Sandias neuer Vibrationstisch verspricht verschiedene Testmöglichkeiten

Sandias neuer Vibrationstisch verspricht verschiedene Testmöglichkeiten

Video: Harry Styles - Lights Up (Official Video) (April 2020).

Anonim

von Sandia National Laboratories

Image

Es dauerte Jahrzehnte, bis die Technologie mit den Berechnungen von David Smallwood zur Steuerung von Rütteltischschüttlern Schritt hielt.

Smallwood, ein pensionierter Forscher der Sandia National Laboratories, der sich in den Labors erkundigte, wusste, dass das gleichzeitige Schütteln in alle Richtungen der Schlüssel für realistische Teiletests war. Jetzt stellt Sandia die Algorithmen, die er vor mehr als 30 Jahren entwickelt hat, auf die Probe, indem er Atomwaffenkomponenten aufrüttelt.

Vibrationsmaschinen sind entscheidend, um die Kräfte zu testen, die dazu führen, dass Dinge in der holprigen Realität auseinanderfallen, von kleinen Bauteilen bis hin zu kompletten Systemen wie Flugzeugen oder Atomwaffen. Die Maschinen sind wichtig für die Luftfahrt- und Automobilindustrie und seit ihrer Erfindung in Deutschland Ende der 1920er Jahre im Einsatz.

Große, hochfrequente Vibrationsmaschinen, die Dinge gleichzeitig in mehrere Richtungen rütteln, sind relativ neu. Die Algorithmen von Smallwood ermöglichten sie zusammen mit Entwicklungen bei digitalen Steuerungen, hochentwickelten Sensoren, schnelleren Computern mit mehr Speicher und besseren mechanischen Konstruktionen.

Die Standard-Vibrationsmaschine hat eine einzige Achse, die die Dinge jeweils in eine Richtung rüttelt. Aber Teile versagen manchmal, wenn die reale Welt sie aus mehreren Richtungen abprallt: Ost-West, Nord-Süd, Auf-Ab und Rotationen entlang jeder dieser Achsen, was als sechs Freiheitsgrade oder 6DOF bezeichnet wird.

"Wenn Sie es in jeder Richtung einzeln testen, kann es zu einem völlig anderen Ausfall kommen", sagte Sandia-Systemingenieurin Davinia Rizzo, die in einem Team an Testspezifikationen für eine große 6DOF-Hochfrequenzvibrationsmaschine arbeitete, die letztes Jahr bei Sandia installiert wurde, einer von nur zwei in den USA

Denken Sie an 6DOF und einachsige Übungen im Rahmen der Übung "Kopf tätscheln, Bauch reiben" für Kinder. Sie können sich alle einzeln die Köpfe streicheln oder den Magen reiben. "Aber wenn man sie kombiniert, entdeckt man einen unentdeckten Fehler - sie können den einen oder anderen nicht, oder das Timing ist falsch oder sie reiben sich den Kopf und streicheln ihren Bauch", sagte Rizzo. "Es ist dasselbe mit einer Achse und 6DOF. Sie bewegen sich in eine Richtung und die Testeinheit scheint in Ordnung zu sein. Sie bewegen sich in die andere und es scheint in Ordnung zu sein. Aber wenn Sie alle Richtungen auf einmal bewegen, entdecken Sie ein Problem. Wir haben haben dieses Verhalten im Labor demonstriert. "

6DOF könnte das Testen revolutionieren

Sandia möchte 6DOF verwenden, um Waffenkomponenten zu qualifizieren und die Art und Weise zu revolutionieren, wie mechanische Tests durchgeführt werden. Bessere Tests könnten derzeit unbekannte Fehlerquellen aufdecken und Testzeit und -kosten reduzieren.

"Wir ahmen Fahrten in Flugzeugen, [auf] Raketen oder auf der Rückseite eines Lastwagens nach, um sicherzustellen, dass die von uns getesteten Komponenten oder Systeme ihre Umgebung überleben, bevor wir sie fliegen", sagte Kevin Cross, der für sie verantwortlich ist Sandias Schwingungslabor. "Es ist eines unserer Werkzeuge, um Zuverlässigkeitsstandards zu beweisen, die wir für unsere Komponenten erfüllen müssen."

Smallwood, der vor fünf Jahrzehnten als Student an der New Mexico State University mit der Durchführung von Vibrationstests an der White Sands Missile Range begonnen hatte, sagte, dass die Forscher vor langer Zeit erkannt hätten, dass einachsige Vibrationstests nicht ausreichen. "Es stellte nicht die reale Welt dar", sagte Smallwood, der das 6DOF-Team konsultierte.

Mehrachsiges Schütteln war das Ziel der ersten Testtage. Norman Hunter, ein weiterer Berater des Teams, arbeitete in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren an Sandias wegweisenden Bemühungen, zwei Schüttler gleichzeitig mit analogen Steuerungen zu betreiben.

Das hat bei höheren Frequenzen nicht funktioniert. "Die Dinge sind irgendwie auseinandergefallen", sagte Smallwood. "Früher habe ich gescherzt, dass Norm mit seiner Hand auf dem Abbruchknopf da saß, damit er es stoppen konnte, wenn das System instabil wurde."

Smallwood entwickelte bahnbrechende Algorithmen

Sandia-Forscher begannen, frühe Versionen digitaler Steuerungen zu untersuchen. 1978 entwickelte Smallwood Algorithmen, die die digitale Steuerung von Vibrationen auf mehreren Rüttlern umreißen. Dies war die erste Veröffentlichung der Mathematik, die dazu erforderlich war. Sein Konzept bleibt die Grundlage für die heutigen mehrachsigen Schwingungsregler.

Der Durchbruch kam, als er herausfand, wie man korrelierte oder teilweise korrelierte Mehrfachsignale in Echtzeit ableitet. "Das mussten wir für ein Steuersystem für einen Shaker tun", sagte Smallwood. "Sie können nicht etwas ausgeben, warten Sie, bis Sie einige Berechnungen durchgeführt und dann etwas anderes ausgegeben haben. Das System besteht darauf, dass Sie eine kontinuierliche Ausgabe haben."

Sandia baute in den frühen 1980er Jahren ein System, um zwei digital gesteuerte Schüttler anzutreiben. Es funktionierte, war aber nicht praktikabel, weil Computer zu langsam waren.

Die in Seattle ansässige Team Corp. hat vor etwa einem Jahrzehnt ein 6DOF-Shaker-Design entwickelt. "Ich sah es mir an und sagte:" Das könnte tatsächlich funktionieren ", erinnerte sich Smallwood. Das Unternehmen baute eine kleine 6DOF-Maschine als Demonstrations- und Forschungswerkzeug. Nach Rückmeldungen entwickelte das Unternehmen seine große 6DOF-Maschine, mit der Artikel bis zu 50 Pfund getestet werden können.

Die Maschine verfügt über 12 tonnenförmige elektrodynamische Schüttler, vier auf jeder Seite für die horizontale X- und Y-Achse und vier darunter für die vertikale Z-Achse. Durch die Verwendung der verschiedenen Schüttler in unterschiedlichen Konfigurationen werden Rotationen um jede Achse erzielt. Die Schüttler, die 4.000 Pfund Kraft pro Achse ausüben, treiben einen 30 mal 30 mal 14 Zoll großen rechteckigen Block in der Mitte an, in der sich ein Teststück befindet.

Die Maschine ist für Tests auf Komponenten- oder Subsystemebene vorgesehen. Es hat nicht genug Kraft für sehr große Gegenstände und erweitert die größeren einachsigen Shaker von Sandia, anstatt sie zu ersetzen. Einachsige Maschinen führen separate Tests an einzelnen Achsen durch, und Experimentatoren kombinieren diese, um Ergebnisse in mehreren Richtungen zu erzielen.

Neue Technologie bringt neue Herausforderungen

Die Neuheit von 6DOF ist eine Herausforderung. "Es gibt unzählige Fragen zur Verwendung von 6DOF in unserer Testphilosophie, zur Verwendung für Spezifikationen und zur Steuerung von 6DOF-Maschinen", sagte Rizzo. Sie ist Teil des Teams, das Minimum Drive studiert, ein Ansatz, den Smallwood entwickelt hat.

"Die Idee hinter Minimum Drive ist, dass die Natur Lösungen mit minimalem Energieverbrauch mag", sagte Smallwood. Das Team möchte die minimalen Eingaben finden, die erforderlich sind, um das System auf die erforderlichen Pegel bei verschiedenen Frequenzen zu beschleunigen. "Die Annahme ist, dass dies in etwa so ist, wie es die Natur tun würde", sagte er. "Wir versuchen, die Leistungsfähigkeit des Shaker-Systems zu maximieren, indem wir die Natur nachahmen."

Hunter sagte, die Herausforderung bestehe darin, reale Umgebungen für mehrere Richtungen zu replizieren und Spezifikationen für minimale Laufwerke zu entwickeln. "Ich denke, wir müssen auch wirklich viel über die Macken der gleichzeitigen Kontrolle dieser mehreren Freiheitsgrade lernen. Wir sind noch ziemlich neu darin", sagte Hunter, der Jahrzehnte damit verbracht hat, Vibrationstests in den nationalen Labors von Sandia und Los Alamos durchzuführen.

Sandia hat zwei experimentelle 6DOF-Tests von Atomwaffenkomponenten durchgeführt, einen für die B61-12 und einen für die W88 ALT (Änderung) 370, sagte Laura Jacobs, 6DOF-Forschungsleiterin.

"Diese Tests sind eine viel bessere Darstellung dessen, was vor Ort passiert, damit wir bessere Rechenmodelle erstellen und mehr Vertrauen in unsere Entwürfe haben können", sagte sie.

Das 6DOF-System ist anders als jedes andere und erfordert daher unterschiedliche Arten der Spezifizierung von Tests - manchmal ohne alle Daten, die vor Ort benötigt werden, sagte Jacobs. "Ein großer Teil der Vorbereitung auf den Test besteht darin, herauszufinden, was wir brauchen und wie wir das erreichen, was wir brauchen."

Verwenden von Computermodellen, um Lücken zu schließen

Einige Feldtests wurden nicht durchgeführt. andere erfassen nicht alles, was passieren könnte. Das Team möchte ermitteln, wie ein erfolgreicher Test durchgeführt werden soll, wenn keine vollständigen Feldtestinformationen vorliegen. Die Teammitglieder haben sich der Computermodellierung zugewandt, um aus den vorhandenen Daten herauszufinden, was die Tests leisten müssen, sagte Jacobs.

Die Forscher von Cross haben damit begonnen, Feldtestdaten von der X-, Y- und Z-Achse für simultane Richtungsprüfungen zu kombinieren. Aber Rotationsdaten existieren nicht, und ohne sie weiß niemand, wie man einen Rotationstest erstellt, sagte er.

Dennoch sagte er: "Wir können beweisen, dass nur drei Achsen gleichzeitig eine realistische Umgebung darstellen, auch ohne Rotationen."

In den neuesten internationalen Standards für Vibrationstests ist aufgeführt, was Rizzo als generischen Platzhalter für Mehrachsentests bezeichnet. "Zumindest wird das Testen mit mehreren Achsen als akzeptabler Testtyp anerkannt, was ein großer Durchbruch ist", sagte sie.

"Es wird cool sein, diese Fähigkeit zu entwickeln und die Forschung, die Mathematik und die Beweise dahinter zu haben, um zu beweisen, wie dies mit einachsigen Tests zusammenarbeitet und uns zu einem besseren Verständnis bringt", sagte Rizzo. Dann lacht sie. "Bis zu 50 Jahren, in denen sie neue Technologien entwickeln und wir das alles noch einmal durchgehen."