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可重复实时沙尘模拟仿真装置
作者:Matt Grasson    来源:Aerospace Manufacturing and Design杂志
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可重复实时沙尘模拟仿真装置大力推进了最新试验标准的出台。

在1990年沙漠风暴冲突爆发时, 对能够抗击干旱沙漠环境恶劣影 响之耐用设备的需求变得极其明显。为了完成任务并确保人员安全,军用车辆、武器、飞机、计算机、无线电等所有设备均必须能够可靠地运行。在随后的岁月里,当询问军队人员在干旱环境中运作的最大挑战是什么时,他们总是回答:“沙尘,到处都是沙尘。”

在规划作战准备时,对武装部队而言,在沙漠气候条件下设备的运行功能成为最为重要的一个必备条件。随着军事和商业运行的全球化扩展,今天,该必备条件甚而更加普及深入和无处不在。

因为为冲突提供支援的早期设备供应商没有试验和模拟仿真标准对其产品进行评估,所以美国陆军草拟了军用标准(MIL-STD-810),确定试验箱测试方法,这些方法复制,而不是模仿设备的环境影响效果。那个时候已有的技术和经验只能捕获所述浓度误差范围在±70%的数据。结果,通过试验室沙尘测试的设备在战场出现了故障,这种状况一直延续至今。

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空气动力工业系统公司(Air Dynamics Industrial Systems Corporation)最近推出的一种技术解决了过去测试中存在的很多局限性问题。沙漠风吹沙尘环境模拟仿真器(Desert Wind Blowing Sand and Dust Environmental Simulator)在单一试验箱里可重复实时测试了两种元素的效果,将±70%的误差范围降低至±5%。这种设备能在现场预测风吹沙尘对设备耐用性的影响,给军队、政府和工业界带来前所未有的效益。

空气动力公司总裁Daniel Lehman是美国空军的一位老兵,在混合惯性和雷达导航系统安装和维护以及商用小型和微型计算机硬件和软件集成整合方面具有丰富专业知识,他说,“沙漠风吹沙尘环境模拟仿真器是多种核心技术的集成整合,是依据从事空气和材料输送20多年的经验,从一张白纸开始进行设计而发展起来的。我们采用基于目标的概念,运用航空航天局和波音公司一样解决复杂数学计算的科学软件,白手起家地解决问题。”

对先进模拟仿真技术的需求由来已久。先前所做的努力存在许多瑕疵:

◆不能提供业经验证的颗粒浓度
◆没有相邻实时记录数据输出
◆没有单一试验箱,对飞扬沙尘两者进行试验
◆没有工业卫生系统保护操作人员免受硅尘暴露的危害
◆在肮脏空气流中,存在工艺流程组份的维护保养问题:由于试验箱设计结构问题,用于确定浓度数据之光学透镜会变得模糊,在超浓度颗粒聚集在一起时,会引入更多变量。
由于这些及其他一些原因,加上缺乏实用技术,颗粒浓度测试结果达到了±70%的误差范围。

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解决这些问题,沙漠风技术采取了下列各种措施:

◆温度高达200°F/93℃的重复可控环境
◆NIST校验过的仪器仪表
◆对温度、速度、浓度和湿度的自动化控制
◆配备有实时输出的业经验证的可重复浓度供给系统
◆所有试验参数的数据记录和报告
◆用于保护用户的集成工业卫生系统
◆无损沙粒输送
◆保护工艺组份免受磨损和污染

这些改进措施使得预测性试验和评估获得更好效果。借助于自己在污染控制、工业真空、环境空气输送系统等方面的专有技术,空气动力技术公司模拟仿真可控环境条件。他们可在风速为65英里/小时以及极端温度和湿度状态下,对沙尘标本各个方面的吹扬效果进行试验。对这种技术的需要是如此之迫切,沙漠风系统已经被美国的克莱恩海军水上作战中心和加拿大的宇航技术中心所采用。阿拉巴马州红石市的美国陆军是下一家使用定制沙漠风系统的单位。

是什么使得这种技术如此独特,而且比过去20年里试用过的其他方法更加有效?早期沙尘试验方法依赖于使用尾随低飞直升飞机的车队模拟仿真沙漠状况,并以手写核对清单对数据进行解释 ;与此不同,沙漠风技术依赖于先进计算机技术、专有软件和专利待批的硬件。这种技术是完全自动化的,隔热保护和自给自足的。用户可对温度、浓度、湿度和速度整定值进行选择,这些参数的调整是分立式的。从计算机输出可捕获数据和精确记录数据。因为复制精确气候状态的所有参数均由计算机控制,因此,在相同条件下进行的相同试验可以始终如一地进行重复,以便识别故障趋势,预测产品可靠性,或预测产品的平均故障时间(MTBF)。

标本不在先前使用的试验箱内在可变状态下进行试验,在此种试验箱内, 模糊不清的光学透镜或不现实的浓度、不均匀的颗粒分布或在传统短环配置条件下移动的颗粒团等都会对试验效果产生影响。沙漠风系统采用可控环境,技术没有局限;这种系统可给试验和模拟仿真业界提供先进功能,围绕着工业平台进行构建,平台设计可进行许多年的重复性科学试验。

让其有效工作

一旦将拟进行试验的设备放置到试验箱内,就会通过操作人员受到保护的自动化装载系统引入气候性材料。可编程逻辑控制器(PLC)利用特殊专用软件对颗粒浓度、空气速度、温度和湿度等各种变量进行控制。分立和模拟仪器输出实时捕获到的数据,将其转换成数字格式,每隔几秒钟记录一次。质量-时间程序顺序可以绘制出每秒钟的试验进度图表,对各种变量进行调整,产生预期效果。

在制造从宇航部件、航天器、导弹和武器到太阳能面板部件、直升机转子叶片及蜂窝电话设备等多种军用和商用产品方面,这种可预期性非常有用。

Lehman解释说 :“由于取消了扭曲试验结果的变量,沙漠风技术模拟仿真高温控制下的沙尘环境。系统提供先进模拟仿真平台,平台被用于测试制造出来而将被置于沙漠环境中的零部件,与此同时,消除了各种变量。”

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这种经过强化的功能创造了机会,对现有美国军用标准(MIL-STD — 810G)进行升级换代,从而产生更加可靠的试验结果,而同时可更好地预测设备的实战性能。因为沙漠风技术的近乎完美的准确度和能精确测量和控制变量的能力,可以使用更加严格的规范对这些标准进行修改,以便能够设计出耐用、功能强大、寿命长的实战设备。

虽然试验的重点是标本抗击恶劣干旱气候的能力,但是,试验箱本身也需要进行保护,免受模拟恶劣环境的影响。其他系统的使用经验表明,连续摩擦运动和颗粒积聚会造成试验箱的磨损腐蚀。为了防止这种磨损腐蚀发生,沙漠风技术有一种内置废物去除设计,可保护试验箱免受气候模拟的磨损腐蚀。

耐用性和安全性

尽管设备的耐用性是主要考虑因素,但是,操作人员的安全也是关键的关注因素。来自试验样品磨损产生的金属粉尘常常是可燃的,如果不经常性地予以去除,会构成严重安全隐患。重复进行试验会在一段时间内产生一层一层的浓缩挥发性粉尘。这不仅增加发生爆炸隐患,而且会将操作人员暴露于试验过程中磨损腐蚀产生的如铬一类的有毒工业涂层中。

沙漠风技术采用完全独立的自动化材料装载、循环和废物处置系统来缓解这些安全隐患。在每次试验之后,采用内置工业真空去除已经使用过的材料,可减少爆炸风险。一套自动化的卫生通风系统可提供更加安全的工作环境,保护操作人员不会暴露于致癌性硅粉尘中。因为从开始到结束,整个工艺是封闭独立的,有毒物质从来不会进入工作场所,安全风险保持在最小限度内。

每套交钥匙的厂内沙漠风装置均为量身定制的,可容纳拟进行试验的设备;它可容纳全尺寸的装甲车,或者根据要求按比例将尺寸缩小到一个立方码大小。通过观察窗可在照明状态下的试验箱中看到实际在进行的试验。

沙漠风设计先进技术装置在发运之前已经在空气动力公司进行了完全的组装和校验,提供的内容包括环境空气污染、工业卫生、先进物料搬运、试验箱保护以及商业化可获得的零部件和分组件。这种系统被认为是低速的(达29米/秒),用于陆基设备。另外,还有高速(43,000fpm)动态翼型模拟仿真器,用于在动态配置上对全弦、短跨度翼型进行试验。

于具备自己的专有设计、计算机化的控制和数据收集、工业工程和内置安全零部件,沙漠风技术装置是新一代的环境试验设备。

迄今为止,还没有一种模拟仿真装置能够提供有关吹扬沙尘环境关键参数的实时记录输出。作为宇航技术中心创新和开发部主任,Stephane Carpentier解释说 :“沙漠风是我们发现的用于试验和校验实验室的最好技术。在宇航和军用部门范围内,我们将把这种技术用于创建零件开发和认证工艺。”

目前,宇航技术中心正在办理国际标准化组织接受沙漠风技术可重复性和可预测性的ISO-17025认证手续。这种认证将给喷气发动机一类的设备行业和制造商提供额外的优越性。
起初,空气动力公司的待批专利技术打算用于汽车、风力发电机、太阳能面板和宇航制造等行业里对军用设备和商用设备进行沙漠环境试验和认证。但是,Lehman很快就指出,这种试验箱最适合用于重型工业设备。较轻型的应用需要可以采用租赁已经安装的工业或政府设施上的沙漠风系统的时间来予以满足。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/5/2013)
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