شرکت مهندسی هوشمند حسگر

شرکت مهندسی هوشمند حسگر


نصب پل هاي كرنش سنجي بر روي اسپار جلوي بال يك هواپيما
پنجشنبه ۰۷ آذر ۱۳۹۸
0 نظر
23 بازدید

از آنجایی که در هنگام پرواز هواپیما، برای اندازه گیری بارهای وارده به سازه آن نیاز به نصب پل های کرنش سنجی وجود دارد

علاوه بر آن بضاعت سخت افزاری سیستم داده برداری به لحاظ وزنی و ابعاد هندسی محدود می باشد، لازم است فرآیند کالیبراسیون بارهای وارده به سازه به صورت زمینی انجام گیرد.

در این راستا، موقعیت و جهت نصب سنسورهای اندازه گیری کرنش باید در امتداد سازه بال تعیین گردد.

 در راستای حصول این هدف، در این تحقیق با انتخاب مدل اسپار جلوی یک بال هواپیما، روش بهینه سازی T- value جهت تعیین تعداد و محل نصب پل های کرنش سنجی ارائه گردیده است.

 از مزایای استفاده از این روش بهینه سازی این است که می توان با یک پارامتر به هدف مطلوب رسید.

 ابتدا محل اندازه گیری کرنش های مربوط به نیروی برشی و گشتاور خمشی تعیین میگردد. سپس معادلات بار توسط اطلاعات توزیع نیروی برآ، استخراج میگردد.

 مدل سه بعدی در نرم افزار انسیس مورد تحلیل المان محدود قرار گرفت.

 نتایج حاصل از الگوهای مختلف بارگذاری بر روی مدل المان محدود سازه با استفاده از روش بهینه سازی T- value آنالیز و ارزیابی شده و نقاط بهینه نصب پل های کرنش سنجی مطلوب ارائه میشود.

شبیه سازی و اجرای تست پروازی برای سازه های هوایی جهت برآورد استحکام سازه و توسعه تست های سازه ای با هدف اندازه گیری بارهای پروازی بر روی سازه هوایی انجام میگیرد.

این تست به دو روش توزیع فشار و یا استفاده از پل های کرنش سنجی قابل انجام است.

در فرآیند کالیبراسیون کرنش سنج های نصب شده بر روی سازه های هوایی، در قدم اول ابتدا محل مناسب نصب پل های کرنش سنجی مشخص می گردد

باید به توزیع تنش روی سطح بال برسیم و برای این کار به تعداد زیادی از کرنش سنج ها نیاز می باشد.

از عواملی که صنعت را در بدست آوردن نتایج کامل محدود میکند میتوان به مواردی مانند طولانی بودن زمان نصب و کالیبراسیون کرنش سنج ها، هزینه هر کرنش سنج، هزینه بالای هر کدام از دستگاه های پردازنده اطلاعات کرنش سنج ها و محدودیت تعداد پردازش اطلاعات کرنش سنج ها یا به عبارتی فرآیند مانیتورینگ توسط این دستگاه ها و محدودیت استفاده این دستگاه در بدنه هواپیما و سایر موارد مشابه اشاره نمود.

به طور مثال در نظر بگیرید برای بدست آوردن توزیع تنش روی بال به حداقل 1000 عدد سنسور نیاز است تا به اطلاعات دقیق و کامل برسیم.

نصب این تعداد سنسور روی سطح مورد نظر، میتواند وقت زیادی صرف کند و حتی در برخی نقاط نمی توانیم سنسورها رانصب نماییم.

 بدلیل اجزای داخلی بال از جمله اسپار و ریب های میانی که باعث محدودیت می شوند. از طرفی دستگاهی که بتواند اطلاعات این سنسورها را دریافت و پردازش کند هرکدام با کانال های محدود هستند و دارای هزینه بالایی می باشند.

 کما این که تعداد محدودی از این دستگاه را می توانیم در بدنه هواپیما جاسازی کنیم. پس ما با این محدودیت مواجه هستیم که با حداقل تعداد بهینه سنسور به نتیجه مطلوب برسیم.

با استفاده از روش T- value میتوان تعداد پل های کرنش سنجی را در سازه های هوایی به نحوی کاهش داد تا تعداد بهینه پل های مورد نظر حاصل گردد

  1. سابقه تحقیقات  و مطالعات انجام گرفته :

در سال های دهه 1940 میلادی فعالیت هایی در حوزه تعیین تعداد و محل نصب پل های کرنش سنجی متصل به  سازه های هوایی توسط ناسا انجام شد که تا کنون نیز ادامه دارد.

اسکوپینسکی و همکارش آیکن نخستین افرادی بودند که در سال 1953 روش کالیبراسیون بارهای زمینی پل های کرنش سنجی متصل به سازه های هوایی را در قالب یک سند علمی ارائه کردند .

امروزه نیز هنوز از همین روش و البته با بهینه سازی هایی که افراد مختلف بر روی آن انجام داده اند، استفاده میشود.

وبر و همکارانش (1968) روش اسکوپینسکی را برای بال های با بیش از دو اسپار و با نسبت منظری پایین بهینه سازی نمودند.

  در شکل (1) سازه مورد مطالعه وبر و موقعیت پل های کرنش سنجی و همچنین محل های اعمال بار نمایش داده شده است.

کرنش سنج بر روی هواپیما

شکل 1 : نمای شماتیک از سازه مورد مطالعه توسط وبر

 

اکسترم  (1976)  بر روی سطح پوسته بال با ضخامت کم و نسبت منظری پایین نسبت به اندازه گیری بارهای پروازی توسط کرنش سنج های کالیبره شده پرداخته است.

اکسترم در حین تحقیقات به این نتیجه رسید که ارزیابی آماری خطاها به منظور تخمین اینکه کدامیک از پل های کرنش سنجی باید در معادلات استفاده گردند، بسیار مناسب و کاربردی می باشد

جنکینز و همکارش (1977) و (1979) روش اسکوپینسکی را برای استفاده در بال های دلتا شکل با نسبت منظری پایین و چیدمانی داخلی پیچیده به کار گرفته و از مدل ساده شده المان محدود برای تخمین معادلات بار قبل از اجرای کار عملی و آزمایشگاهی بهره گرفتند

لورنس  (1980) و (1989) به ارائه ی روش کالیبراسیون بار برای بال های دلتا شکل و نسبت منظری پایین به همراه ورود پارامترهای دمایی در حوزه ی معادلات بار پرداخته است.

در شکل (2) ابعاد و موقعیت پل های کرنش سنجی و نقاط اعمال بار در سازه مورد استفاده واقع شده توسط لورنس نشان داده شده است.

کرنش سنج بر روی هواپیما

شکل 2 : شماتیک موقعیت پل های کرنش سنجی و نقاط اعمال بار کالیبراسیون در سازه مطالعه توسط لورنس

ویلیام و همکارش (2002) و (2004) تست کالیبراسیون بارهای هوایی را بر روی یک جنگنده ی   F/A-18 اجرا نمودند. از نوع کاری این تحقیق یکی از کامل ترین نوع تست پروازی و اجرای روش کالیبراسیون بارهای هوایی می باشد.

تست بارهای زمینی بر روی هر دو بال و با تجهیزات کامل صورت گرفته است. مدل سازی المان محدود انجام گرفته و نتایج آن با تست واقعی مقایسه شده است.

در شکل (3) تجهیزات نصب شده بر روی بال های جنگنده ی F/A-18  جهت اعمال بارهای کالیبراسیون زمینی نمایش داده شده است.

کرنش سنج بر روی هواپیما

                             شکل 3 :تجهیزات اعمال بار کالیبراسیون در سازه تحت مطالعه ویلیام ]

در شکل (4) ابعاد و موقعیت پل های کرنش سنجی مورد استفاده واقع شده توسط ویلیام نشان داده شده است.

کرنش سنج بر روی هواپیما

                      شکل 4 :موقعیت پل های کرنش سنجی نهایی در سازه تحت مطالعه ویلیام

 

گنزالس و همکارش (2013) برای اولین بار میزان عدم قطعیت روش اسکوپینسکی را بررسی کردند.

اندازه گیری حاصل از فرآیند کالیبراسیون دارای عدم قطعیت است که این عدم قطعیت ها باید در محاسبات فرآیند کالیبراسیون اعمال شود.

 .2 استخراج معادلات بار

 .2-1  روابط حاکم بر مسئله

 اگر پنج گیج با نام های A ،B ،C ،D و E استفاده شده باشند ، بعد از اینکه بارهای کالیبراسیون اعمال شدند و پاسخ پل های کرنش سنجی از مدل المان محدود استخراج شدند، داده ها مطابق جدول (1) ارائه می گردد.  

 

کرنش سنج بر روی هواپیما

                               جدول (1 ): نمایش داده های پل های کرنش سنجی حاصل از نتایج المان محدود

 

در فرآیند کالیبراسیون رابطه ی میان بار اعمال شده و خروجی کرنش ها به صورت خطی فرض می شود. برای مثال اگر پل های کرنش سنجی E,B,A به عنوان پل های مطلوب باشند، یک سیستم m معادله و چهار مجهول به فرم ماتریسی رابطه ی  (1) استخراج گردد.

(1)

      کرنش سنج بر روی هواپیما                                                    

 

 

β0   ثابت معادله می باشد. دو راه یکسان جهت نوشتن رابطه (1) در معادلات (3) و (4) نشان داده شده است.

(3)

(4)                                           کرنش سنج بر روی هواپیما                           

 

  

به دلیل اینکه تعداد معادلات  بیشتر از تعداد مجهولات می باشد ارائه ی حل دقیق دور از انتظار است. در اینجا یک روش برای

حل معادلات پیشنهاد می شود؛ حل کمترین مربعات برای پیدا کردن ضرایب βi  بوسیله ی رابطه ی (5) ارائه می شود.

   (5)

کرنش سنج بر روی هواپیما                                                                             

باید به این سوال پاسخ داده شود: "کدام ستون های جدول مورد استفاده واقع می شود؟" یعنی ابتدا باید مشخص گردد که کدام پل های کرنش سنج مورد استفاده قرار می گیرند و سپس نسبت به تخمین ضرایب اقدام شود.

در این تحقیق ابتدا 35 پل ، شامل 13 پل کرنش سنجی مربوط به اندازه گیری کرنش برشی و 22 پل کرنش سنجی مربوط به اندازه گیری گشتاور خمشی، در موقعیت های مناسب طراحی شده و در مدل المان محدود نصب شده است.

با توجه به توضیحات فوق، تعدادحالات بارگذاری باید بیش از22 حالت باشد. با توجه به این که 14 حالت بارگذاری در شرایط پروازی پایاسیری بر روی بال کامل هواپیما وجود دارد.

 بنابراین نیاز به تعداد بیشتری از بارهای کالیبراسیون می باشد. برای تحقق این امر تعداد 14 حالت بارگذاری موجود در مضرب های 25/ 1و 50/1 ضرب میشود و به تعداد حالت های بارهای کالیبراسیون اضافه میگردد.

بنابراین تعداد 42 بار کالیبراسیون اعمالی موجود می باشد

 2-2 شرط لازم جهت حصول جواب

شرط لازم برای حصول جواب برای ضرایب بار، این است که دترمینان ماتریس معادلات نرم کمترین مربعات بزگتر از صفر باشد. بدین معنی که پل های کرنش سنجی مورد نیاز نباید دارای مشخصات یکسانی باشند.

(6)کرنش سنج بر روی هواپیما                                

                                                            

. 3 مدل توزیع کرنش سنج

سنسورهایی که منظور حس کردن بارهای وارده بر سازه استفاده خواهند شد، کرنش سنج می باشند. با توجه به اینکه جنس سازه ی مورد نظر از آلومینیوم می باشد، کرنش سنج هایی که در این شرایط مناسب است باید انتخاب شوند.

کرنش سنج بر روی هواپیما

شکل 5 : نصب کرنش سنج ها در حالت کلی برای یک پل با چهار بازوی فعال

 

اولین قدم در اندازه گیری بارهای پروازی بوسیله کرنش سنج ، انتخاب موقعیت کرنش سنج ها می باشد.

لازم است که سنسورها در محل مناسبی نصب گردند تا تنش ها را به خوبی حس نمایند و همچنین از مکان هایی که دارای تمرکز تنش به صورت محلی می باشند نیز به دور باشند.

 سنسورهای برشی باید در محل تار خنثی از اسپار جلو قرار گیرند تا بیشترین تنش برشی را حس نمایند.

از طرفی در مکان هایی که جریان برش به بیشترین حد خود می رسد مثال در نواحی وجود سوراخ در طول جان اسپار، دور باشند.

 به همین نحو سنسورهای خمشی نیز در نواحی دورترین فاصله از محور خنثی قرار می گیرند تا حداکثر تنش عمودی را حس نمایند .

 در بهترین حالت سنسورها باید در موقعیتی نصب شوند تا فقط نیروی متناظر با نوع خود را لمس کنند. یعنی پل های برشی فقط نیروی برشی را حس کنند .

 در شکل (6) به طور شماتیک، موقعیت های اندازه گیری کرنش برشی و نرمال در نرم افزار المان محدود ، بر روی اسپارهای بال مورد نظر نمایش داده شده است.

این مکان ها در واقع محل های پیشنهادی جهت نصب کرنش سنج های مربوطه می باشند.

کرنش سنج بر روی هواپیما                                   شکل 6 :شماتیک مکان های اندازه گیری کرنش بر روی اسپار جلو

 

4. مراحل بهینه سازی با استفاده از روش  T- value

هنگامی که تست انجام می شود یا نتایجی استخراج می شود سعی بر این است که شواهدی از تفاوتی معنی دار بین جمع یا بین میانگین جمعیت و یا کل جمعیت نمونه پیدا شود.

عبارت از نظر آماری معنا دار معیاری است که به ما کمک میکند دریابیم آیا رخداد پیش آمده مورد اعتماد است یا صرفا به علت تصادف بوده است.

زمانی یک رابطه از نظر آماری معنا دارا خوانده می شود که به احتمال کمتر از پنج درصد رابطه ی مورد نظر تصادفی بوده باشد.

یک  T- value  مقدار تفاوت معنی دار نسبت به تغییرات در داده های نمونه را اندازه گیری می کند.

 در این تحقیق یک مقدار t ، اندازه ی آماری است ، که به هر ضریب β تعلق می گیرد و نشان می دهد که چه مقدار خطا بوسیله ی ضریب β و بزرگی آنها وارد معادله شده است T- value بر اساس رابطه ی (8) تعیین می گردد

  (8)                                                                             

کرنش سنج بر روی هواپیما

 

در رابطه ی (8) ضرایب β ثابت های معادله ی (5) می باشد.

اندازه ی میزان تطابق معادله با بارهای حقیقی اعمال شده انحراف استاندارد نامیده می شود و با سمبل e بیان می شود.

 این مقدار برای کمک به تعیین و محدود نمودن خطاهای مربوط به یک معادله مورد استفاده قرار می گیرد. برای یک معادله n گیجی و تعداد m بار اعمال شده، مقدار e از رابطه ی (9) تعیین می گردد .

    (9)                             

کرنش سنج بر روی هواپیما             

                       

هر چه انحراف استاندارد  (e)کوچک تر باشد، معادله با داده های کالیبراسیون نزدیک تر است و بنابراین معادله ی بهتری می باشد.

ضریب با T- value مینیموم شده ممکن است بی اعتمادی زیادی ایجاد کند. بنابراین پل های کرنش سنجی با T- value مینیموم شده حذف می گردد.  

مراحل بهینه سازی با استفاده از روش T- value به نحو زیر پیاده می گردد :

  1. حل معادله های (5) با استفاده از تمامی 64 کرنش سنج. (حل معادله با استفاده از 13 پل کرنش سنج برشی و به صورت مجزا با استفاده از 22 پل های کرنش سنجی خمشی
  2. محاسبه ی T- value برای هر پل کرنش سنجی
  3. حذف پل کرنش سنجی با کوچک ترین مقدار T- value
  4. تکرار مراحل 1 تا 3 تا زمانی که مقدار خطای e بزرگ شود یا به تعداد پل کرنش سنجی مطلوب حاصل شود. در این تحقیق پنج پل کرنش سنجی برشی و نُه پل کرنش سنجی خمشی به عنوان تعداد پل کرنش سنجی مطلوب در نظر گرفته شده است.

برای رسیدن به پل کرنش سنجی برشی مورد نیاز و پل کرنش سنجی خمشی مورد نیاز مراحل بالا به صورت مجزا و در دو مرحله طی می شود.

 .5 تحلیل تنش اسپار بال و بهینه سازی محل نصب کرنش سنج ها با استفاده از روش T- value

5-1. فرضیات کلی حاکم بر مدل

برای معادلات و درک درست از مدل سازی مساله فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:

- مدل مورد تحقیق در این مقاله، سازه اسپار جلوی یک بال هواپیما می باشد.

 - فرآیند کالیبراسیون بر روی یک سازه اسپار جلوی یک بال هواپیما به صورت بدون قید یا یک سر گیردار می باشد.

- تمام سازه شکل پذیر بوده.

-  جنس مواد آلیاژ آلومینیوم در نظر گرفته شده است.

 - اثر شتاب گرانش یا وزن سیستم لحاظ شده است.

-  بار ها به صورت نقطه ای در گره های مشخص به سیستم اعمال شده است.

5-2 . تحلیل مدل هندسی

در شکلهای (7) ،(8) ،(9) ،(10) ،(11) ،(12)و (13) تصاویری از مدل شبیه سازی شده و اعمال بارگذاری و نتایج حاصل از آن در نرم افزار انسیس ارائه شده است.

کرنش سنج بر روی هواپیما

 

کرنش سنج بر روی هواپیماکرنش سنج بر روی هواپیماکرنش سنج بر روی هواپیماکرنش سنج بر روی هواپیماکرنش سنج بر روی هواپیماکرنش سنج بر روی هواپیما

.6 کرنش سنج های انتخابی

 پس از انجام مراحل روش T- value با استفاده از کد نرم افزاری متلب، به ترتیب شماره بهترین مکان اندازه گیری برای کرنش های مربوط به برش و ممان خمش در جدول (2) و (3) پیشنهاد گردیده است.

 

                                جدول 2 :مکان های انتخابی کرنش سنج های مطلوب مربوط به برش

                       کرنش سنج بر روی هواپیما

                            جدول 3 :مکان های انتخابی کرنش سنج های مطلوب مربوط به گشتاورخمشی                        

.7 نتیجه گیری

 کاهش هزینه ی طراحی و نیز صرفه جویی در زمان و سهولت انجام فرآیند اندازه گیری بارهای وارده بر بال هواپیما از اهداف این تحقیق به شمار می رود.

 مکان های امکان نصب کرنش سنج ها بر روی سازه های اسپار جلو جانمایی گردید.

 مدل هندسی واقعی در نرم افزار کتیا به صورت کامل شبیه سازی و مونتاژ شد. مدل سه بعدی در نرم افزار انسیس مورد تحلیل المان محدود قرار گرفت.

روش بهینه سازی T- value به صورت کامل معرفی گردید و پس از پیاده سازی کد نرم افزاری مطلب از این روش، کلیه نتایج حاصله از مرحله تحلیل تنش مدل اسپار جلو مورد آنالیز گردید و کرنش سنج های مطلوب استخراج شدند.

 از مزایای استفاده از این روش بهینه سازی این است که می توان با یک پارامتر به هدف مطلوب رسید و روش بسیار مناسبی می باشد. خطای استاندارد بسیار کم می باشد که نشان دهنده دقت بالای نرم افزاری و محاسباتی می باشد.

کرنش سنجی
رفتار سنجی سازه
پاییش وضعیت سازه
رفتارنگاری سازه
داده برداری
اندازه گیری تنش و کرنش
تست استحکام سنجی سازه
پایش سلامت سازه
تحلیل تنش
لودسل
تنش و کرنش
کارت داده برداری
strain gauge
کرنش سنج
استرین گیج
نام
ایمیل
متن نظر
عبارت داخل تصویر
 

سایر لینکها

شهرک علمی تحقیقاتی اصفهان

شهرک علمی تحقیقاتی اصفهان

اخبار و دانستنیهای صنعت ایران

اخبار و دانستنیهای صنعت ایران

دانشگاه علم و صنعت ایران

دانشگاه علم و صنعت ایران

گروه صنعتی ماشین توزین

گروه صنعتی ماشین توزین

برچسب ها

اندازه گيري تنش وکرنش
تحلیل تجربی تنش
مانیتورینگ سازه رفتارنگاری سازه
پايش سلامت سازه
پایش استحکام سازه
 لودسل
ساخت لودسل