Automatische Schwingungsüberwachung von aeroelastischen Systemen

Abstract

Die Schwingungen linear elastischer Strukturen lassen sich durch wenige modale Parameter bestehend aus Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen, Dämpfungsmaße und modalen Massen beschreiben. Diese modalen Parameter werden unmittelbar vor dem Erstflug eines Prototyps für ein neu entwickeltes Flugzeug in einem Ground Vibration Test (GVT) identifiziert. Im Flug verändern sich die modalen Parameter aufgrund der einwirkenden instationären aerodynamischen Kräfte in Abhängigkeit der Flughöhe und -geschwindigkeit. Unter besonderen Bedingungen kann das aeroelastische System instabil werden, indem die schwingende Struktur Energie aus dem Strömungsfeld bezieht und die Schwingungsamplituden anwachsen. Dieses Phänomen nennt sich Flattern. Eine echtzeitfähige modale Identifikation kann kontinuierlich den Schwingungszustand des aeroelastischen Systems in Abhängigkeit geeigneter Parameter beobachten. Weisen die Änderungen der bereits ermittelten modalen Parameter (insbesondere der Dämpfung) darauf hin, dass ein zulässiger Grenzwert überschritten werden kann, können geeignete Maßnahmen eingeleitet werden. Im vorliegenden Beitrag wird eine Echtzeit-Analyse von gemessenen Beschleunigungen schwingender Strukturen zur Überwachung der Eigenfrequenzen, Dämpfungsmaße und Schwingungsformen vorgestellt. Eine auf kurze Rechenzeit optimierte MATLAB Implementierung in Verbindung mit DEWEtron oder National Instruments Messanlagen wird präsentiert. Die Methoden der experimentellen und operationellen Modalanalyse werden hinsichtlich effizienter und schneller Algorithmen erklärt, welche Ergebnisse in nur wenigen Sekunden bereitstellen. Die identifizierten modalen Parameter werden in Abhängigkeit des Flugzustands über Machzahl und Flughöhe dargestellt, um den Trend der Flatterstabilität vorhersagen zu können.