Strukturanalyse bei einem kleinen unbemannten Flugzeug mit ModalVIEW und NI CompactDAQ

"Wir haben für die Analyse die Software ModalVIEW genutzt, die von ABSignal unter Einsatz der Software NI LabVIEW entwickelt wurde und im LabVIEW Tools Network zur Verfügung steht. Wir entschieden uns für diese Software aufgrund ihrer Bedienfreundlichkeit und ihrer besonderen Eignung für die von uns durchgeführten Tests."

- Kaci J. Lemler , Unmanned Aircraft Systems Engineering Laboratory, School of Engineering and Mines University of North Dakota

Die Aufgabe:

Analyse der Auswirkungen von Flügelbehältern auf das Flugverhalten eines kleinen unbemannten Flugzeugs für den Flugtest diverser Nutzlasten

Die Lösung:

Einsatz von ModalVIEW und einem NI-CompactDAQ-System, das Messungen an bis zu 32 Kanälen durchführen kann, um die modalen Parameter des Flugzeugs mit und ohne zusätzlichem Gewicht von Flügelbehältern zu extrahieren und darzustellen und so zu bestimmen, ob die Behälter die Flugleistung negativ beeinflussen

Autor(en):

Kaci J. Lemler - Unmanned Aircraft Systems Engineering Laboratory, School of Engineering and Mines University of North Dakota
William H. Semke - Unmanned Aircraft Systems Engineering Laboratory, School of Engineering and Mines University of North Dakota

 

Das UASE-Team (Unmanned Aircraft Systems Engineering) bedient ein unbemanntes Flugzeug des Typs BTE (Bruce Tharpe Engineering) Super Hauler. Das Team entwickelt Nutzlasten bis zu 14 kg für Nachrichtengewinnungs-, Überwachungs- und Aufklärungsmissionen sowie für Warn- und Ausweichsysteme im Flugzeug. Der Super Hauler ist 3 m lang und hat eine Flügelspannweite von 3,6 m sowie ein Trockengewicht von 22 kg. Das Verhalten des Flugzeugs in seiner Ursprungskonfiguration ist hinreichend bekannt. Werden allerdings im Hinblick auf zukünftige Einsätze Nutzlastbehälter angebracht, so verändern sich Struktur- und Flugverhalten.  

 

 

Der Super Hauler wurde speziell für dieses Projekt erstellt, um eine große, unversperrte Nutzlastbucht zu bieten, in der mehrere Nutzlasten für Flugtests angebracht werden können. Diese Fähigkeit erfüllt die Anforderungen der bisher getesteten Nutzlasten. Die Erweiterung um Flügelbehälter ist jedoch für die Durchführung neuer Einsätze und die Evaluierung von Nutzlasten für radarbezogene Aufgaben erforderlich. Es ist geplant, die Flügelbehälter paarweise einzusetzen, um die Tragflächenbelastung auszugleichen und eine symmetrische Belastung des Flugwerks sicherzustellen. Wir werden die Verkabelung im Flügel verlegen, damit sie sich nicht im Luftstrom befindet. Auf diese Weise haben die Antennensysteme in den Flügelbehältern ein ungestörtes, nach vorn gerichtetes Sichtfeld.

 

 

Unser Ziel besteht darin, eine komplette Modalanalyse unseres unbemannten Flugzeugs zu erhalten, damit wir ein besseres Verständnis für sein Flugverhalten und die Auswirkungen der Flügelbehälter entwickeln können und Unterstützung bei der Bestimmung geeigneter Flugbedingungen für den Betrieb erhalten. Diese Art von Tests wurde bereits an vielen verschiedenen Flugzeugen erprobt. Wir erhoffen uns, dass unsere Arbeit anderen helfen wird, die kleine unbemannte Flugzeuge in ähnlicher Weise testen.

 

Experimentelle Modalanalyse

Für die Analyse setzen wir die Software ModalVIEW ein. Sie wurde mithilfe der Software NI LabVIEW von ABSignal entwickelt und steht über das LabVIEW Tools Network zur Verfügung. Wir entschieden uns aufgrund ihrer Bedienfreundlichkeit und ihrer besonderen Eignung für die von uns durchgeführten Tests für diese Software. Mit ModalVIEW und der Hardware NI CompactDAQ erstellten wir ein Plug-and-play-System. Soweit wir feststellen konnten, war ModalVIEW das einzige Modalanalyseprogramm mit einer leicht verständlichen Benutzeroberfläche für jeden Schritt des Schwingungstestablaufs, von der Anbindung der Sensoren bis hin zur Animierung der Struktur mit den gefundenen modalen Massen.

 

Wir nutzen die experimentelle Modalanalyse, um modale Parameter der Struktur zu ermitteln. Dazu wird sie durch einen Stimulus angeregt und ihr dynamisches Verhalten gemessen und analysiert. ModalVIEW beinhaltet geeignete Analysemethoden mit mehreren Freiheitsgraden und unterstützt experimentelle Methoden, die Daten von mehreren Messpunkten an der Struktur auswerten und bei denen Impulshämmer oder Shaker verwendet werden. Die Software bietet zudem ein Animationswerkzeug, mit dem wir die modale Masse des Flugzeugs grafisch darstellen.

 

Wir isolieren den Super Hauler für die Analyse, indem wir ihn auf Gummiseile in einem Prüfstand auflegen, so dass sich alle Räder gut 3 cm über dem Boden befinden. Dadurch wird ein frei schwingender Aufbau für Modaltests simuliert. Auf jedem Flügel wird ein Gewicht von gut 2 kg angebracht, um die Flügelbehälter zu simulieren. Für die Analyse wird der BTE Super Hauler zuerst mit Beschleunigungsmessern an wichtigen Positionen ausgestattet. Verschiedene drei- und einachsige Beschleunigungssensoren von PCB Piezotronics werden direkt auf der Flugzeugaußenhaut angebracht. Die Beschleunigungssensoren werden mit einem NI-Chassis des Typs cDAQ-9178 verbunden, das acht Module des Typs NI 9234 zur Erfassung dynamischer Signale umfasst. Die Anregung des Super Hauler erfolgt mit einem 086C03-Impulshammer von PCB Piezotronics.

 

Das Frontend des NI CompactDAQ lässt sich nahtlos in die Software ModalVIEW für die Analyse integrieren. Die Datenerfassungskanäle werden mit den entsprechenden Knoten und Messrichtungen verbunden, wobei die Messungen so eingerichtet sind, dass sie mit der Anregung durch den Impulshammer ausgelöst werden. Sechs Schlagversuche wurden mit und ohne simulierte Flügelbehälter durchgeführt. Bei jedem der Versuche erfolgt ein Schlag auf einen der Knoten. Dabei wird die Frequenzantwort erfasst, daraufhin die Eigenschwingungen mit der Frequenzantwortfunktion ermittelt und das Leitungsmodell mit den entsprechenden modalen Massen animiert. Es wird angenommen, dass die erste Eigenschwingung ohne die Behälter keine Entsprechung in der Reihe mit den Behältern haben wird, weil die Strukturkopplung zwischen den Flügeln und dem Rumpf geringer ist.

 

 

Ergebnisse

Bei den beobachteten modalen Massen verschoben sich die Eigenschwingungen erheblich nach unten, wenn Flügelbehälter hinzukamen. Das entsprach den Erwartungen, da eine erhebliche Menge Gewicht hinzugefügt wurde. Die Flügelbehälter machen 20 Prozent des Gesamtgewichts aus. Daher haben sie einen relativ drastischen Einfluss auf das Strukturverhalten. Zwar wurden erhebliche Veränderungen bei den Frequenzen beobachtet, jedoch lag keine der Grundschwingungen außerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Flugzeugs, wenn die Behälter nicht vorhanden waren. Daher wird erwartet, dass Veränderungen bei der Flugdynamik kein wesentlicher Faktor bei der Flugleistung sein werden.

 

Informationen zum Autor:

Kaci J. Lemler
Unmanned Aircraft Systems Engineering Laboratory, School of Engineering and Mines University of North Dakota
kaci.lember@gmail.com

Abb. 1: BTE Super Hauler mit UASE-Team
Abb. 2: ModalVIEW-Darstellung der Biegung der Flügelspitzen
Abb. 3: BTE Super Hauler mit Beschleunigungsmessern und im Prüfstand
Abb. 4: Zusammenfassung ausgewählter Eigenschwingungen aus den Tests