Simulation linearer, zeitinvarianter, strukturdynamischer Systeme in Echtzeit

Kurzfassung

Im Flugzeugbau ist Sicherheit ein Thema mit herausragender Bedeutung. Um das Verhalten eines Flugzeuges im Flug bestmöglich vorhersagen zu können und somit maximale Sicherheit zu ermöglichen, sind Versuche an der realen Struktur vor dem ersten Einsatz unersetzlich. Nach derzeit gültiger Gesetzeslage muss jeder neue Flugzeugtyp in Europa zunächst von der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) zugelassen werden.In den Bauvorschriften sind die einzelnen für die Zulassung notwendigen Schritte festgehalten. m ersten Schritt wird ein Standschwingversuch an einem Prototyp durchgeführt. Die experimentell Im Standschwingversuch ermittelten Werte für Eigenfrequenzen, Eigenvektoren, modale Massen und Dämpfungen werden daraufhin mit dem numerischen Modell der Struktur verglichen. Bei stärkeren Abweichungen muss das numerische Modell angepasst werden. m nächsten Schritt entsteht durch die Kopplung des validierten Strukturmodells mit einem nicht validierten Aerodynamikmodell das aeroelastische Modell. Für das gekoppelte Modell wird rechnerisch überprüft, ob innerhalb des Bereiches aller möglichen Fluggeschwindigkeiten und Flughöhen immer ausreichend Dämpfung vorhanden Ist, sodass kein Flattern auftreten kann. n der Flatterana lyse wird eine Grenzgeschwindigkeit ermittelt, die die obere Grenze des sicheren Betriebsbereiches kennzeichnet. Ab dieser Grenzgeschwindigkei t kann Flattern auftreten. Aus der Grenzgeschwindigkeit )t::l.7. kciw ird eine maximale Fluggeschwindigkeit lllllax ermittelt, die mit einem Sicherheitsaufschlag von 15 % behaftet ist. Sind diese Voraussetzungen gegeben, darf ein Flugschwingversuch durchgeführt werden. Mit experimentell ermittelten Daten aus der Flugerprobung wird das aeroelastische Modell der Flatterrechnung validiert.Wenn alleIn dem Modell gemachten Annahmen experimentell bestätigt wurden, bekommt der Flugzeugtyp die Zulassung. Für die Auswertung der Daten von Flugschwingversuchen entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) derzeit eine neue Software. Es soll in Zukunft möglich sein, Eigenfrequenzen und Dämpfungen permanent im Flug zu beobachten. Auf diese Weise können dem Piloten konkretere Anweisungen bezüglich Flughöhe, Fluggeschwindigkeit und Steuerimpulsen gemacht werden. Bevor diese Software bei Versuchen an realen Strukturen eingesetzt wird,muss sie auf folgende Fragen hin überprüft werden: -Werden die Daten korrekt ausgewertet? -läuft die Software stabil? An dieser Stelle gewinnt die Echtzeitsimulation von Modellen besondere Bedeutung. "Bei einer Echtzeitsimulation werden alle Ein- und Ausgaben der virtuellen Umgebung synchron mit der realen Umgebung eingelesen bzw. aktualisiert. Erreicht die Simulationszeit S, SO oder SOO Sekunden, dann istin der realen Welt genauso viel Zeit vergangen. Man kann also rund um die Uhr über beliebige Zeiträume hinweg testen.\(Miller und Wencfümrlt [1]) BP.i P.intm Flugschwingversuch wird die Schwingungsantwort mit Beschleunigungsaufnehmern, die am Flugzeug befestigt sind, gemessen und von der Software durch Modalanalyse ausgewertet . Das Echtzeit-Regelsystem nimmt die Anregungssignale auf, löst die Bewegungsgleichung und gibt ebenfalls die Beschleunigungsantwort aus. Aufgrund der garantierten Echtzeitberechnung der Beschleunigungsantworten durch das Regelsystem, besteht für die Auswertungssoftware kein Unterschied zwischen den übermittelten Daten. n dieser Arbeit wird eine Simulationsumgebung entwickelt, welche Schwingungen von Luftfahrtstrukturen aufgrund beliebiger Anregungen in Echtzeit simulieren kann. Der Echtzeit-Controller dient in diesem Anwendungsfall als Nachbildung iner realen Struktur, um die Software im Vorfeld zu erproben. Es wird möglich sein, die Bewegungsgleichung von Flugzeugmodellen mit bereits bekannten Eigenschaften auf dem Regelsystem zu lösen, die Daten auszuwerten und anschließend zu überprüfen, ob die Auswertung durch die Software mit den bekannten Eigenschaften übereinstimmt. Außerdem besteht die Möglichkeit, den echten bevorstehenden Flugversuch im Vorfeld zu simulieren. Es werden genauere Absprachen mit dem Piloten trainiert, der sichere Umgang mit der Software verbessert und die Stabilität der Software über einen langen Zeitraum getestet. Durch die Erprobung am Echtzeit-Regelsystem ist es in Zukunft möglich, die Versuche am Flugzeug noch sicherer zu gestalten, den Versuchszeitraum zu reduzieren und Kosten einzusparen. Diese Simulation eines Flugversuchs dient somit der Optimierung der Abläufe, der Abminderung von Risiken bei der Durchführung von Flugversuchen und ist deutlich günstiger als die Erprobung am realen Fluggerät.