Große, komplexe Strukturen effizient testen

  • Synchronisierte Hochgeschwindigkeitsdaten von Geräuschemissionen und herkömmlichen Sensoren sind  erforderlich, um Simulationsmodelle zu validieren, die für Vorhersagen zur Lebensdauer eingesetzt werden.Synchronisierte Hochgeschwindigkeitsdaten von Geräuschemissionen und herkömmlichen Sensoren sind erforderlich, um Simulationsmodelle zu validieren, die für Vorhersagen zur Lebensdauer eingesetzt werden.

Ob zivile Bauwerke, Züge, Flugzeuge oder Windkraftanlagen: Große, komplexe
Strukturen müssen ausreichend getestet werden, wenn deren Sicherheit gewährleistet sein soll. Damit der Entwicklungsverlauf dieser Strukturen nach Plan verläuft, müssen die Tests ordnungsgemäß konfiguriert und ausgeführt werden. Entscheidend ist auch, dass das Datenerfassungssystem dem Entwicklerteam die Daten zuverlässig und fristgerecht bereitstellt.

Effizienz wird bei Strukturtests anders ermittelt als bei den übrigen Arten automatisierter Tests. Bei Produktionsprüfungen wird die Effizienz anhand der Zeit und Kosten für den Test einer jeden Einheit gemessen. Strukturtests dagegen können während der Produktion nicht abgeschlossen werden, da der Test selbst Schäden am Testobjekt verursachen kann. Stattdessen werden Prototypen während der Design-Verifizierung auf Herz und Nieren getestet. So soll sichergestellt werden, dass sie den verschiedenen Belastungsgrößen standhalten können, denen sie im Laufe ihrer Nutzung ausgesetzt sind. Dabei wird das Testobjekt oft Belastungen und Lastzyklen unterzogen, die den realen Betriebs- beziehungsweise Nutzungsbedingungen entsprechen. Luftfahrtunternehmen beispielsweise setzen die Anforderungen von Ermüdungstests in Beziehung zur Lebensdauer in Jahren beziehungsweise Flügen, für die ein Flugzeug ausgelegt ist. Das Design eines neuen Flugzeugs kann gemäß Lastzyklen getestet werden, die dem Dreifachen der Anzahl entsprechen, der das Flugzeug innerhalb seiner Lebensdauer voraussichtlich ausgesetzt ist. Da diese Tests an teuren, seriennahen Prototypen und oft über Monate oder Jahre hinweg durchgeführt werden, wird die Effizienz von Strukturtests im Hinblick auf Installationszeit, Testzeit und Zuverlässigkeit der Daten gemessen.
Entscheidend für die Datenerfassung ist dabei eine Hard- und Software, die bereits beim ersten Mal schnell und genau misst. Wie die Module der Produktfamilie NI SC Express. Diese integrieren leistungsstarke A/D-Wandler und Signalkonditionierung in die Plattform PXI Express, sodass Strukturtests möglich sind, wie statische Festigkeitsnachweise, Ermüdungstests, Erschütterungstests am Boden oder die Modalanalyse. Dabei wurde jedes Modul mit der diesen Anwendungen entsprechenden Messgeschwindigkeit, Genauigkeit, Synchronisation und Datenzuverlässigkeit konzipiert.

Geschwindigkeit und Präzision

Strukturtests nutzen häufig mehrere Sensortypen, viele Kanäle und hohe Datenerfassungsraten, um detaillierte Informationen zu dynamischen strukturellen oder akustischen Ereignissen zu liefern.

Dieser Bedarf kann eine Herausforderung darstellen, da Strukturtests oft riesige Datensätze erzeugen. NI SC Express baut auf PXI Express auf, wodurch jedem Modul innerhalb des Systems eine dedizierte Bandbreite von 250 MB/s zur Verfügung steht. Die Kanalanzahl lässt sich so ohne Einschränkungen bei den Datenerfassungsraten erweitern.
Neuen Technologien und der Verkleinerung von Bauteilen ist es zu verdanken, dass SC-Express-Module Signalkonditionierung und A/D-Wandler in einem Gerät integrieren können. Fehleranfällige Kabel und Anschlüsse werden so vermieden, womit die Genauigkeit der Messungen steigt. Jedes Modul wurde hinsichtlich der Genauigkeit für die zu messenden Signale des jeweiligen Sensortyps optimiert. Beispielsweise sind isothermische Anbindungen für Thermoelemente und ratiometrische Frontends für Dehnungsmessstreifen vorhanden, wodurch Fehler aufgrund von Erregerspannung minimiert werden.

Simulationsumgebung für Windkraftanlagen

Damit genügend Informationen in möglichst wenigen Testdurchläufen erfasst werden können, sollten Daten zwischen den verschiedenen Sensoren, die über ein Testobjekt verteilt sind, korreliert werden. Das National Renewable Energy Center (Narec) in Großbritannien baut einen mehrere Millionen teuren Antriebsprüfstand, um eine Simulationsumgebung bereitzustellen, mit der die Leistung und Zuverlässigkeit neuartiger Wellenturbinen und Windkraftanlagen getestet werden können. Bei diesem Test werden die direkten Lastwege analysiert. Dazu werden Geräuschemissions- und Dehnungsdaten kombiniert, damit eine möglichst realistische Simulationsumgebung entsteht. Für den Test ist eine hohe Anzahl an Eingangskanälen für verschiedene Sensortypen erforderlich. Alle Kanäle müssen eng synchronisiert werden, sodass ein Phasenversatz vermieden wird. Damit die erforderlichen Synchronisationsgrade erreicht werden, implementiert Narec ein Datenerfassungssystem auf Grundlage von SC Express. Bei diesem System ist es möglich, dass Module für Dehnungsmessungen und akustische Messungen die Timing- und Synchronisationskanäle von 10 MHz und 100 MHz, die im PXI-Express-Chassis vorhanden sind, gemeinsam nutzen können. Der Anwender kann mehrere Chassis mit Hilfe einer physikalischen Verbindung synchronisieren, sodass die hochpräzisen Taktgeber gemeinsam verwendet werden können. Alternativ können die Chassis auch dezentrale Systeme über GPS oder IEEE 1588 synchronisieren.

Synchronisation mit Steuerung

Durch die hohen Durchsatzraten bei PXI Express können Daten von Strukturtests bereits während der Erfassung eingesehen und analysiert werden. SC Express arbeitet mit dem NI LabView Real-Time Module, um sowohl die Integrität des Tests als auch des Testobjekts selbst mit der Zuverlässigkeit eines Echtzeitbetriebssystems zu wahren. Zudem ist es mit LabView Real-Time möglich, ein Datenerfassungssystem mit einen Steuerungssystem zu synchronisieren. Alle Mess-, Steuer- und Regelaufgaben erfolgen dabei deterministisch.
    Strukturtests sind häufig die teuersten und zeitkritischsten Stufen des Entwicklungsprozesses für große Strukturen und Verkehrsmittel. Entscheidend ist, das passende Datenerfassungssystem zu wählen, um zeit- und kostenaufwändige Wiederholungen von Tests aufgrund unzureichender Messauflösung oder -genauigkeit zu vermeiden. SC Express wurde mit der Zielsetzung konzipiert, Anwendern Geschwindigkeit, Genauigkeit, Synchronisation und Echtzeit-Einsatzmöglichkeiten auf der etablierten PXI-Express-Plattform bereitzustellen, um so Strukturtests zu optimieren.

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