Aeronautics and Space Institute (IAE), DCTA, Brasile 
di Vid Selič, NVH engineer, Dewesoft

Sine Processing

Presso l'istituto Aeronautics and Space Institute (IAE), DCTA, i test strutturali come sine processing, SRS e analisi modale, fanno parte della procedura di qualifica per diversi componenti dei sistemi di lancio. In questa applicazione viene illustrato il test su un'ogiva con tecniche di sine processing.

Il software Dewesoft X software ha permesso di ridurre la durata dei test ed ha aumentato la qualità dei risultati grazie a calcoli in tempo reale e al supporto per il sine processing con interfaccia dedicata.

Il Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA), dipartimento brasiliano per le scienze e tecnologie aerospaziali, si trova a São José dos Campos – il più grande centro aerospaziale di tutta l'America Latina. 

Il DCTA ha funzione di centro di ricerca militare per l'aviazione e voli spaziali ed è subordinato al Brazilian Air Force (FAB) - coordina tutte le attività tecnico scientifiche d'interesse per il Ministero della Difesa.

Le prove si sono svolte presso l'Instituto de Aeronaútica e Espaço (IAE), Istituto Aeronautico e Spaziale. L'istituto si occupa di progetti nei settori della aeronautica, spazio e difesa; ha anche responsabilità nell'esecuzione della missione spaziale brasiliana.

La prova

L'ogiva testata in questo particolare test strutturale gioca un ruolo fondamentale nelle attività di R&D condotte per la missione TEXUS - un programma di ricerca missilistico per studi sulla microgravità della European Space Agency (ESA) e Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), il German Aerospace Center.

La parte in carico a IAE per le missioni TEXUS verte principalmente sullo sviluppo dei sistemi di lancio destinati allo studio del comportamento di materiali e di sostanze chimiche e biologiche in condizioni di microgravità. Ogni lancio permette circa sei minuti di osservazione.

In questo studio, l'IAE doveva misurare le frequenze di risonanza dell'ogiva al fine di evitare il funzionamento in queste frequenze, che potrebbe comprometterne l'integrità strutturale e causare il fallimento della missione.

Necessitavano di un sistema di acquisizione affidabile capace di calcolare risposte e funzioni di trasferimento in real-time.

Sine processing e Sine Reduction Test Case

Il Sine processing permette di condurre test strutturali su grandi oggetti. Questo approccio è largamente utilizzato per la fase di verifica progettuale e qualificazione nell'industria aerospaziale e solitamente vede impiegati centinaia di canali.

In queste prove, non ci possono essere margini di errore, tutte le strutture che andranno impiegate nelle missioni devono essere preventivamente testate per accertarne il corretto funzionamento ed assicurarsi che possano resistere strutturalmente.

Modi di vibrare alle prime frequenze di risonanza

La valutazione di strutture così grandi viene fatta eccitandole con uno sweep sinusoidale, con uno shaker o una tavola vibrante. I test di vibrazione con sweep sinusoidale attraversano il range di frequenza dalle basse alle alte frequenze o viceversa. Ci si propone di identificare le frequenze di risonanza nell'intervallo di frequenze comparando il segnale delle risposte nei vari punti con il livello di vibrazione della tavola dello shaker.

I risultati di una tipica prova di Sine processing sono:

  • frequenze di risonanza strutturali, 
  • ampiezze, 
  • fasi, 
  • total harmonic distortion (THD) delle risposte,  
  • funzioni di trasferimento tra eccitazione e risposte. 

Per poter caratterizzare il comportamento della struttura alle varie frequenze è bene affidarsi ad una eccitazione sinusoidale.

Il Sine processing utilizza un segnale chiamato Constant Output Level Adaptor (COLA) che permette di calcolare la frequenza istantanea ed estrarre ampiezza e fase degli accelerometri a quella frequenza. Il segnale COLA permette perciò di sincronizzare il sistema di controllo dello shaker con il sistema DAQ di misura

Presso il centro IAE/DCTA sono stati impiegati il software Dewesoft X, con l'opzione sine processing plugin, e gli acquisitori Dewesoft della famiglia SIRIUS data acquisition system per la registrazione dei dati. 

Il test di Sine processing prevede la sincronizzazione del sistema Dewesoft data acquisition e del controllore dello shaker (di terze parti). Il Sine processing di Dewesoft permette l'identificazione della frequenza attuale tramite due metodi:

  1. Zero-crossing  
  2. Hilbert transform.

I segnali degli accelerometri posti sull'ogiva sono misurati insieme allo sweep in frequenza che è estratto dal segnale COLA. Questi vengono processati in real-time per dare informazioni sullo stato della struttura sottoposta ad eccitazione. 

Test e setup di misura

Per coprire il range d'interesse, è stato scelto un sine sweep da 25 a 1000Hz, che comprende le eccitazioni tipiche che deve sopportare l'ogiva durante il trasporto, il lancio ed il volo. 

Come sistema di acquisizione, sono stati utilizzati due moduli SIRIUSi-HD-16xACC. Il sistema DAQ così composto offre un totale di 32 ingressi per accelerometri IEPE. Questo sistema di misura permette al centro IAE/DCTA di realizzare anche altri tipi di test oltre che a costituire il modo più semplice per aumentare il numero di canali d'ingresso. Oltre agli ingressi IEPE possono essere aggiunti ingressi per tensione, temperatura, estensimetri, celle di forza ed altri ancora - secondo le esigenze del cliente.

Per dar prova delle capacità di elaborazione del sistema Dewesoft è stato condotto un test con analisi 1/3 di ottave e analisi true FFT con 4096 linee spettrali (impostabili eventualmente fino a 64.000) in contemporanea con le analisi del Sine processing sui 31 canali. Il 32esimo canale è stato usato per la lettura del segnale COLA proveniente dal controllore dello shaker.

Il Sine processing avviene all'interno dell'interfaccia software Dewesoft X, dove si ha la possibilità di monitorare altri parametri ambientali così pure come poter sincronizzare video ad alta velocità per osservare come il DUT si muova nel corso del test.

Per la prova sono stati utilizzati 8 accelerometri triassiali distribuiti sull'ogiva (874mm x 1830mm) in modo da ottenere la migliore caratterizzazione geometrica possibile. 

Sono stati impiegati cinque accelerometri Brüel & Kjaer e tre PCB. Sette sensori sono stati posti sul DUT mentre un sensore, con la funzione di riferimento, è stato posizionato sulla fixture di collegamento tra DUT e tavola vibrante.

Un canale d'ingresso dei due moduli SIRIUSi-HD-16xACC è stato utilizzato per acquisire il segnale in tensione del COLA proveniente dal controllore dello shaker.

Il sistema SIRIUS DAQ system include altre due tecnologie importanti per assicurare risultati ai massimi livelli di accuratezza:

  • DualCoreADC
  • Galvanic isolation

DualCoreADC - DAQ a 160dB

Gli amplificatori dei moduli SIRIUS DAQ utilizzano due convertitori AD a 24-bit AD per la conversione del segnale. SIRIUS raggiunge un valore di gamma dinamica pari a 160 dB con frequenza di campionamento fino a 200kHz per ogni canale. 

Isolamento galvanico

Il sistema di acquisizione possiede isolamento canale-canale e canale-terra per prevenire rumore indesiderato nella misura, possibili picchi che danneggerebbero la strumentazione e garantire la massima qualità nelle misure. 

Il sistema di coordinate per l'orientamento delle misure è stato scelto con asse Y allineato alla direzione di eccitazione dello shaker. 

L'item sotto test: sono indicati i posizionamenti dei 7 accelerometri  sull'ogiva e dell'ultimo restante sulla fixture di collegamento

Presso il centro IAE/DCTA era già in uso un altro sistema di Sine processing ma permetteva il calcolo delle varie funzioni solo in post-processamento al termine delle prove. L'adozione della soluzione Dewesoft per il Sine processing ha permesso il calcolo delle funzioni di trasferimento, ampiezza, fase, valori RMS e molti altri parametri ancora tutti in reale-time.

I risultati calcolati in tempo reale sono fondamentali per IAE visto i costi dei testi su questa tipologia di DUT. Gli ingegneri di IAE hanno evidenza immediata del risultato dei test e possono subito fare un confronto con i dati attesi simulati in fase progettuale.

Conclusioni

La soluzione Dewesoft sine processing insieme agli acquisitori SIRIUS permette di testare strutturalmente grandi oggetti in tempo reale con un numero illimitato di canali. 

Calcoli aggiuntivi, magari non richiesti in real-time durante il test, possono essere implementati in post-analysis sfruttando le registrazioni delle storie temporali archiviate durante il test.

Il test engineer Domingos Strafacci di IAE commenta:

E' molto semplice preparare il setup ed utilizzare il sistema. Ci ha permesso di risparmiare molto tempo in questi test così importanti per la nostra attività.

In questa applicazione tutte le risposte sono state gestite da un'unica stazione di misura, in caso di setup con più canali si possono prevedere diverse postazioni sincronizzate senza che cambino le potenzialità e l'operatività del sistema.

Presso il centro DCTA si svolgono molti progetti di ricerca diversi tra loro e si può dunque trarre il massimo beneficio dalla flessibilità del sistema Dewesoft. Possono essere condotti test di acquisizione dei segnali strada con tracciamento GPS, analisi modale di ali o SRS per i lanci e separazione degli stadi.

Edilson Camargo, dynamic tests leader presso IAE, afferma:

Vista la sua flessibilità, possiamo utilizzare il sistema nelle varie attività di misura che ci si propongono quotidianamente, non solo per il sine processing. Abbiamo dunque ottimizzato i costi della strumentazione.

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