DE102008003086A1

DE102008003086A1 - Pyro-shock test implementing device for use in e.g. aerospace industry, has plates controlled by generator, where impulse wave is produced on plates by impulse on actuators, and impulse corresponds to characteristics of wave of pyro-shock

Info

Publication number: DE102008003086A1
Application number: DE102008003086A
Authority: DE
Inventors: Utz von Prof. Dr.-Ing. Wagner; Ulrik Dipl.-Ing. Strehlau; Wolfram Martens
Original assignee: ASTRO und FEINWERKTECHNIK ADLE; ASTRO- und FEINWERKTECHNIK ADLERSHOF GmbH
Current assignee: ASTRO und FEINWERKTECHNIK ADLE; ASTRO- und FEINWERKTECHNIK ADLERSHOF GmbH
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2008-01-03
Publication date: 2008-12-18

Abstract

The device has test specimen retaining plates (1) that are connected with electrically controllable piezoelectric reactors and are controlled by a signal generator. An impulse wave is produced on the plates by a defined voltage impulse on piezoelectric actuators (4, 5), where the voltage impulse corresponds to characteristics of the impulse wave of a pyro-shock. The piezoelectric actuators act with selectable electrical voltage characteristics, and are utilized as sensors for regulating control signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Pyroschocktests mit Hilfe von piezoelektrischen Aktoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a device for carrying out pyroshock tests with Help of piezoelectric actuators according to the preamble of the claim 1.

Unter Pyroschock versteht man die Impulsantwort einer Struktur gegenüber einer Belastung, die durch Zünden einer pyrotechnischen Vorrichtung (Sprengstoff oder Treibstoff) verursacht wird. Solche Pyroschocks kommen in der Luft- und Raumfahrt, aber auch bei neueren Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, z. B. beim Zünden von Airbags vor. In der Luft- und Raumfahrt werden solche Vorrichtungen zur Separation der Nutzlast von der Endstufe der Rakete, aber auch zum Entfalten, Ausklappen oder Absprengen diverser Komponenten eingesetzt. Pyrotechnische Hilfsmittel werden in der Luft- und Raumfahrt zur Trennung von Strukturelementen während des Fluges sehr verbreitet angewendet, weil sie relativ leicht zur Wirkung gebracht werden können (der Zündvorgang ist auch zeitlich sehr gut zu steuern). Die dabei auftretende mechanische Last ist aber auch eine wesentliche Ursache von Ausfällen.Under Pyroshock is the impulse response of a structure to a structure Strain caused by ignition a pyrotechnic device (explosive or fuel) is caused. Such pyro shocks come in aerospace, but also in recent applications in automotive engineering, z. B. when igniting of airbags in front. In aerospace such devices to separate the payload from the final stage of the rocket, as well used for unfolding, unfolding or blasting various components. Pyrotechnic aids are used in the aerospace industry Separation of structural elements during Of the flight very widely used, because they are relatively easy to Effect can be brought (the ignition process is also very good at timing). The occurring mechanical But load is also a major cause of breakdowns.

Pyroschocks sind durch eine große Höchstbeschleunigung, durch hochfrequente Anteile und eine zum Teil extrem kurze Lastdauer charakterisiert. Auf Grund dieser hohen Beschleunigung und der auftretenden hohen Frequenzen können Pyroschocks Schäden verursachen, die bis zum Versagen von Hardware-Komponenten führen können.Pyroschocks are by a big one Maximum acceleration, due to high-frequency components and a sometimes extremely short load duration characterized. Due to this high acceleration and the occurring high frequencies can Pyro shocks damage which can lead to failure of hardware components.

Es ist deshalb zur Sicherung der vollen Betriebsfähigkeit von Komponenten oder Strukturen erforderlich, umfangreiche Tests durchzuführen, die zum Aufzeigen möglicher Fehlerquellen (Resonanzen, Belastungsgrenzen, ...) dienen und die den Pyroschock und seine Auswirkungen auf die zu untersuchenden Baugruppen nachbilden sollen.It is therefore to ensure the full operability of components or Structures required to perform extensive testing, which led to Show possible Sources of error (resonances, load limits, ...) are used and the the pyro shock and its effects on the one being investigated To simulate assemblies.

Diesem Ziel dient die Durchführung von Pyroschocksimulationen. Dabei wird die Einwirkung der Explosionseinwirkung durch eine andere mechanische Last ersetzt, also simuliert.this Target serves to carry out of pyro shock simulations. At the same time the influence of the explosion effect becomes replaced by another mechanical load, so simulated.

Daher ist mit Pyroschocksimulation keine Simulation am Rechner an einem Modell gemeint, sondern der Ersatz der Explosionswirkung durch eine andere Einwirkung mit vergleichbarem Beschleunigungsverlauf.Therefore is with Pyroschocksimulation no simulation on the computer at one Model meant, but the replacement of the explosion effect by another Action with comparable acceleration course.

Diese Tests geschehen bisher durch Aufbringen einer stoßförmigen Anregung (z. B. durch einen Hammer- oder Pendelschlag) auf eine Platte, auf der der Prüfling montiert ist. Ziel des Verfahrens ist es, an einem Referenzpunkt auf der Platte, der in der Regel unmittelbar neben dem Prüfling liegt, einen Beschleunigungsverlauf mit zuvor festgelegten Eigenschaften zu erhalten. Wesentliche Eigenschaften dieses schockartigen Beschleunigungsverlaufs sind seine spektralen Eigenschaften (Frequenzinhalte), die maximal auftretende Beschleunigung und die Dauer der Einwirkung.These Tests have hitherto been done by applying a burst-like excitation (eg by a hammer or pendulum impact) on a plate the examinee is mounted. The aim of the procedure is to be at a reference point on the plate, which is usually located directly next to the examinee, an acceleration course with predefined properties to obtain. Essential features of this shock-like acceleration curve its spectral properties (frequency contents) are the maximum occurring acceleration and duration of action.

Diese Größen werden zuvor aus Messdaten realer Pyroschocks ermittelt und sollen nun am Prüfstand möglichst zuverlässig, vorhersagbar und reproduzierbar nachgebildet werden.These Become sizes previously determined from measured data of real pyroshocks and are now supposed to on the test bench preferably reliable, be simulated predictable and reproducible.

Nachteile des Standes der Technik:Disadvantages of the prior art:

Bei der Vorgehensweise nach dem Stand der Technik wird auf der Platte nach einer Stelle gesucht, auf der die gewünschten Eigenschaften des Beschleunigungsverlaufs näherungsweise realisiert werden. Dort wird dann der Referenzpunkt und benachbart der Prüfling platziert. Dabei bereitet die Wiederholbarkeit solcher Versuche große Probleme, da zum einen Unwägbarkeiten durch die Art der Anregung selber (Einleitung des Stoßes, zweifaches gleichartiges Schwingen des Pendels oder des Hammers) entstehen und zum anderen die Vorgehensweise des Suchens eines passenden Referenzpunktes durch bloßes Ausprobieren unbefriedigend ist. Diese Nachteile sollen durch die Verwendung piezokeramischer Aktoren zur Stoßanregung überwunden werden.at The prior art approach is on the plate searched for a location on which the desired properties of the acceleration curve approximately will be realized. There then becomes the reference point and adjacent the examinee placed. It prepares the repeatability of such attempts size Problems, because on the one hand imponderables by the nature of the stimulation itself (initiation of the thrust, twofold similar Swing of the pendulum or the hammer) arise and on the other the procedure of searching for a suitable reference point Sheer Trying out is unsatisfactory. These disadvantages are intended by the Use piezoceramic actuators are overcome for shock excitation.

Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:

Piezokeramische Aktoren zeichnen sich durch eine schnelle Ansteuerbarkeit und die Erzeugung hoher Kräfte bei kleinen Wegen aus. Die schnelle Ansteuerbarkeit und die Erzeugung hoher Kräfte sind gute Voraussetzungen, um bei der Pyroschocksimulation zum Einsatz zu kommen. Demgegenüber fallen die nur kleinen Wege weniger ins Gewicht, da die geforderten hohen Beschleunigungen bei hohen Frequenzen zu realisieren sind.Piezoceramic Actuators are characterized by a fast controllability and the Generation of high forces out at small ways. The fast controllability and generation high forces are good prerequisites to use in pyro shock simulation get. In contrast, fall the only small ways less significant, as the required high accelerations at high frequencies are to be realized.

Zur Erzeugung großer elektrischer Felder im Aktor bei moderaten Anregungsspannungen werden klassischerweise Stapelaktoren verwendet, die aus übereinander gestapelten Piezoplättchen mit dazwischen eingebrachten Elektroden bestehen. Eine solche Bauart ist für die geforderten Eigenschaften unabdingbar.to Generation big electric fields in the actuator at moderate excitation voltages are classically Stacking actuators used, consisting of stacked piezo plates with Intermediate electrodes exist. Such a design is for the required properties are essential.

Die bisherige Beschreibung legt es nahe, dass die reproduzierbare und vorhersagbare Durchführung von Pyroschocksimulationen deutlich erleichtert wird, wenn ein gut ansteuerbarer Aktor vorliegt. Die gute Ansteuerbarkeit der Piezoaktoren ist dabei durch das weitgehend frei wählbare elektrische Anregungssignal gegeben, während im Fall der Anregung durch einen Hammer- oder Pendelschlag die Fallhöhe, die Form der Oberflächen und die Materialien der Stoßpartner den Stoß- und den daraus resultierenden Beschleunigungsverlauf bestimmen. Die gute Reproduzierbarkeit von Tests mit Piezoaktoren ist durch die Reproduzierbarkeit des elektrischen Ansteuersignals des Aktors gegeben. Dagegen werden zwei exakt gleiche Schläge mit dem Hammerpendel nur in wesentlich schlechterer Näherung gelingen. Darüber hinaus können an der Platte, auf der sich das Testobjekt befindet, mehrere solcher Aktoren angebracht werden.The previous description suggests that the reproducible and predictable performance of pyro shock simulations is significantly facilitated if a well controllable actuator is present. The good controllability of the piezoelectric actuators is given by the largely freely selectable electrical excitation signal, while in the case of excitation by a hammer or pendulum the drop height, the shape of the surfaces and the materials of the collision partners the shock and the resulting resul determine the acceleration course. The good reproducibility of tests with piezo actuators is given by the reproducibility of the electrical drive signal of the actuator. In contrast, two exact same blows with the hammer pendulum succeed only in much worse approximation. In addition, several such actuators can be attached to the plate on which the test object is located.

Diese können nun in hohem Maße zeitsynchronisiert angesteuert werden (mit mehreren Hämmern kaum realisierbar), was die Ausbildung (vom Tester gewünschter) mehrdimensionaler Beschleunigungsverläufe und Verstärkungs- bzw. Auslöschungseffekte zur Folge hat. Die Vorhersagbarkeit der Versuche kann dadurch gesteigert werden, dass zunächst mittels Testsignalen des Aktors Übertragungseigenschaften der Struktur hin zum Messpunkt identifiziert werden können, und daraus das notwendige Erregungssignal für den gewünschten Beschleunigungsverlauf berechnet werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, durch die Messung des Stromverlaufs am Aktor während der Stoßeinleitung direkt ein Maß für die Antwort der Struktur zu erhalten und evtl. durch eine Regelung einzugreifen.These can now to a great extent time synchronized to be controlled (with several hammers hardly feasible), what the training (desired by the tester) multidimensional acceleration characteristics and amplification or extinguishing effects entails. The predictability of the experiments can be increased thereby be that first by means of test signals of the actuator transmission properties the structure can be identified towards the measuring point, and from this the necessary excitation signal for the desired acceleration course can be calculated. About that It is also possible by measuring the current flow at the actuator during the shock introduction directly a measure of the answer the structure and possibly intervene by a regulation.

Um eine Zerstörung des Aktors bei der Stoßeinleitung zu vermeiden, ist der Aktor in geeigneter Weise vorzuspannen.Around a destruction of the actuator at the shock introduction To avoid this, the actuator must be appropriately biased.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Im Rahmen der Qualifikationstests von Prüflingen (Geräten, Baugruppen oder Bauelementen) für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Kraftfahrzeugtechnik im Zusammenhang mit der Anwendung von pyrotechnischen Aktoren wird nachfolgend ein Prüfstandsaufbau beschrieben.in the Framework of the qualification tests of test objects (devices, assemblies or components) for the use in the aerospace and automotive engineering in connection with the application of pyrotechnic actuators Below is a test rig described.

Der Prüfstandsaufbau entsprechend 1 für die Simulation von Pyroschocks ist gekennzeichnet durch die Ankopplung eines oder mehrerer vorgespannter piezolelektrischer Stapelaktoren (4) und (5) an einer Aufnahmeplatte (1), auf der sich der Prüfling (2) und neben ihm der Referenzpunkt für die Beschleunigungsmessungen (3) befindet. Die Stapelaktoren (4) und (5) können zeitkoordiniert mit einem wählbaren elektrischen Spannungsverlauf beaufschlagt werden. Die Erzeugung der erforderlichen Spannungsimpulse mit der gewünschten Form und Dauer erfolgt vorteilhaft mit Hilfe eines programmierbaren Signalgenerators. Dabei kann die Eigenschaft des Piezoaktors gleichzeitig als Sensor zu dienen, für eine Regelung des elektrischen Anregungssignals genutzt werden.The test bench construction accordingly 1 for the simulation of pyro shocks is characterized by the coupling of one or more prestressed piezoelectric stack actuators ( 4 ) and ( 5 ) on a receiving plate ( 1 ) on which the examinee ( 2 ) and next to it the reference point for the acceleration measurements ( 3 ) is located. The stack actuators ( 4 ) and ( 5 ) can be acted upon time-coordinated with a selectable electrical voltage waveform. The generation of the required voltage pulses with the desired shape and duration is advantageously carried out with the aid of a programmable signal generator. In this case, the property of the piezoelectric actuator can simultaneously serve as a sensor, be used for a control of the electrical excitation signal.

Die notwendige mechanische Vorspannung des Aktors kann (wie in 1 skizziert) durch parallel angebrachte Gewindestangen, durch eine mechanische Verspannung mit der anderen Seite der Platte (zur Vermeidung unerwünschter paralleler Welleneinleitungen) oder durch eine Hydraulik, erfolgen.The necessary mechanical preload of the actuator can (as in 1 sketched) by parallel threaded rods, by a mechanical tension with the other side of the plate (to avoid unwanted parallel shaft discharges) or by a hydraulic, take place.

Claims

Apparatus for performing pyro shock tests with Help of piezoelectric actuators using at least one or more electrically controllable piezoelectric reactors, the one with the examinee receiving plate connected and controlled by a signal generator are characterized in that by a defined voltage pulse on the piezoelectric actuators a shock wave on the receiving plate produced in their essential properties of the shock wave of a Pyroschocks corresponds.

Device according to claim 1, characterized in that that piezoelectric stack actuators are used.

Device according to claim 2, characterized in that that the stack actuators time coordinated with a selectable electrical voltage profile are applied.

Device according to Claim 2 or 3, characterized the stack actuators while as sensors for the control of the drive signal can be used or the control with Help another sensor signal takes place.