Pruebas de encuesta modal para un viaje ileso al espacio

Producto: Simcenter
Industria: Aeroespacial y Defensa

Todas las estructuras tienen frecuencias naturales y, a menudo, es la característica más importante de la estructura, especialmente cuando se trata de una respuesta dinámica. Muy a menudo, las vibraciones deben investigarse para cuantificar la respuesta estructural de alguna manera, de modo que se pueda evaluar su implicación en factores como el rendimiento y la fatiga.

La prueba modal es una técnica muy útil y ampliamente utilizada para verificar e investigar este comportamiento. Examina las frecuencias naturales, las formas modales y la amortiguación de una estructura y ayuda a los ingenieros a comprender cómo responderá un diseño a diferentes cargas dinámicas.

En la industria espacial, esta técnica también se conoce como prueba de encuesta modal y está destinada a calibrar y aumentar la precisión del modelo de dinámica estructural de elementos finitos (FE) de naves espaciales y lanzadores espaciales. Los modelos validados son importantes, entre otras cosas, para la predicción de las características vibratorias del lanzador, la estabilidad aeroelástica y los entornos dinámicos a los que se someten las cargas útiles y los equipos de a bordo durante el lanzamiento.

Cortesía de la NASA: prueba de sondeo modal en el vehículo de lanzamiento Ares (izquierda), el transbordador espacial Challenger (centro) y la etapa central del SLS (derecha)

Una prueba de estudio modal consiste en inyectar fuerzas, utilizando sacudidores electrodinámicos o, en algunos casos, también un martillo de impacto modal en una serie de entradas cuidadosamente seleccionadas. En el caso de la excitación por agitador, se suele utilizar la excitación aleatoria de ráfagas porque es rápida y eficiente. Cuando se requieren niveles de excitación más altos, o para la evaluación de características no lineales, se utilizan técnicas de seno escalonado. Las fuerzas se miden durante la prueba, junto con las aceleraciones de respuesta en muchos lugares de la estructura. Durante esta prueba, la nave espacial se monta en condiciones límite bien conocidas, sujeta o libre, o una combinación de las mismas. Durante la excitación, se miden los FRF.

Después de la prueba, se aplica tecnología de ajuste de curva modal para extraer información modal: frecuencias de resonancia, valores de amortiguamiento y formas de modo. Los resultados de las pruebas se utilizan con el fin de validar todo el modelo FE y correlacionar frecuencias, formas de modos y suposiciones de amortiguamiento. Las formas y frecuencias de los modos significativos son las que contribuyen principalmente a las cargas de la interfaz del lanzador/nave espacial y las cargas internas.

Este proceso se ilustra esquemáticamente a continuación. Muestra cómo se pueden usar los primeros modelos FE de la nave espacial en Simcenter 3D Structural Dynamics para realizar análisis previos a la prueba y diseñar de manera óptima la campaña de prueba. Luego, Simcenter Testlab y Simcenter SCADAS se utilizan para medir de manera eficiente y confiable los FRF y determinar con precisión el mejor modelo modal experimental. Finalmente, los resultados experimentales se explotan aún más para correlacionar el modelo preliminar con los resultados experimentales y actualizar el modelo FE para reflejar mejor la realidad.

Diferentes etapas del proceso de encuesta modal: desde la preparación de la prueba hasta la ejecución de la prueba, el análisis y el informe.

Un buen ejemplo de un programa en el que se realizó una prueba de estudio modal es el proyecto Bartolomeo de Airbus Defence & Space, llevado a cabo por Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) . El hardware Simcenter SCADAS Mobile se ha utilizado como equipo de medición crítico para la prueba de levantamiento modal que tenía como objetivo actualizar el modelo de simulación FE de la plataforma Bartolomeo. Esto permitió al equipo simular y predecir aspectos que solo se podían hacer mediante simulación y análisis, como la forma en que la plataforma se acoplaría con el lanzador.