Medición de impacto en agua a alta velocidad

Sistema de adquisición de datos para choque de agua.

El científico Ph.D. Alessandro Iafrati me pidió ayuda para un sistema de adquisición de datos de medición para una prueba de choque de agua y cuanto más hablaba, más me daba cuenta de que no estaba bromeando, y me sentí encantado. Alessandro está trabajando para el Consejo Nacional de Investigación de Italia, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), en un instituto que realiza investigaciones en contextos marinos y marítimos utilizando enfoques computacionales y experimentales. La investigación está orientada a sistemas de barcos y hélices, dispositivos de energía renovable y cosas por el estilo.

Avión y agua ... Se refería a un proyecto financiado por la UE, FP7-SMAES (Smart Aircraft in Emergency Situations) motivado por el accidente de la aeronave y el aterrizaje de emergencia del vuelo 1549 de US Airways, un incidente también conocido como "Milagro en el Hudson". El proyecto tenía como objetivo comprender mejor la dinámica de la aeronave y la interacción de la estructura del fluido durante el impacto con el agua. En el momento en que me llamó al comienzo del proyecto, los enfoques computacionales para el diseño y certificación de aeronaves no eran completamente confiables. Se necesitaban pruebas para proporcionar un amplio conjunto de datos para apoyar el desarrollo y la validación de una nueva generación de métodos computacionales.

En este contexto, se diseñó y construyó una nueva instalación de zanjas de alta velocidad en la sede de CNR-INM, que es el antiguo Instituto de Investigación de Tecnología Marina INSEAN, Istituto Nazionale por Studi ed Esperienze di Architettura Navale. Establecido en 1927, está ubicado en un suburbio al sudoeste de Roma y cuenta con más de 120 investigadores, ingenieros y técnicos.

La nueva instalación permitió al CNR-INM ejecutar pruebas de zanjas guiadas en placas y componentes estructurales hechos de aluminio y materiales compuestos. El socio de un proyecto (Airbus Defence and Space, Madrid) sugirió las condiciones experimentales para superar la importante limitación de las pruebas de modelos a escala que no permiten capturar toda la física involucrada. Más recientemente, la instalación se ha reutilizado dentro del proyecto financiado por la UE H2020-SARAH (mayor seguridad y certificación robusta para el abandono de aviones y helicópteros).

La instalación de prueba, ahora denominada Instalación de zanjas de alta velocidad, finalmente parece un carro de montaña rusa montado al revés en un riel, y el riel conduce directamente al agua.

Instalación de impacto de alta velocidad

La instalación HSDF puede realizar pruebas a una velocidad horizontal en el rango de 30 a 50 m / s. La instalación está compuesta por una estructura de guía con una longitud total de aproximadamente 64 metros suspendida por cinco soportes sobre uno de los extremos de un tanque de remolque de 470 m de largo. La guía puede inclinarse para lograr el mismo componente de velocidad vertical, 1,5 m/s, independientemente del componente horizontal.

Las muestras a analizar están firmemente conectadas a una caja que contiene toda la instrumentación remolcada por el carro junto con la guía. La masa total de la caja con la muestra y toda la instrumentación es de aproximadamente 200 kg, mientras que la masa total de la carretilla y la caja juntas es de aproximadamente 900 kg.

El carro es acelerado por una catapulta hecha por 8 cordones elásticos pesados. Los cables están unidos a una barra en forma de U que abraza el carro y lo acelera a la velocidad final. Este es un componente bastante masivo ya que la barra en forma de U es de aproximadamente 300 kg y cada cordón elástico es de aproximadamente 130 kg. Para evitar cualquier interferencia del sistema de aceleración en la prueba, poco antes del punto de impacto, el sistema de frenado en la barra en forma de U entra en juego y se deja que el carro impacte libremente el agua. Cuando la placa toca el agua, se desarrolla un chorro que se propaga junto con la placa.

Para el propósito de las actividades del proyecto SMAES y SARAH, el experimento termina una vez que las raíces del chorro, y los picos de presión correspondientes, llegan al borde delantero de la placa. En ese momento, el flujo es libre de moverse hacia arriba y se desarrolla una intensa pulverización que golpea el modelo que avanza, una salpicadura que sacaría al niño en cualquier persona. Este efecto, junto con el flujo asociado con el desplazamiento del agua frente al modelo, proporciona la alta carga horizontal necesaria para reducir la velocidad del modelo antes del final de la guía. En la última parte de la guía, se utiliza un juego de neumáticos para absorber la energía restante.

La catapulta se carga mediante un cabrestante que remolca un carro auxiliar que sostiene el carro principal a través de una pinza cerrada por un pistón hidráulico. El carro auxiliar está equipado con dos trinquetes que se utilizan en el momento del lanzamiento para mantener el sistema bloqueado en los dientes ubicados a una distancia regular junto con la guía. El punto de liberación se selecciona para lograr la velocidad de impacto deseada y para compensar de esta manera la pérdida de resistencia de los cables elásticos. Por razones de seguridad, la instalación se opera de forma remota desde el exterior del edificio y se utilizan dos cámaras web para monitorear los trinquetes y el punto de liberación.

Sistema de medición y adquisición de datos a bordo

Para las pruebas, la caja está equipada con un sistema de adquisición de datos integrado que funciona a través de una computadora de escritorio remota. El sistema de medición está compuesto por un robusto SBOX PC con una memoria SSD de 100GB, 4 sistemas SIRIUS DAQ (8 canales analógicos, 8 canales digitales, y 1 CAN) y un sistema DEWE-43A (8 canales analógicos, 8 canales digitales y 2 puertos CAN).  system (8 analogic channels, 8 digital channels and 2 CAN ports). 

Las mediciones se realizan en términos de:

• sensores de presión (arriba de 30 sensores, Kulite XTL 123B, 300 psi escala completa, muestreo de 200 kS/s),

• sensores de vibración y aceleración (Kistler M101 y Kistler M301A, rango de 1000g, muestreo a 20kS/s) y

• galgas extensiométricas (rosetas uniaxiales o biaxiales dependiendo de la muestra específica, muestreo a 20 kS/s).

Las fuerzas totales que actúan sobre la placa se miden con 4 celdas de carga para los componentes verticales (Kistler 9343A) y 2 celdas para la dirección horizontal (Kistler 9363A).

Tanto Alessandro como yo sabíamos que la tecnología SIRIUS DualCoreADC © era obligatoria aquí para obtener la mejor señal de los medidores de tensión y los transductores de presión miniaturizados debido a la mejor SNR disponible (160dB). Los 40 canales analógicos se requieren en perfecta sincronización a una frecuencia de muestreo de 200 kS / s para obtener una señal suave durante el impacto y poder visualizar la evolución de la onda de presión en la superficie de impacto junto con las tensiones del material y la carga vertical total.

Al comienzo de este proyecto, no sabía con certeza si nuestros sistemas DAQ podrían sobrevivir a un choque mecánico durante la aceleración inicial y la desaceleración final y el impacto en los neumáticos. Además, en caso de fallas de las cubiertas impermeables durante el impacto, el agua que fluye puede causar serios daños.

Todos los datos se almacenan dentro del poderoso sistema de adquisición SBOX y transmitido al final de la prueba a una computadora remota a través de LAN inalámbrica estándar. Se inicia la adquisición y se verifican la funcionalidad de los canales, el cargador de batería y el espacio disponible en el disco antes de que comience la carga de la catapulta. Aunque la conexión wifi siempre está activa durante la prueba, la conexión de escritorio remoto se cierra durante la prueba para evitar comandos accidentales que podrían detener la adquisición. El escritorio remoto se reactiva al final del bloqueo para detener la adquisición y descargar los datos.

Finalmente, el modelo con instrumentos se lanzó a una velocidad horizontal de hasta 47 m/s. El impacto es bastante dramático: desde afuera, el ruido es bastante aterrador y, de hecho, las películas grabadas confirman cuán impresionante es la fase de prueba y el desplazamiento del agua durante la etapa final de la prueba.

Fue muy difícil liderar las fases completas de desarrollo y prueba de esta instalación de prueba única, por lo que pasamos muchas noches trabajando
Alessandro concluyó cuando se hicieron las pruebas 

Resultó que incluso él había dudado de la viabilidad del proyecto:

Realmente no podía creer que los instrumentos de Dewesoft pudieran medir con tanta precisión durante tal choque, pero finalmente se realizaron varias pruebas y se almacenaron y analizaron GB de datos, no se perdió una sola muestra. Los datos adquiridos fueron muy útiles para nuestros socios y nuestra instalación única ahora es muy precisa y confiable, y se ha vuelto muy popular.

Durante algunas pruebas, el grueso papel de aluminio apenas se deformaba. Alessandro Iafrati estaba contento, y ahora estoy esperando estar emocionado una vez más con su próximo proyecto de agua increíble y salpicaduras.