RUAG: ICE no túnel aerodinâmico - Determinação da carga aerodinâmica em um túnel aerodinâmico

Geralmente, balanças de força e torque com strain gages (SG) são usadas para determinar cargas aerodinâmicas que agem em um objeto de teste em um ensaio de túnel aerodinâmico. Para este, o engenheiro de medição deseja, com frequência, um sistema de medição autônomo, flexível e móvel, com o qual ele possa adquirir, gravar e exibir as cargas na balança.

A determinação dos parâmetros aerodinâmicos do veículo em um ensaio de túnel aerodinâmico é exigido para a comprovação da segurança de veículos ferroviários diante de correntes de vento laterais. A regulamentação traz consigo exigências concernentes ao modelo, tecnologia de medição e implementação. Os dados de medição são válidos como componente da licença do veículo. Para implementar tais testes com alta precisão, reprodutibilidade e em grande parte independente da tecnologia de medição usada pelo operador do túnel aerodinâmico, a RUAG Aerospace, Emmen, na Suíça, desenvolveu um sistema a pedido da empresa alemã Deutsche Bahn AG, que consiste em uma balança com tecnologia strain gage, processamento de sinal, aquisição de dados e análise de valores de medição.

Este sistema pode ser configurado com vários modelos, fora e independentemente do túnel aerodinâmico. A balança é instalada no modelo, o que significa a garantia de braços de alavancas mais curtos e, com isso, uma determinação mais precisa do torque. Ao lado do túnel aerodinâmico precisa-se entrar apenas com os parâmetros mais importantes de operação e de configuração (pressão, ângulo, temperatura, umidade, anglo de ataque) para determinar os parâmetros aerodinâmicos requeridos.

Princípio de medição

Os strain gages são instalados em um circuito de ponte Wheatstone, nos elementos de medição da balança de túnel aerodinâmico usada. Sob a ação das cargas aerodinâmicas, os componentes com pontos de medição se deformam na região elástica, fazendo que as pontes de medição emitam um sinal  de tensão proporcional à força aplicada.

Dependendo do tipo de balança, até seis componentes de carga podem ser determinados (força Fx, Fy, Fz e torque Mx, My e Mz). Geralmente, estas balanças são também chamadas "balanças multi-componente". A relação entre o sinal elétrico de saída e as cargas aplicadas é estabelecida através da calibração da balança.

O sistema completo

As seguintes exigências funcionais são colocadas para o sistema completo:

  • Sistema de medição independente, consistindo de sensores
  • Processamento de sinal e análise dos valores de medição
  • Alta precisão, resolução e reprodutibilidade
  • Construção modular
  • Operação simples

Balanças de bloco RUAG Aerospace

Uma completa família de balanças de bloco foi desenvolvida ao longo de muitos anos na RUAG Aerospace. Elas cobrem uma ampla diversidade de casos de aplicação, no tocante à exigências relativas à geometria e carga. As balanças são caracterizadas por sua robustez, alta sensibilidade de medição e estabilidade a longo prazo.

O tipo "balança de bloco" consiste de uma placa de carga montada ao lado do túnel aerodinâmico, com sete vigas de flexão conectadas à suas peças correspondentes no modelo através de bastões articulados. Estes, têm a tarefa de, a medida do possível, transmitir forças sem interferências. Por esta razão, a balança não possui partes móveis, pois estas poderiam gerar efeitos de histerese provocados por fricção.

Amplificador de medição

As tarefas de alimentação do sensor, amplificação e condicionamento do sinal, bem como de comunicação com o computador, são implementadas pelo sistema amplificador de medição MGCplus. Com o desvio de linearidade definido do rack amplificador ML30BT os sinais esperados podem ser medidos na área operacional com a precisão de balança exigida de < 0,3%.

As pontes de medição na balança de bloco com strain gage são conectadas ao amplificador de frequência portadora através de um circuito de 6 fios isolado eletricamente. Para evitar um elo de terra (ground loop), a blindagem do cabo não pode ter nenhuma conexão com a balança. Um controle ótico e acústico de sobrecarga da balança está também integrado. Um valor limite de 80 % do valor total de um ponto de medição da balança é configurado para cada sinal de strain gage.

Software

A aplicação desenvolvida utiliza o software DIAdem da National Instruments como programa de avaliação e medição. A conexão dos dados com o sistema amplificador de medição MGCplus é realizada via Ethernet usando um driver HBM apropriado. Alternativamente, outros produtos podem ser usados.

Requisitos de software:

  • Controle de sequência para aquisição e processamento de dados
  • Aquisição de sinais de medição
  • Monitoramento acústico e ótico da balança-strain gage
  • Avaliação estatística de valores individuais
  • Processamento de sinais de medição
  • Visualização e armazenamento de dados
  • Construção modular

O assistente MGCplus é usado para configurar e parametrizar os canais de medição. Este assistente é parte integrante do pacote MGCplus e pode ser iniciado diretamente no DIAdem. O escalonamento de todos os sensores, incluido a balança, é implementado com as macros DIAdem. Somente os valores limite para o monitoramento da balança são configurados no assistente MGCplus.

Ensaio de túnel aerodinâmico

A figura1 (veja arquivo PDF) mostra o layout do ensaio na direção da corrente dentro do subsônico túnel aerodinâmico da RUAG Aerospace. O modelo - baseado na forma do sofisticado trem alemão ICE e com uma balança-strain gage interna - é fixado à um piso rotatório com dois suportes na região do chassi para simular a corrente lateral. Os cabos de medição da balança dirigem-se ao amplificador (localizado na cabine de medição) através dos suportes ocos.

Resultados de medição

A qualificação do novo sistema de medição aconteceu através da comparação com os valores de medição, adquiridos paralelamente, de uma balança externa. A figura 4 mostra, como exemplo, os coeficientes de força sobre o ângulo de ataque (pushing angle). As diferenças de ambos os sistemas encontram-se dentro das tolerâncias exigidas. Excelentes resultados foram obtidos no que concerne à histerese e simetria da corrente.

Conclusão

O sistema de medição aqui apresentado, consistindo de uma balança multi-componente da RUAG Aerospace, uma unidade amplificadora de medição  da HBM e o software apropriado, permite uma determinação muito precisa das forças e torques que ocorrem em um ensaio de túnel aerodinâmico. Como vantagens adicionais se revelam os controles de sobrecarga e de aderência integrados no sistema, bem como a possibilidade de se preparar o túnel aerodinâmico em um curto tempo. Este sistema de medição é também adequado para outras aplicações, nas quais cargas dinâmicas ou mesmo de impacto precisam ser determinadas.

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