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Damit Flugzeuge nicht flattern

Optimiertes Flatteranalyseverfahren für den Airbus
Damit Flugzeuge nicht flattern

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Das Flattern gehört zu den großen Herausforderungen im Flugzeugbau. Airbus hat dafür die richtige (Software-) Lösung gefunden: LMS Test Lab leistet einen wichtigen Beitrag zu einer besseren Flatteranalyse.

Bereits seit 2001 kooperieren Airbus Frankreich und LMS International bei diversen EUREKA-Projekten mit der Bezeichnung FLITE (Flight Test Easy). Die EUREKA FLITE-Projekte sind eine zwischenstaatliche Initiative zur Unterstützung der marktorientierten europäischen Forschung und Entwicklung, die sich darauf konzentrieren, Flugzeugdesignern und -konstrukteuren neue und leistungsstarke Werkzeuge anzubieten, welche die Qualität und Aussagekraft von Daten verbessern, die während Flugtests gesammelt werden. In diesem Zuge vereinigt das FLITE-Konsortium Flugzeughersteller und -technologieanbieter von Weltrang aus Frankreich, Belgien und Polen. Die FLITE-Projekte geben die einzigartige Gelegenheit, neue hochentwickelte Algorithmen mit anspruchsvollen Flugdaten zu verifizieren.

Ende 2007 vereinbarten LMS und Airbus den Start eines Projektes zur Beurteilung von LMS Polymax als Schlüssellösung, um eine hochqualitative Offline-Verarbeitung von während des Fluges gesammelten Daten für Flattertests zu erzielen. Als Flattern bezeichnet man eine ungedämpfte Schwingung eines Flugzeugs. Dieses Phänomen stellt eine der großen Herausforderungen im Flugzeugbau dar, kann jedoch durch konstruktive Maßnahmen beeinflusst werden. Flattern gehört zu den Effekten der Aeroelastizität, der Interaktion zwischen Elastizität, Trägheits- und aerodynamischen Kräften, die bei der Flugzeugkonstruktion eine zentrale Rolle spielt. Denn sobald vier riesige Motoren, größere Abmessungen und Flexibilität hinzukommen, ist es wenig überraschend, dass sich das aerodynamische Verhalten eines Flugzeugs verändert und zunehmend komplex wird.
Für die neuen Flugzeugeigenschaften werden die während des Flattertests eingesetzten modalen Identifizierungsmethoden weiterentwickelt, die sicherstellen sollen, dass die Parameter korrekt identifiziert werden. Für die Festlegung der Grenzwerte für Flattern, die bei den wichtigen ersten Testreihen während des Fluges verwendet werden, müssen die Frequenzen und Dämpfungen so genau wie möglich bestimmt werden.
Flattertests können in drei Abschnitte aufgeteilt werden: Echtzeit, Echtzeitnah und Offline. Im Rahmen der Versuchsreihen werden während des Testflugs Echtzeitdaten hauptsächlich als Grenzwertüberwachung zur Fortführung des Flugversuchs gesammelt. Echtzeitnahe Tests konzentrieren sich auf die schnelle modale Beurteilung zur Bestimmung der Gesamtsicherheit des Fluges und des Flattertestprogramms. Der Offline-Abschnitt befasst sich mit der genaueren Analyse der aufgezeichneten Flugdaten und mit der Erstellung des Endberichts.
Effektive Offline-Validierung
In diesem Rahmen bietet LMS Test.Lab Modal Analysis ein voll ausgestattetes Paket zur effizienten und effektiven Offline-Validierung von Daten mit der gesamten erforderlichen Funktionsvielfalt wie Datenvorverarbeitung, modale Parameterbestimmung, Animation der Schwingformen und Ergebnisvalidierung, während die LMS Test.Lab Structures-Reihe eine komplette Lösung zur Modalanalyse ist, welche die Hochgeschwindigkeits-Vielkanaldatenerfassung mit einer Reihe integrierter Test-, Analyse- und Berichts-Tools kombiniert. LMS ist im Übrigen für seine Erfahrung mit Modaltests und skalierbaren Lösungen bekannt – von der Unterstützung von Hammertests für kleine Strukturen bis hin zu den großen Testkampagnen unter Verwendung von mehreren Schwingerregern und Hunderten von Messkanälen.
Richtiges Verfahren gesucht
Gerade bei der Kampagne für den A380 stand das Airbus Flatterteam im französischen Toulouse vor einigen Herausforderungen. Denn dabei traten Probleme auf, die es schon bei der Flatter-Kampagne des Airbus A340 gab: Eine hohe modale Dichte und ähnliche Schwingformen, beides in einem niedrigen und schmalen Frequenzbereich.
Im Hinblick auf die modale Identifizierung erforderten diese neuen präzisen Anforderungen eine besser ausgestattete und definierte Testinstallation. Das bedeutete Forschen nach dem richtigen Verfahren. Die gemessenen Daten mussten an genügend vielen Messpunkten in einer ausreichenden Qualität aufgezeichnet werden, um die Spektren und die Berechnung der Übertragungsfunktionen zu verbessern und bei der Berechnung der Schwingformen des Flugzeugs räumliche Mehrdeutigkeit (Spatial Aliasing) zu vermeiden. Dies erforderte innovatives Denken und eine gründliche Bewertung der Prozesse in Bezug auf derzeit bestehende Techniken.
In der Vergangenheit führten die Flugtest-Abteilungen von Airbus mit ihrer selbst entwickelten echtzeitnahen Lösung Datenanalysen durch und übertrugen die Ergebnisse zusammen mit den Rohdaten an Airbus Deutschland, wo die numerischen Flatterprognosen mit den tatsächlichen Flugtests verglichen wurden. Airbus Frankreich hielt es für notwendig, zukünftig tiefergehende Datenanalysen vorzunehmen, damit sie vollständigere Ergebnisse nach Deutschland schicken können. „Es war offensichtlich, dass wir eine Lösung brauchten, die den Abgleich zwischen der Online-Flugdatenanalyse in Toulouse und der Nachbearbeitung im Konstruktionszentrum bei Airbus Deutschland verbessert. Mit den Ergebnissen, die uns nun LMS Test.Lab bietet, sind wir sehr zufrieden,“ berichtet Jean Roubertier, Aeroelastizitäts-Fachmann in der Flugtestabteilung von Airbus.
Aufgrund der Größe des Airbus A380 – mit seinen 525 Plätzen ist er das größte Verkehrsflugzeug der Welt – verwundert es nicht, dass die während des Flugs gesammelten Testdaten ebenfalls rekordverdächtig sind. „Mit mehr als 100 Sensoren war dies eine der größten Aufbauten für eine Flattertestkampagne, die ich je gesehen habe. Auch die Anzahl an Tests unter unterschiedlichen Flugbedingungen ist beeindruckend. Der resultierende Datenbestand ist immens, wobei Fähigkeiten der effizienten Bearbeitung und Berichterstellung gefordert sind”, erläutert Bart Peeters, LMS Research Project Manager.
Die Testkampagne
Das Airbus Flatter-Team in Toulouse verwendete verschiedene Anregungen, einschließlich Sinussweep und Pulsanregung der Steuerflächen. Pulse werden derzeit eingesetzt, um die Sicherheit der Crew und des Flugzeugs zu gewährleisten, während Sweeps verwendet werden, um genauere Resultate zu erarbeiten, mit denen theoretische FE-Modelle aktualisiert werden können. Die Dauer der Flatterflüge konnte durch die Integrierung von Pulsen in den Prozess erheblich reduziert werden.
Selbst bei Projekten dieser Größenordnung gibt es immer ein Rauschen in den Daten, das berücksichtigt werden muss. LMS Test.Lab zeichnet ein sehr klares Bild mit Techniken, die selbst aus sehr verrauschten Daten klare Analyseergebnisse hervorbringen. Dieses Feature bietet Kunden wie Airbus einen wahren Wettbewerbsvorteil bei der Offline-Testverarbeitung. „Wir haben festgestellt, dass das exponentielle Fenster für Kreuzkorrelationsberechnungen ein gutes Werkzeug gegen Rauschen in unseren Daten während des Fluges war. Und die Validierungs-Tools, wie Korrelationsgrade, MAC Matrix, Schwingungsformkomplexität (MPD und MPC Kriterien) sind mit Blick auf die Echtzeit-Identifizierungen während der Flatter-Tests sehr gut geeignet,“ betont Miquel Angel Oliver Escandell, Mitglied des Airbus Flatter-Teams.
Im Rahmen des Vergleichstests verwendete das Flatter-Team von Airbus LMS PolyMAX während der Sinussweepanregung des Flugzeugs. Die Ergebnisse bei der Verwendung eines Exponentialfensters von 5% sind gut und liefern neben einer hohen Korrelation in der Synthese (98% bei der Verwendung von lediglich zwei Referenzen) auch klare Stabilisierungsdiagramme. Nicht zuletzt deswegen waren die Experten von Airbus auch sehr beeindruckt von den Ergebnissen der Flatteranalyse sowie der Art und Weise, wie die LMS Test.Lab Software die Schwierigkeiten bei der Verarbeitung der riesigen Menge an Flugdaten des Airbus A380 während der Offline-Analyse handhabt.
Das hinter dem Projekt stehende technische Ziel war der Vergleich der klassischen experimentellen Modalanalyse (EMA) mit der LMS Test.Lab Betriebs-Modalanalyse [Operational Modal Analysis (OMA)]. Bei der klassischen EMA werden aus der Steuerflächenerregung und den Antwortsignalen des Flugzeugs die Frequenzgangfunktionen (FRFs) berechnet. Während des eigentlichen Fluges gibt es weitere Anregungen, wie zum Beispiel Turbulenzen. Manchmal führt dies zu verrauschten FRF. So empfängt beispielsweise ein Sensor am Flugzeugheck einen begrenzten Beitrag von der Flügelerregung. Daher kam die Idee auf, das Erregungssignal zu vernachlässigen und stattdessen für die Beschleunigungssignale am Flugzeug OMA anzuwenden.
„Wir haben tatsächlich mit OMA bessere Ergebnisse erzielt als mit der klassischen Methode EMA. Wir fanden mehr Schwingungsmoden. Die Synthese war besser bei einer höheren Korrelation und weniger Fehlern. Und die Schwingungsformen während des Fluges sahen viel besser aus. Dies war einerseits auf die Anzahl an Sensoren zurückzuführen, die wir verwendet haben, andererseits aber auch auf OMA Fähigkeiten von LMS Test.Lab,” zieht Jean Roubertier ein positives Fazit.
LMS Deutschland, München www.lmsdeutschland.de
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