Institut aéronautique et spatial (IAE), DCTA, Brésil
par Vid Selič, ingénieur NVH, Dewesoft

Analyse vibratoire des structures par méthode sinus

A l'Institut aéronautique & spatial (IAE), DCTA, des tests dynamiques structurels, comme le traitement sinusoïdal, SRS et l'analyse modale sont effectués dans le cadre de la procédure standard de validation sur différents composants des systèmes de lancement de fusée. Dans le cas présent, le nez de la fusée a été testé sur un vibrateur en utilisant la méthode par sinus balayé.

Le logiciel Dewesoft X améliore le temps de mise en oeuvre et la qualité des données acquises en prenant en charge les calculs en temps réel via une interface utilisateur de traitement sinusoïdal dédiée.

Le département des Sciences et Technologies aerospatiales (DCTA),est situé à São José dos Campos – le plus grand complexe aérospatial d'Amérique Latine. 

DCTA fonctionne comme le centre national de recherche militaire brésilien pour l'aviation et le spatial, subordonné à la Brazilian Air Force (FAB) et coordonne toutes les activités techniques et scientifiques liées au secteur aérospatial impliquant les intérêts du ministère de la Défense.

Les essais ont eu lieu à Instituto de Aeronaútica e Espaço (IAE), l'Institut aéronautique et spatial. Cet institut développe et réalise des projets dans les secteurs de l'aéronautique, de l'espace aérien et de la défense, et est co-responsable de l'exécution de la mission spatiale brésilienne.

La problématique

Le nez conique testé dans cet essai dynamique structurel joue un rôle important dans les activités de R&D menées pour les missions TEXUS - un programme de fusée de sondage ou de recherche, au service des programmes de microgravité de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et le Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), le centre spatial allemand.

L'IAE se concentre principalement sur le développement des systèmes de lancement, l'exploration des propriétés et du comportement des matériaux, des produits chimiques et substances biologiques en apesanteur (micro gravitation). Chaque lancement fournit environ six minutes de microgravité.

Dans ce cas d'étude, l'IAE avait besoin de mesurer les fréquences de résonance de leur nez de fusée afin d'éviter de fonctionner dans ces plages ces fréquences durant le vol, et ainsi compromettre l'intégrité structurelle / échec de la mission.

Ils avaient besoin d'un système fiable d'acquisition de données capable de suivre et de calculer la gamme définie de réponses et fonctions de transfert en temps réel.

Réduction de données sinusoïdales – Traitement de données par sinus balayé

Le traitement des données par méthode sinus est un outil de tests structurels sur de grandes structures. Une telle approche est largement utilisée pour la validation et la qualification de la conception dans l'industrie aérospatiale, et généralement, des centaines de voies de mesures sont nécessaires.

Par définition, il n'y a pas de place à l'erreur, toutes les structures utilisées au cours d'une mission doivent être soigneusement testées au préalable pour garantir un bon fonctionnement et une intégrité structurelle sans compromis.

Différents modes vibratoires résultant de l'excitation dans les fréquences de résonance

La caractérisation d'aussi grandes structures se fait en les excitant avec un balayage de fréquences uniques sur un vibrateur. Le test de vibration à balayage sinusoïdal traverse ou balaye des basses aux hautes fréquences ou vice versa. Il est utilisé pour identifier chacun résonance dans la plage de balayage définie, en comparant les vibrations de réponse du spécimen d'essai aux vibrations de la table vibrante.

Le traitement sinus permet d'obtenir les paramètres suivants:

  • fréquences de résonance struturelle, 
  • amplitudes, 
  • phase, 
  • taux de distortion harmonique (THD) de la réponse de la structure
  • fonctions de transfert entre l'excitation et les points de réponse. 

Afin d'évaluer la structure testée dans le domaine fréquentiel, il est important d'extraire avec précision les paramètres du signal sinusoïdal.

Le traitement sinusoïdal utilise un signal d'adaptation de niveau de sortie constant (COLA) pour calculer la fréquence instantanée, puis extrait l'amplitude et la phase des accéléromètres à cette fréquence. La sortie du signal COLA synchronise le système de pilotage du vibrateur avec le système d'acquisition.

Chez IAE / DCTA, le logiciel d'acquisition de données Dewesoft X - avec le plugin de traitement sinus - et un système d'acquisition SIRIUS ont été utilisés pour l'enregistrement des données. 

L'essai s'est déroulé en synchronisant le système d'acquisition DEWESoft avec le contrôleur de la table vibrante (système tiers). L'outil de traitement sinusoïdal Dewesoft dispose de deux méthodes de détection de fréquence:

  1. Zero-crossing ou
  2. Transforméée d'Hilbert.

Les signaux des accéléromètres acquis sur le nez de fusée sont mesurés avec la fréquence de balayage issue du signal COLA. Ils sont ensuite calculés en temps réel pour fournir un aperçu détaillé de la réponse de la structure à l'excitation.

Configuration d'essai et mesure

Pour garantir des résultats pertinents pour le client, il était important d'effectuer un test de balayage sinusoïdal de 25 à 1 000 Hz, qui est la plage typique des fréquences de vibrations qu'un nez de fusée subira pendant le transport, le lancement et le vol. 

Pour l'acquisition des données, nous utilisions deux modules SIRIUSi-HD-16xACC. Le système disposait au total de 32 entrées accéléromètriques IEPE. Le même système permet également à l'IAE / DCTA d'effectuer d'autres types de mesure et offre également un moyen d'étendre le nombre de voies d'entrée par simple chainage des modules. Des entrées supplémentaires comme IEPE, tension, température, jauge de contrainte et autres peuvent être ajoutées facilement pour former un système à grand nombre de voies en cas de besoin.

Pour mettre en avant la puissance de la solution de traitement sinusoïdal de Dewesoft, nous effectuions à la fois une analyse en 1/3 d'octave et une analyse FFT avec une résolution de 4096 lignes (la résolution spectrale sélectionnable pouvant aller jusqu'à 64 000 lignes) et simultanément avec un traitement sinus sur les 31 voies. La seule exception étant le canal d'entrée utilisé pour le signal COLA du contrôleur du vibreur.

Le traitement sinusoïdal lui-même s'exécute dans le logiciel Dewesoft X, y compris la possibilité de se connecter et de mesurer d'autres paramètres utiles, tels que les conditions environnementales du test ou d'inclure une vidéo à haute vitesse pour observer comment la structure se déplace pendant le test.

8 accéléromètres triaxiaux ont été réparties sur la structure du nez (dimensions extérieures 874 mm x 1830 mm) afin d'obtenir les meilleurs résultats souhaités.

Pour le test, nous utilisions cinq accéléromètres triaxiaux Brüel & Kjaer et trois accéléromètres PCB. Sept accéléromètres ont été placés le long de la structure, et un accéléromètre triaxial PCB servant de référence a été placé sur l'adaptateur fixant le cône de nez à la table vibrante.

Une entrée analogique sur nos deux SIRIUSi-HD-16xACC a été utilisée pour connecter le signal de tension COLA et détecter ainsi la fréquence du balayage transmis du contrôleur au vibrateur excitant la structure.

Le système d'acquisition SIRIUS comprend également deux technologies très importantes qui font passer les mesures et l'acquisition de données à un niveau supérieur:

  • DualCoreADC (haute dynamique)
  • Isolation galvanique (haut niveau d'isolation)

DualCoreADC - Haute dynamique

Les amplificateurs SIRIUS utilisent deux convertisseurs analogiques/numériques 24 bits pour le conditionnement du signal. Le SIRIUS atteint une étonnante plage dynamique de 160 dB dans le domaine temporel et fréquentiel avec un taux d'échantillonnage de 200 kHz par voie.

Isolation galvanique

Le système SIRIUS offre également une isolation élevée de voie à voie et de voie à masse qui empêche les bruits indésirables, offre la meilleure qualité de signal et empêche les dommages aux systèmes dûs à une tension excessive, les bouclages de masse.

Le dispositif testé était excité dans le sens du mouvement de la table vibrante et notre système de coordonnées a été placé de manière correspondante, de sorte que l'axe y était aligné avec l'axe d'excitation.

Le banc d'essai: positionnement des accéléromètres, 7 sur le cône de fusée et 1 sur la plaque adaptatrice fixée sur le bâtis du vibrateur

IAE/DCTA utilisait déjà un système dédié pour ce genre d'essai et traitait tous les calculs de fonctions de transfert en post-traitement. Le plugin de traitement sinus Dewesoft est capable de gérer le calcul des fonctions de transfert, phase, RMS, Peak et beaucoup d'autres paramètres en temps réel.

Les résultats calculés en temps réel sont essentiels pour l'IAE car les équipements sous test tels que les systèmes de lancement de fusées et / ou les charges utiles sont coûteux. Les ingénieurs de l'IAE obtiennent un aperçu immédiat des paramètres mesurés, ce qui leur permet de surveiller directement si les fréquences de résonance et les amplitudes correspondantes sont dans les valeurs attendues / projetées

Conclusion

La solution logicielle de traitement par sinus balayé Dewesoft couplé au puissant système d'acquisition SIRIUS est capable d'effectuer des tests de grandes structures en temps réel sur un nombre illimité de voies.

Des calculs supplémentaires, non sélectionnés pour être effectués en temps réel, peuvent être effectués en post-analyse en utilisant les données du domaine temporel qui ont été stockées pendant la mesure.

L'ingénieur d'essai de l'IAE, Domingos Strafacci conclut:

Le système est vraiment facile à utiliser et à configurer. Cela nous fera gagner beaucoup de temps lors de l'exécution de ce type de test structurel crucial.

La mesure qui a eu lieu, n'utilisait qu'un faible nombre de modules d'acquisition et peut être étendue à une chaine de mesure beaucoup plus large. Il est important de noter que quel que soit le nombre de voies, les propriétés opérationnelles du système resteront inchangées.

Étant donné que les activités de recherche et développement DCTA consistent en de nombreux projets différents, ils sont en mesure de bénéficier grandement des avantages des tests structurels et de la flexibilité du système Dewesoft, pour effectuer de nombreuses tâches telles que l'acquisition de vibrations de données routières, le suivi GPS du parcours, l'analyse modale sur l'aile d'un avion ou mesure de choc SRS lors d'un essai de séparation.

L'ingénieur des essais dynamiques de l'IAE, Dr. Edilson Camargo dit:

Comme ce système est très flexible, il nous permettra de nous attaquer à une variété de nos tâches de mesure quotidiennes, et pas seulement au traitement sinusoïdal. Grâce à cela, nous serons en mesure d'optimiser nos dépenses et coûts.

Informations complémentaires

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