下了幾個重復(fù)的訂單，包括一米、兩米、五米和十米的不同電纜長度。有了這么多的傳感器，這使我們總是能夠確保最理想的布線——盡可能的短——因此信號的路由得以保障。我們肯定也會在未來其他領(lǐng)域的項目中選擇Kistler的解決方案——比如航天、風(fēng)力發(fā)電或創(chuàng)新的空中出租車。”