動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)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(cè)試以及空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試，如圖1所示。如果要測(cè)量測(cè)試對(duì)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(cè)量?jī)x器。 通常認(rèn)為采樣率超過(guò)1 kS/s的測(cè)試為動(dòng)態(tài)測(cè)試。 NI將采樣率超過(guò)10 kS/s的測(cè)試歸類為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試，包括空氣動(dòng)力學(xué)、沖擊、振動(dòng)、爆炸和彈道測(cè)試。新SC Express平臺(tái)可滿足動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試的大多數(shù)嚴(yán)格要求。

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圖1. 結(jié)構(gòu)測(cè)試分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。

空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試

簡(jiǎn)介

空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試又稱為風(fēng)洞測(cè)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(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。 工程師使用風(fēng)洞再現(xiàn)測(cè)試對(duì)象的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境并研究其周圍的空氣流動(dòng)。 最常見的是對(duì)結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力測(cè)量。 雖然空氣動(dòng)力測(cè)試的要求很大程度上取決于測(cè)試對(duì)象的大小和測(cè)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(cè)試對(duì)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(cè)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(cè)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(dòng)而移動(dòng)，風(fēng)扇由大型電動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(cè)試的準(zhǔn)確性，因此采用整流器來(lái)防止湍流接近測(cè)試對(duì)象。 全尺寸測(cè)試需要非常大的測(cè)試區(qū)或空間。 測(cè)試較小對(duì)象或模型時(shí)，測(cè)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(cè)試區(qū)通常采用圓形截面和光滑的表面來(lái)實(shí)現(xiàn)湍流減阻。 測(cè)試對(duì)象保持處于測(cè)試區(qū)的中心，以最大程度降低墻壁的影響，但是風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果和開環(huán)空氣結(jié)果之間往往通過(guò)修正因子相關(guān)聯(lián)。 如果以超音速進(jìn)行測(cè)試，則需要使用高級(jí)冷卻技術(shù)來(lái)安全驅(qū)散所生成的熱量。

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

風(fēng)洞測(cè)試

雖然空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試有幾種不同的類型，最常見的是直接測(cè)量模型的空氣動(dòng)力和力矩。 在此類測(cè)試中，模型安裝在內(nèi)部或外部測(cè)力天平上，測(cè)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(cè)量8通道的應(yīng)變。六分力天平可以測(cè)量力（升力、阻力和橫向力）和力矩（偏航、滾動(dòng)和俯仰力矩），以確定飛機(jī)穿過(guò)空氣的運(yùn)動(dòng)。 您可以小心控制風(fēng)洞的流動(dòng)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(dòng)條件下兩個(gè)力的相對(duì)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(jí)

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(duì)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(cè)量值需要進(jìn)行后處理才能算出流量參數(shù)。

在部分測(cè)試中，模型也包含整個(gè)模型表面的測(cè)壓孔。 測(cè)壓孔是在模型上垂直鉆出的小孔。 壓力測(cè)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(guò)與隧道內(nèi)其他地方的氣流方向一致的小管測(cè)量。 我們將一個(gè)系列的管道稱為一耙，可用于測(cè)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(dòng)態(tài)壓力。 實(shí)際上，壓力測(cè)量通常不會(huì)用于測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)性能，因?yàn)檫@需要大量的測(cè)壓孔才能算出壓力的變化。

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

診斷測(cè)試屬于另一種類型的測(cè)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(cè)試設(shè)備包括測(cè)壓孔、總壓力排管、激光多普勒測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)顯示媒介的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)(CFD)來(lái)進(jìn)行物理模型或原型開發(fā)之前的設(shè)計(jì)評(píng)估。 CFD仿真可提供分析所需的空氣動(dòng)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(cè)試相結(jié)合可減少進(jìn)行全尺寸之前的模型測(cè)試需求。

沖擊測(cè)試

沖擊測(cè)試用于測(cè)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(zhǎng)度負(fù)載的合適材料，需要能夠預(yù)測(cè)產(chǎn)品將會(huì)遇到哪些類型的沖擊。 然后再進(jìn)行測(cè)試，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。 最常見的測(cè)試包括鐘擺和墜落測(cè)試。 鐘擺測(cè)試是將重物從特定高度擺下，沖破或撞擊測(cè)試物體。 鐘擺擺至較低高度時(shí)，可以計(jì)算該過(guò)程中能量的損失。 墜落測(cè)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(cè)試對(duì)象上，通過(guò)測(cè)量底部的傳感器來(lái)了解沖擊的能量。 能量和沖擊速度是沖擊測(cè)試過(guò)程中的兩個(gè)重要測(cè)量參數(shù)。近年來(lái)通常認(rèn)為儀器沖擊測(cè)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(cè)試中，您可以使用測(cè)量高速數(shù)據(jù)采集儀器采集的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)生成力、能量、速度和形變隨時(shí)間變化的曲線。

模態(tài)測(cè)試

模態(tài)分析用于研究結(jié)構(gòu)在振動(dòng)激勵(lì)下的動(dòng)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(dòng)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(dòng)及其對(duì)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(duì)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(dòng)的最小阻尼值）需要的阻尼之比。
• 振型- 對(duì)應(yīng)固有頻率的不同振動(dòng)形態(tài)。

圖4. 可使用加速度計(jì)和沖擊錘測(cè)量振動(dòng)。

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(lái)激勵(lì)結(jié)構(gòu)，然后測(cè)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(lái)提取結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(cè)試

爆炸和彈道測(cè)試用于測(cè)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(cè)試場(chǎng)地往往在爆炸艙、彈道測(cè)試廠或荒野（需要寬敞空間時(shí)）。 該類型測(cè)試需要高級(jí)儀器設(shè)備以非常高的采樣率（每秒上百萬(wàn)次采樣）來(lái)捕捉溫度、壓力和應(yīng)變測(cè)量值。 工程師通常將視頻截圖與測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合來(lái)記錄測(cè)試。 由于測(cè)試通常較為昂貴，因?yàn)樵趫?zhí)行物理測(cè)試之前往往通過(guò)軟件計(jì)算來(lái)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(cè)試。

結(jié)論

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試有多種形式，包括空氣動(dòng)力學(xué)、沖擊、模態(tài)、爆炸和彈道測(cè)試。 每個(gè)測(cè)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(lái)準(zhǔn)確收集動(dòng)態(tài)測(cè)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(guò)各種結(jié)構(gòu)測(cè)試來(lái)確保材料、組件和結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量要求。