Смоллвуд, бывший исследователь Sandia National Laboratories, который консультирует в лабораториях, знал, что тряска во всех направлениях одновременно является ключом к реалистичному тестированию деталей. Теперь Сандия проверяет алгоритмы, которые он разработал более 30 лет назад, встряхивая компоненты ядерного оружия.
Вибрационные машины имеют решающее значение для проверки сил, которые заставляют вещи разваливаться в ухабистом реальном мире, от небольших компонентов до полных систем, таких как самолеты или ядерное оружие. Эти машины важны для аэрокосмической и автомобильной промышленности и используются с момента их изобретения в Германии в конце 1920-х годов.
Большие высокочастотные вибрационные машины, которые встряхивают предметы одновременно в нескольких направлениях, относительно новы. Алгоритмы Смоллвуда сделали их возможными, наряду с разработками в области цифрового управления, сложных датчиков, более быстрых компьютеров с большим объемом памяти и улучшенной механической конструкции.
Стандартная вибрационная машина имеет одну ось, которая трясет вещи в одном направлении за раз.
Но детали иногда выходят из строя, когда реальный мир отскакивает от них в нескольких направлениях: восток-запад, север-юг, вверх-вниз и вращения по каждой из этих осей, так называемые шесть степеней свободы или 6DOF.
«Если вы протестируете его в каждом направлении отдельно, вы можете получить совершенно другой вид сбоя», — сказала системный инженер Sandia Давиния Риццо, член команды, работающей над спецификациями испытаний для большой высокочастотной вибрационной машины 6DOF, установленной в Sandia в прошлом году. , один из двух в U.S.
Подумайте о 6DOF и одной оси в контексте упражнения для детей "погладь по голове, потри живот". Все они могут по отдельности погладить голову или потереть живот. «Но когда вы объединяете их, вы обнаруживаете необнаруженный сбой — они не могут сделать то или другое, или время выбрано, или они потирают голову и похлопывают себя по животу», — сказал Риццо. "То же самое с одноосевой и 6DOF. Вы двигаетесь в одном направлении, и тестовый образец выглядит нормально.
Вы двигаетесь в другом, и он кажется прекрасным. Но когда вы двигаетесь сразу во всех направлениях, вы обнаруживаете проблему. Мы продемонстрировали это поведение в лаборатории."
6DOF может произвести революцию в тестировании
Sandia хочет использовать 6DOF для оценки компонентов оружия и революционизировать методы механических испытаний.
Более качественные тесты могут обнаружить неизвестные в настоящее время пути к отказу и сократить время и стоимость тестирования.
«Мы имитируем поездки на самолетах, [на] ракетах или в кузове грузовика, чтобы гарантировать, что компоненты или системы, которые мы тестируем, выживут в окружающей среде, прежде чем мы на них полетим», — сказал Кевин Кросс, ответственный за Вибрационная лаборатория Сандии. "Это один из наших инструментов для подтверждения стандартов надежности, которым мы должны соответствовать для наших компонентов."
Смоллвуд, который начал проводить испытания на вибрацию пять десятилетий назад на ракетном полигоне Уайт-Сэндс, будучи студентом Университета штата Нью-Мексико, сказал, что исследователи давно поняли, что испытания на вибрацию одной оси недостаточно. "Это не соответствует реальному миру", — сказал Смоллвуд, консультирующий команду 6DOF.
Многокоординатное встряхивание было целью с первых дней тестирования.
Норман Хантер, еще один консультант команды, работал над новаторскими проектами Sandia в конце 1960-х — начале 1970-х годов по одновременному запуску двух шейкеров с использованием аналогового управления.
Это не сработало на более высоких частотах. "Все как-то развалилось", — сказал Смоллвуд. "Я раньше шутил, что Норм сидел, положив руку на кнопку прерывания, поэтому, когда система выходила из строя, он мог ее остановить."
Смоллвуд разработал революционные алгоритмы
Исследователи Sandia начали изучать ранние версии цифровых контроллеров. В 1978 году Смоллвуд разработал алгоритмы, описывающие цифровое управление вибрацией на нескольких виброситах, первая публикация математических расчетов, необходимых для этого. Его концепция остается основой для современных многокоординатных контроллеров вибрации.
Прорыв произошел, когда он понял, как получать коррелированные или частично коррелированные множественные сигналы в реальном времени. «Это то, что мы должны были сделать для системы управления шейкером», — сказал Смоллвуд. "Нельзя что-то выложить, подождать, чтобы сделать какие-то расчеты, а затем выложить что-то еще.
Система настаивает на том, чтобы у вас был непрерывный выход."
В начале 1980-х Sandia построила систему для управления двумя виброситами с цифровым управлением.
Это сработало, но было непрактично, потому что компьютеры того времени были слишком медленными.
Корпорация Team Corp, базирующаяся в Сиэтле. придумал конструкцию шейкера 6DOF около десяти лет назад. «Я посмотрел на это и сказал:« Это действительно может сработать », — вспоминал Смоллвуд.
Компания построила небольшую машину 6DOF в качестве демонстрационного и исследовательского инструмента. Получив отзывы, компания разработала свою большую машину 6DOF, способную испытывать предметы весом до 50 фунтов.
Машина имеет 12 бочкообразных электродинамических вибраторов, по четыре с каждой стороны для горизонтальных осей X и Y и четыре снизу для оси Z или вертикальной оси.
Совместное использование различных вибростендов в различных конфигурациях обеспечивает вращение вокруг каждой оси. Шейкеры, которые прилагают 4000 фунтов силы на ось, приводят в движение прямоугольный блок размером 30 на 30 на 14 дюймов в центре, где находится испытательный образец.
Машина предназначена для испытаний на уровне компонентов или подсистем.
У него недостаточно силы для очень больших предметов, и он скорее дополняет, чем заменяет более крупные одноосные шейкеры Sandia. Одноосные станки проводят отдельные испытания на отдельных осях, а экспериментаторы объединяют их, чтобы получить результаты в нескольких направлениях.
Новые технологии приносят новые вызовы
Сама новизна 6DOF создает проблемы. «Есть масса вопросов о том, как использовать 6DOF в нашей философии тестирования, что использовать для спецификаций и как управлять машинами 6DOF», — сказал Риццо.
Она является частью команды, изучающей минимальный драйв, подход, который разработал Смоллвуд.
«Идея минимального драйва заключается в том, что природе нравятся решения с минимальным потреблением энергии», — сказал Смоллвуд. Команда хочет найти минимальные входные данные, необходимые для ускорения системы до требуемых уровней на различных частотах. «Предполагается, что это близко к тому, что сделала бы природа», — сказал он. "Мы пытаемся максимально увеличить возможности шейкерной системы, имитируя природу."
Хантер сказал, что задача состоит в воспроизведении реальных сред для различных направлений и разработке спецификаций для минимального количества дисков. "Я думаю, что нам также действительно нужно много узнать об особенностях одновременного управления этими несколькими степенями свободы. Мы все еще новички в этом », — сказал Хантер, который десятилетиями проводил испытания на вибрацию в национальных лабораториях Сандиа и Лос-Аламос.
Сандия провела два экспериментальных испытания компонентов ядерного оружия 6DOF, одно для B61-12 и одно для W88 ALT (переделка) 370, сказала Лаура Джейкобс, руководитель исследований 6DOF.
«Эти тесты намного лучше отражают то, что происходит в полевых условиях, поэтому мы можем создавать лучшие вычислительные модели и иметь больше уверенности в наших разработках», — сказала она.
По словам Джейкобса, система 6DOF не похожа ни на одну другую, поэтому для нее требуются разные способы определения тестов — иногда без всех необходимых данных с поля. "Большая часть подготовки к тесту — это определение того, что нам нужно, а затем то, как достичь того, что нам нужно."
Использование компьютерного моделирования для заполнения пробелов
Некоторые полевые испытания не проводились; другие не улавливают все, что могло случиться. Команда хочет определить, как провести успешный тест, когда им не хватает полной информации о полевых испытаниях. По словам Джейкобса, члены команды обратились к вычислительному моделированию, чтобы выяснить на основе имеющихся данных, чего должны достичь тесты.
Кросс сказал, что исследователи начали объединять данные полевых испытаний по осям X, Y и Z для одновременного направленного тестирования.
Но данных о вращении не существует, и без них никто не знает, как разработать испытание на вращение, сказал он.
Тем не менее, по его словам, «мы можем доказать, что простое совмещение трех осей лучше всего представляет реальную среду, даже без поворотов."
В последних международных стандартах для испытаний на вибрацию перечислено то, что Риццо описывает как универсальный заполнитель для многоосных испытаний. «По крайней мере, он признает многоосевое тестирование в качестве приемлемого типа теста, что является большим прорывом», — сказала она.
«Было бы здорово развить эту возможность и иметь исследования, математику и доказательства, которые позволят доказать, что это партнерство с одноосным тестированием и приведет нас к более глубокому пониманию», — сказал Риццо. Потом она смеется. "До тех пор, пока через 50 лет они не появятся с новыми технологиями, и мы снова пройдем через все это."