Ground Vibration Testing (GVT) – Πιστοποίηση Αεροσκαφών και Εξωτερικών Φορτίων

Τι είναι το GVT και γιατί γίνεται;

Το Ground Vibration Test (GVT) (βλ. Εικόνα 1) αποτελεί μία από τις βασικότερες πειραματικές μεθόδους που εφαρμόζονται στον τομέα της αεροελαστικότητας (aeroelasticity). Μέσα από αυτή τη διαδικασία, εξάγονται τα φυσικά χαρακτηριστικά ταλάντωσης ενός αεροσκάφους, όπως οι ιδιοσυχνότητες (natural frequencies), οι ιδιομορφές (mode shapes) και η δομική απόσβεση [6, 7, 8]. Ο GVT διεξάγεται στο έδαφος, σε στατική κατάσταση του αεροσκάφους, για πιστοποίηση των FEM (Finite Element Method) μοντέλων,  πριν από την πρώτη πτήση ενός Α/φ υπό πιστοποίηση ή πριν και μετά από σημαντικές τροποποιήσεις στο Α/Φ ή στα εξωτερικά του φορτία. Η μέθοδος είναι καθοριστική για την πιστοποίηση της πτητικής ικανότητας, τόσο βάσει στρατιωτικών όσο και πολιτικών προτύπων (MIL-HDBK-516C, EMAR 21, STANAG 3899, EASA CS-25, κλπ.). Ο έλεγχος αυτός συνδυάζεται με υπολογιστικές αναλύσεις ή πτητικές δοκιμές αξιολόγησης, και τα αποτελέσματά του χρησιμοποιούνται άμεσα σε αναλύσεις Πτερυγισμού (Flutter) και αεροελαστικής σταθερότητας. Η εφαρμογή του επεκτείνεται σε πληθώρα περιπτώσεων, όπως η εγκατάσταση pylons (φορέων), δεξαμενών, συστημάτων οπλισμού, ή ακόμη και η αξιολόγηση νέων τύπων UAV.

Πώς πραγματοποιείται ένας GVT στην πράξη;

Κατά τη διάρκεια του ελέγχου, το αεροσκάφος διεγείρεται μηχανικά με γνωστό σήμα διέγερσης, ενώ ταυτόχρονα η απόκρισή του καταγράφεται από ένα δίκτυο επιταχυνσιόμετρων. Η διέγερση πραγματοποιείται μέσω ενός ή περισσότερων actuators (συνήθως shaker ή modal hammer), με στόχο να ενεργοποιηθούν όσο το δυνατόν περισσότερες ιδιομορφές της κατασκευής. Tα σήματα διέγερσης που χρησιμοποιούνται είναι κατάλληλα επιλεγμένα ανάλογα με τον τύπο της δομής και το εύρος συχνοτήτων που ενδιαφέρουν το εκάστωτε υπό μελέτη πρόβλημα. Υπάρχουν διάφοροι τύπου διεγέρσεων όπως, random excitation (white noise), pseudo-random σήμα, burst random, chirp, stepped sine, sine sweep, κλπ (βλ. Εικόνα 2), με διαφορετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα η καθε μία ως προς τη φασματική κάλυψη, την ενεργειακή πυκνότητα, τη χρονική διάρκεια, τη δυνατότητα ελέγχου της απόκρισης, καθώς και την ευαισθησία στην ανίχνευση και διαχωρισμό γειτονικών modes. Η σωστή επιλογή του σήματος εισόδου – διέγερσης, είναι κρίσιμη ώστε να χαρτογραφηθεί κατάλληλα και να καταγραφεί πλήρως η δυναμική συμπεριφορά της κατασκευής σε όλο το φάσμα ενδιαφέροντος.

Μέσα διέγερσης: Impact Hammer και Shakers

Η διέγερση του αεροσκάφους πραγματοποιείται με δύο βασικές τεχνικές: χρήση modal hammer (μεταλλικό σφυρί) ή shaker (δονητήρας). Το modal hammer (βλ. Εικόνα 3) είναι κατάλληλο για προκαταρκτικές δοκιμές ή για μικρότερα επιμέρους εξαρτήματα, καθώς παρέχει στιγμιαία διέγερση, συνήθως περιορισμένου ενεργειακού περιεχομένου. Η τεχνική αυτή προσφέρει ευελιξία και ταχύτητα, αλλά δεν ενδείκνυται για μεγάλες ή σύνθετες δομές. Αντιθέτως, οι ηλεκτροδονητήρες (shakers) (βλ. Εικόνα 4) παρέχουν ελεγχόμενη και επαναλήψιμη διέγερση, καθιστώντας τους ιδανικούς για πλήρη αεροσκάφη ή σύνθετες διαμορφώσεις με εξωτερικά φορτία. Οι shakers τοποθετούνται σε επιλεγμένα σημεία του αεροσκάφους και η χρήση τους συνοδεύεται συνήθως από λογισμικό ελέγχου που ρυθμίζει το πλάτος διέγερσης, τη φασματική συχνότητα και τη διάρκεια της διέγερσης.

Τι μετράει ένας GVT;

Κατά τη διάρκεια του ελέγχου, καταγράφεται η απόκριση της κατασκευής υπό τη δράση της διέγερσης σε όλο το συχνοτικό εύρος του σήματος διέγερσης, και η ανάλυση των σημάτων αυτών οδηγεί στον υπολογισμό των Frequency Response Functions (FRFs). Οι συναρτήσεις αυτές, ή αλλιώς συναρτήσεις μεταφοράς όπως ονομάζονται, απεικονίζουν την απόκριση του συστήματος για κάθε συχνότητα διέγερσης και αποτελούν τη βάση για την εξαγωγή των modal χαρακτηριστικών. Η τυπική μορφή τους, εκφρασμένη στο συχνοτικό πεδίο, είναι:

όπου Υ(ω) είναι η συνολική απόκριση της κατασκευής και F(ω) το σήμα εισόδου. Από τις κορυφές των FRFs (βλ. Εικόνα 5)  προσδιορίζονται οι ιδιοσυχνότητες, ενώ η γεωμετρική κατανομή της απόκρισης στους διάφορους αισθητήρες επιτρέπει την εξαγωγή των mode shapes. Τέλος, η απόσβεση κάθε mode εκτιμάται μέσω τεχνικών όπως οι μέθοδοι: Free Vibration Decay, Resonance Amplitude, 3 Decibel Bandwidth Method (3dB).

Χρήση των αποτελεσμάτων και ανάλυση πιστοποίησης

Τα αποτελέσματα του GVT (free vibration solution) ενσωματώνονται σε εμπορικά λογισμικά αεροελαστικής ανάλυσης, όπως το ZAERO ή το MSC Nastran, για τον υπολογισμό και πρόβλεψη του flutter, άλλων αεροελαστικών φαινομένων (divergence, gust analysis, dynamic loads, control surface reversal, κλπ.) και αποτελούν απαραίτητο input για την πιστοποίηση εξωτερικών φορτίων. Σε πολλές περιπτώσεις, τα αποτελέσματα του GVT χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση ή επικύρωση του FEM (Finite Element Model), ειδικά όταν πρόκειται για νέες δομές. Ο GVT επιτρέπει τη βαθμονόμηση των δομικών ιδιοτήτων του ψηφιακού μοντέλου της δομής, εξασφαλίζοντας αξιοπιστία στις πτητικές προβλέψεις.

Η σημασία του GVT και οι προκλήσεις που συνεπάγεται

Η εφαρμογή του GVT αποτελεί κρίσιμο βήμα στην αλυσίδα πιστοποίησης και αξιολόγησης της πτητικής ασφάλειας. Εάν δεν προσδιοριστούν σωστά οι ιδιομορφές ή οι ιδιοσυχνότητες, οι αναλύσεις flutter, κλπ., μπορεί να βασιστούν σε εσφαλμένα δεδομένα, οδηγώντας σε λανθασμένες εκτιμήσεις των ορίων των φακέλων πτήσης. Η απόσβεση, επίσης, αν δεν μετρηθεί σωστά, ενδέχεται να κρύψει υπάρχοντα φαινόμενα ευστάθειας. Στην πράξη, η ακριβής υλοποίηση ενός GVT εμπεριέχει αρκετές προκλήσεις. Η επιλογήτων  θέσεων εφαρμογής των shakers και συνεπώς της διέγερσης και μέτρησης είναι κρίσιμη για την ενεργοποίηση όλων των σημαντικών ιδιομορφών. Η σωστή τοποθέτηση αισθητήρων, η απομόνωση από εξωτερικές δονήσεις και η αποφυγή τεχνητής απόσβεσης (λόγω καλωδίων, ανάρτησης, θορύβου) είναι όλα κρίσιμοι παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια των μετρήσεων.

Επίλογος

Ο GVT δεν είναι απλώς μία διαδικασία μέτρησης· είναι η βάση πάνω στην οποία χτίζεται η εμπιστοσύνη ανάμεσα στην υπολογιστική πρόβλεψη και την πραγματικότητα. Καθώς η πολυπλοκότητα των αεροσκαφών και των εξωτερικών τους φορτίων αυξάνεται, η ακρίβεια και η αξιοπιστία του Ground Vibration Testing παραμένει και θα παραμένει ακλόνητος πυλώνας κάθε επιτυχημένου προγράμματος πιστοποίησης.

Βιβλιογραφία

[1] https://www.crystalinstruments.com/ground-vibration-test

[2] B. Peeters, W. Hendricx, J. Debille, H. Climent, 2009, Modern solutions for ground vibration testing of large aircraft, Sound and vibration, SAE International Journal of Aerospace, Vol.43.

[3] https://vibrationresearch.com/blog/experimental-modal-testing-obserview/

[4] https://www.modalshop.com/vibration-test/products/vibration-test-shakers/shaker-systems

[5] https://community.sw.siemens.com/s/article/what-is-a-frequency-response-function-frf

[6] J.T. Katsikadelis, Dynamic Analysis of Structures, Elsevier, 2020. 

[7] L. Meirovitch, Fundamentals of vibrations, McGraw‑Hill Science, 2001

[8] A.K. Chopra, Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, Pearson, 2017.