動態(tài)結(jié)構(gòu)測試指南

新結(jié)構(gòu)的研究、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證需要進(jìn)行各種靜態(tài)負(fù)載測試以及空氣動力學(xué)測試，如圖1所示。如果要測量測試對象的結(jié)構(gòu)完整性，則需要能夠讀取所有傳感器讀數(shù)的測量儀器。 通常認(rèn)為采樣率超過1 kS/s的測試為動態(tài)測試。 NI將采樣率超過10 kS/s的測試歸類為動態(tài)結(jié)構(gòu)測試，包括空氣動力學(xué)、沖擊、振動、爆炸和彈道測試。新SC Express平臺可滿足動態(tài)結(jié)構(gòu)測試的大多數(shù)嚴(yán)格要求。

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圖1. 結(jié)構(gòu)測試分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試。

空氣動力學(xué)測試

簡介

空氣動力學(xué)測試又稱為風(fēng)洞測試，用于改善飛機(jī)、火箭、汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)甚至自行車的空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)。 工程師使用風(fēng)洞再現(xiàn)測試對象的動態(tài)工作環(huán)境并研究其周圍的空氣流動。 最常見的是對結(jié)構(gòu)的空氣動力測量。 雖然空氣動力測試的要求很大程度上取決于測試對象的大小和測試的目標(biāo)，但一般都需要在很短的時(shí)間內(nèi)獲得詳細(xì)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 測試對象可以是全尺寸結(jié)構(gòu)或比例模型，由于結(jié)構(gòu)的成本較低且尺寸較小，因而常用于航空航天應(yīng)用中。 然后，工程師可以使用該模型數(shù)據(jù)預(yù)測全尺寸結(jié)構(gòu)所受的影響，進(jìn)而理解和提高性能。

風(fēng)洞概述

風(fēng)洞通常是專為噴氣機(jī)和火箭測試所需的特定目的及速度范圍（從亞音速到超音速）而設(shè)計(jì)。 風(fēng)洞可以是開環(huán)的（空氣進(jìn)出隧道），或者是閉環(huán)的（空氣在隧道內(nèi)循環(huán)）。 空氣隨著一系列風(fēng)扇的運(yùn)動而移動，風(fēng)扇由大型電動驅(qū)動馬達(dá)或噴射引擎供電。之后空氣在旋轉(zhuǎn)葉片的作用下在拐角處轉(zhuǎn)向。 風(fēng)扇可引起湍流進(jìn)而影響測試的準(zhǔn)確性，因此采用整流器來防止湍流接近測試對象。 全尺寸測試需要非常大的測試區(qū)或空間。 測試較小對象或模型時(shí)，測試區(qū)包含一個(gè)較小的觀察窗和用于安裝模型的儀器，如圖2所示。

測試區(qū)通常采用圓形截面和光滑的表面來實(shí)現(xiàn)湍流減阻。 測試對象保持處于測試區(qū)的中心，以最大程度降低墻壁的影響，但是風(fēng)洞測試結(jié)果和開環(huán)空氣結(jié)果之間往往通過修正因子相關(guān)聯(lián)。 如果以超音速進(jìn)行測試，則需要使用高級冷卻技術(shù)來安全驅(qū)散所生成的熱量。

圖2. 風(fēng)洞重現(xiàn)動態(tài)操作環(huán)境。

風(fēng)洞測試

雖然空氣動力學(xué)測試有幾種不同的類型，最常見的是直接測量模型的空氣動力和力矩。 在此類測試中，模型安裝在內(nèi)部或外部測力天平上，測力天平通常由一個(gè)三分力或六分力應(yīng)變天平組成。PXIe-433x電橋輸入模塊是新SC Express產(chǎn)品家族的成員，能夠以高達(dá)102.4kS/s/ch的速度測量8通道的應(yīng)變。六分力天平可以測量力（升力、阻力和橫向力）和力矩（偏航、滾動和俯仰力矩），以確定飛機(jī)穿過空氣的運(yùn)動。 您可以小心控制風(fēng)洞的流動條件，以改變模型上的力以及流量參數(shù)雷諾數(shù)和馬赫數(shù)：

• 雷諾數(shù)– 慣性力和粘滯力之比；用于量化在給定流動條件下兩個(gè)力的相對重要性
• 馬赫數(shù)– 物體速度與音速之比；用于確定壓縮效應(yīng)的等級

這兩個(gè)數(shù)取決于隧道的氣體流速和氣體密度，且必須滿足預(yù)期的飛行條件才能對實(shí)際氣流進(jìn)行研究并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。 力的測量值需要進(jìn)行后處理才能算出流量參數(shù)。

在部分測試中，模型也包含整個(gè)模型表面的測壓孔。 測壓孔是在模型上垂直鉆出的小孔。 壓力測量值可用于算出模型上的法向力，進(jìn)而推算出性能。 壓力也可以通過與隧道內(nèi)其他地方的氣流方向一致的小管測量。 我們將一個(gè)系列的管道稱為一耙，可用于測量模型內(nèi)壁或隧道內(nèi)的總壓力。 總壓力包含靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力。 實(shí)際上，壓力測量通常不會用于測量空氣動力學(xué)性能，因?yàn)檫@需要大量的測壓孔才能算出壓力的變化。

圖3. 大部分常見的空氣動力學(xué)測試直接測量比例模型上的空氣動力和力矩。

診斷測試屬于另一種類型的測試，不用于提供飛機(jī)的整體性能，而僅僅用于了解氣流現(xiàn)象。 使用的測試設(shè)備包括測壓孔、總壓力排管、激光多普勒測速儀和熱線風(fēng)速儀探針。 根據(jù)使用的儀器設(shè)備的類型不同，可測量穩(wěn)態(tài)氣流或隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)氣流信息。

其他測試類型還包括流量可視化，可提供診斷信息。 這些技術(shù)包括自由流煙霧技術(shù)、激光片光技術(shù)或表面油流技術(shù)。 這些方法都假設(shè)流動顯示媒介的運(yùn)動與氣流完全一致。 陰影圖或施利倫系統(tǒng)用于可視化沖擊波在可壓縮流中的形狀和位置。

最近，空氣動力學(xué)家利用計(jì)算機(jī)和軟件的功能，采用3D計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)來進(jìn)行物理模型或原型開發(fā)之前的設(shè)計(jì)評估。 CFD仿真可提供分析所需的空氣動力和力矩、流速、壓力和熱傳遞。 將這些計(jì)算方法與風(fēng)洞測試相結(jié)合可減少進(jìn)行全尺寸之前的模型測試需求。

沖擊測試

沖擊測試用于測試結(jié)構(gòu)的抗高速負(fù)載能力。 如果要選擇能夠承受與結(jié)構(gòu)預(yù)期壽命相同時(shí)間長度負(fù)載的合適材料，需要能夠預(yù)測產(chǎn)品將會遇到哪些類型的沖擊。 然后再進(jìn)行測試，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。 最常見的測試包括鐘擺和墜落測試。 鐘擺測試是將重物從特定高度擺下，沖破或撞擊測試物體。 鐘擺擺至較低高度時(shí)，可以計(jì)算該過程中能量的損失。 墜落測試需要使材料或結(jié)構(gòu)從指定的高度墜落，或使物體墜落到測試對象上，通過測量底部的傳感器來了解沖擊的能量。 能量和沖擊速度是沖擊測試過程中的兩個(gè)重要測量參數(shù)。近年來通常認(rèn)為儀器沖擊測試是提供材料斷口信息的最準(zhǔn)確方法，其中壓力傳感器安裝到墜落物體上。PXIe-4330和PXIe-4331的每個(gè)通道均具有一個(gè)24位Delta-Sigma ADC、遠(yuǎn)程遙感、內(nèi)部橋路補(bǔ)全、可編程激勵(lì)以及分路校正，用于確保準(zhǔn)確性。 在儀器沖擊測試中，您可以使用測量高速數(shù)據(jù)采集儀器采集的測量數(shù)據(jù)來生成力、能量、速度和形變隨時(shí)間變化的曲線。

模態(tài)測試

模態(tài)分析用于研究結(jié)構(gòu)在振動激勵(lì)下的動態(tài)特性。 借助模態(tài)分析，您可以提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（動態(tài)屬性）。 模態(tài)參數(shù)，包括自然頻率、阻尼比、振型，均是用于描述結(jié)構(gòu)運(yùn)動及其對環(huán)境激勵(lì)和強(qiáng)迫激勵(lì)的響應(yīng)的基本參數(shù)。 了解這些模態(tài)參數(shù)可以幫助您了解結(jié)構(gòu)對環(huán)境條件的響應(yīng)以及進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

• 固有（或共振)頻率- 激勵(lì)產(chǎn)生最大幅度響應(yīng)時(shí)的頻率。 該參數(shù)非常重要，因?yàn)榧?lì)頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、損傷或完全結(jié)構(gòu)損壞。
• 阻尼比- 實(shí)際阻尼與達(dá)到臨界阻尼（系統(tǒng)不發(fā)生振動的最小阻尼值）需要的阻尼之比。
• 振型- 對應(yīng)固有頻率的不同振動形態(tài)。

圖4. 可使用加速度計(jì)和沖擊錘測量振動。

目前工業(yè)上一般采用兩種類型的模態(tài)分析： 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和操作模態(tài)分析。 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是模態(tài)分析中最常用的傳統(tǒng)形式，使用沖擊錘等設(shè)備來激勵(lì)結(jié)構(gòu)，然后測量響應(yīng)。 然后，您可以計(jì)算出傳遞函數(shù)，并使用特定模態(tài)參數(shù)提取算法來提取結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是設(shè)計(jì)驗(yàn)證和有限元分析(FEA)認(rèn)證的最有效方法。

爆炸和彈道測試

爆炸和彈道測試用于測試在爆炸荷載下的結(jié)構(gòu)行為以及實(shí)際武器和炸藥。 工程師的測試場地往往在爆炸艙、彈道測試廠或荒野（需要寬敞空間時(shí)）。 該類型測試需要高級儀器設(shè)備以非常高的采樣率（每秒上百萬次采樣）來捕捉溫度、壓力和應(yīng)變測量值。 工程師通常將視頻截圖與測量數(shù)據(jù)相結(jié)合來記錄測試。 由于測試通常較為昂貴，因?yàn)樵趫?zhí)行物理測試之前往往通過軟件計(jì)算來仿真結(jié)果。

圖5. 助推器在進(jìn)入大氣之前需要進(jìn)行全面的地面測試。

結(jié)論

動態(tài)結(jié)構(gòu)測試有多種形式，包括空氣動力學(xué)、沖擊、模態(tài)、爆炸和彈道測試。 每個(gè)測試都有其獨(dú)特的要求，但均需要采用先進(jìn)的儀器和軟件來準(zhǔn)確收集動態(tài)測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。SC Express和NI-DAQmx可滿足這些復(fù)雜的軟硬件需求。 您可在科研、原型和設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段通過各種結(jié)構(gòu)測試來確保材料、組件和結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量要求。