动态结构测试指南

新结构的研究、设计和验证需要进行各种静态负载测试以及空气动力学测试，如图1所示。如果要测量测试对象的结构完整性，则需要能够读取所有传感器读数的测量仪器。 通常认为采样率超过1 kS/s的测试为动态测试。 NI将采样率超过10 kS/s的测试归类为动态结构测试，包括空气动力学、冲击、振动、爆炸和弹道测试。新SC Express平台可满足动态结构测试的大多数严格要求。

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图1. 结构测试分为静态测试和动态测试。

简介

空气动力学测试又称为风洞测试，用于改善飞机、火箭、汽车、风力涡轮机甚至自行车的空气动力学设计。 工程师使用风洞再现测试对象的动态工作环境并研究其周围的空气流动。 最常见的是对结构的空气动力测量。 虽然空气动力测试的要求很大程度上取决于测试对象的大小和测试的目标，但一般都需要在很短的时间内获得详细和准确的数据。 测试对象可以是全尺寸结构或比例模型，由于结构的成本较低且尺寸较小，因而常用于航空航天应用中。 然后，工程师可以使用该模型数据预测全尺寸结构所受的影响，进而理解和提高性能。

风洞概述

风洞通常是专为喷气机和火箭测试所需的特定目的及速度范围（从亚音速到超音速）而设计。 风洞可以是开环的（空气进出隧道），或者是闭环的（空气在隧道内循环）。 空气随着一系列风扇的运动而移动，风扇由大型电动驱动马达或喷射引擎供电。之后空气在旋转叶片的作用下在拐角处转向。 风扇可引起湍流进而影响测试的准确性，因此采用整流器来防止湍流接近测试对象。 全尺寸测试需要非常大的测试区或空间。 测试较小对象或模型时，测试区包含一个较小的观察窗和用于安装模型的仪器，如图2所示。

测试区通常采用圆形截面和光滑的表面来实现湍流减阻。 测试对象保持处于测试区的中心，以最大程度降低墙壁的影响，但是风洞测试结果和开环空气结果之间往往通过修正因子相关联。 如果以超音速进行测试，则需要使用高级冷却技术来安全驱散所生成的热量。

图2. 风洞重现动态操作环境。

风洞测试

虽然空气动力学测试有几种不同的类型，最常见的是直接测量模型的空气动力和力矩。 在此类测试中，模型安装在内部或外部测力天平上，测力天平通常由一个三分力或六分力应变天平组成。PXIe-433x电桥输入模块是新SC Express产品家族的成员，能够以高达102.4kS/s/ch的速度测量8通道的应变。六分力天平可以测量力（升力、阻力和横向力）和力矩（偏航、滚动和俯仰力矩），以确定飞机穿过空气的运动。 您可以小心控制风洞的流动条件，以改变模型上的力以及流量参数雷诺数和马赫数：

• 雷诺数– 惯性力和粘滞力之比；用于量化在给定流动条件下两个力的相对重要性
• 马赫数– 物体速度与音速之比；用于确定压缩效应的等级

这两个数取决于隧道的气体流速和气体密度，且必须满足预期的飞行条件才能对实际气流进行研究并与理论计算结果进行比较。 力的测量值需要进行后处理才能算出流量参数。

在部分测试中，模型也包含整个模型表面的测压孔。 测压孔是在模型上垂直钻出的小孔。 压力测量值可用于算出模型上的法向力，进而推算出性能。 压力也可以通过与隧道内其他地方的气流方向一致的小管测量。 我们将一个系列的管道称为一耙，可用于测量模型内壁或隧道内的总压力。 总压力包含静态压力和动态压力。 实际上，压力测量通常不会用于测量空气动力学性能，因为这需要大量的测压孔才能算出压力的变化。

图3. 大部分常见的空气动力学测试直接测量比例模型上的空气动力和力矩。

诊断测试属于另一种类型的测试，不用于提供飞机的整体性能，而仅仅用于了解气流现象。 使用的测试设备包括测压孔、总压力排管、激光多普勒测速仪和热线风速仪探针。 根据使用的仪器设备的类型不同，可测量稳态气流或随时间变化的非稳态气流信息。

其他测试类型还包括流量可视化，可提供诊断信息。 这些技术包括自由流烟雾技术、激光片光技术或表面油流技术。 这些方法都假设流动显示媒介的运动与气流完全一致。 阴影图或施利伦系统用于可视化冲击波在可压缩流中的形状和位置。

最近，空气动力学家利用计算机和软件的功能，采用3D计算流体动力学(CFD)来进行物理模型或原型开发之前的设计评估。 CFD仿真可提供分析所需的空气动力和力矩、流速、压力和热传递。 将这些计算方法与风洞测试相结合可减少进行全尺寸之前的模型测试需求。

冲击测试用于测试结构的抗高速负载能力。 如果要选择能够承受与结构预期寿命相同时间长度负载的合适材料，需要能够预测产品将会遇到哪些类型的冲击。 然后再进行测试，以确保结构的安全性和可靠性。 最常见的测试包括钟摆和坠落测试。 钟摆测试是将重物从特定高度摆下，冲破或撞击测试物体。 钟摆摆至较低高度时，可以计算该过程中能量的损失。 坠落测试需要使材料或结构从指定的高度坠落，或使物体坠落到测试对象上，通过测量底部的传感器来了解冲击的能量。 能量和冲击速度是冲击测试过程中的两个重要测量参数。近年来通常认为仪器冲击测试是提供材料断口信息的最准确方法，其中压力传感器安装到坠落物体上。PXIe-4330和PXIe-4331的每个通道均具有一个24位Delta-Sigma ADC、远程遥感、内部桥路补全、可编程激励以及分路校正，用于确保准确性。 在仪器冲击测试中，您可以使用测量高速数据采集仪器采集的测量数据来生成力、能量、速度和形变随时间变化的曲线。

模态分析用于研究结构在振动激励下的动态特性。 借助模态分析，您可以提取结构的模态参数（动态属性）。 模态参数，包括自然频率、阻尼比、振型，均是用于描述结构运动及其对环境激励和强迫激励的响应的基本参数。 了解这些模态参数可以帮助您了解结构对环境条件的响应以及进行设计验证。

• 固有（或共振)频率- 激励产生最大幅度响应时的频率。 该参数非常重要，因为激励频率接近结构的固有频率时，可导致结构疲劳、损伤或完全结构损坏。
• 阻尼比- 实际阻尼与达到临界阻尼（系统不发生振动的最小阻尼值）需要的阻尼之比。
• 振型- 对应固有频率的不同振动形态。

图4. 可使用加速度计和冲击锤测量振动。

目前工业上一般采用两种类型的模态分析： 实验模态分析和操作模态分析。 实验模态分析是模态分析中最常用的传统形式，使用冲击锤等设备来激励结构，然后测量响应。 然后，您可以计算出传递函数，并使用特定模态参数提取算法来提取结构的动态特性。 实验模态分析是设计验证和有限元分析(FEA)认证的最有效方法。

爆炸和弹道测试用于测试在爆炸荷载下的结构行为以及实际武器和炸药。 工程师的测试场地往往在爆炸舱、弹道测试厂或荒野（需要宽敞空间时）。 该类型测试需要高级仪器设备以非常高的采样率（每秒上百万次采样）来捕捉温度、压力和应变测量值。 工程师通常将视频截图与测量数据相结合来记录测试。 由于测试通常较为昂贵，因为在执行物理测试之前往往通过软件计算来仿真结果。

图5. 助推器在进入大气之前需要进行全面的地面测试。

动态结构测试有多种形式，包括空气动力学、冲击、模态、爆炸和弹道测试。 每个测试都有其独特的要求，但均需要采用先进的仪器和软件来准确收集动态测量数据和分析结果。SC Express和NI-DAQmx可满足这些复杂的软硬件需求。 您可在科研、原型和设计验证阶段通过各种结构测试来确保材料、组件和结构的高质量要求。