Miért van rá szükség?
A partnereink által fejlesztett termékek, gépek, mérőberendezések vagy elektronikai panelek működésük során -sok egyéb mellett- dinamikai hatásoknak is ki vannak téve. Az autóiparban, vagy a védelmi iparban a dinamikai terhelésekkel szembeni ellenállóképességet leggyakrabban rázópadi tesztekkel ellenőrzik. Ahhoz, hogy egy alkatrész megfeleljen a szériakövetelményeknek, a teszteket objektív kritériumok szerint meghatározott mérőszámok alapján (pl. tönkremeneteli határciklusszám), vagy akár bármilyen mérhető károsodás nélkül kell tudniuk teljesíteni. A szükséges vizsgálatokat, azok peremfeltételeit és megfelelőségi kritériumait szabványok írják elő és ugyanezek foglalják össze a tesztek elvégzésének módját is. Ilyen szabványok például az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma által megalkotott MIL-STD-810H és MIL-STD-810G is, ugyanakkor léteznek a fejlesztők által készített, cégspecifikus, belső használatú szabványosított vizsgálati eljárások is. A dokumentumokban közös, hogy leírják azokat a szigorú környezetállósági kritériumokat és teszteket, többek között a dinamikai igénybevételekkel szemben támasztott követelményeket is, melyekkel a katonai, vagy polgári, kereskedelmi célú alkalmazásra szánt termékeket vizsgálni kell. Az autóiparban, vagy a konvencionális elektromos eszközök piacán is megtalálhatók ezek a szabványok, például az IEC 60068, amely a kereskedelmi forgalomba kerülő elektronikai alkatrészekkel szembeni elvárásokat fogja össze.
A következőkben a MIL-STD-810H és MIL-STD810G szabványokban található vizsgálati eljárások közül a mechanikai igénybevételt jelentő dinamikai teszteket foglaljuk összes és szót ejtünk a költségcsökkentési lehetőségekről is.
MIL-STD-810 (H / G)
A szabvány több, mint 20 laboratóriumi tesztet tartalmaz, amelyek többek között a hőmérséklet és hősokk, a páratartalom és víz, a nyomás, a por és homok, napsugárzás, jég, sóköd, gombásodás és mechanikai rezgés és ütés hatásait modellezik. Megfelelő közelítéssel az összes teszt virtualizálható, de a költség- és időráfordítás, a fizikai megfelelőség szempontjából leggyakrabban felmerülő problémák kapcsán a mechanikai hatások szimulációval történő modellezése a legcélszerűbb. Ezek a sokkszerű mechanikai igénybevételek származhatnak például az alkatrész leejtéséből vagy ütközéséből, a szinuszos vibráció, vagy sztochasztikus jellegű igénybevételek pedig a közlekedés, szállítás vagy felhasználás, bevetés során merülhetnek fel. Jó példák erre járműre szerelt megfigyelőállomások, fegyverrendszerek, elektronikai zavaró berendezések, melyek mindegyikének teljesítenie kell a szabvány által előírt teszteket, ha tanúsított terméket szeretnénk a portfóliókban tudni. Ahogy a legtöbb hasonló szabvány, a MIL-STD-810 is jórészt gyorsulásalapú terhelések segítségével közelíti a valós, fizikai terhelések hatásait, azoknál azonban magasabb igénybevételi szinten: a terhelési profilokban ugyanis közös, hogy rövidített teszteknek minősülnek; maximális értékeik korrekciós faktorokkal növelésre kerülnek, hogy futásidejük rövidítésével általuk az alkatrészekben okozott károsodás a felhasználási helyen várhatóan elszenvedett károsodással egyenértékű legyen, viszont sokkal rövidebb tesztidő alatt.
Vibrációs teszt – MIL-STD-810 „Method 514.6“
A vibrációs vizsgálat természetéből fakadóan sokféle lehet : állandó frekvenciájú és állandó amplitúdójú egyszerű szinuszos gerjesztés meghatározott igénybevételi számmal, ugyanez változó amplitúdóval, változó frekvenciájú és amplitúdójú, egyszerű szinuszos felfutás (frekvenciasöprés), vagy multiszinuszos, több, egymásra szuperponált komponens együtteseként adódó időbeli gerjesztés. Külön típust képez a spektrális sűrűségfüggvények (PSD, CSD) segítségével definiált sztochasztikus terhelések vizsgálata. A vibrációs tesztek taglalása alatt a továbbiakban ez utóbbit értjük : széles frekvenciatartományt lefedve egyaránt alkalmas útgerjesztés alacsonyfrekvenciás hatásait vizsgálni, mint keskeny frekvenciasávú, magasabb tartománybeli célzott vizsgálatokat elvégezni.
A szabvány alapvetően egy már elkészült termék vagy még fejlesztés alatt lévő prototípus megfelelőségének ellenőrzésére szolgál, választ próbált találni arra a kérdésre, hogy a tesztelt eszköz kibírja-e a teljes tervezett életciklusa során várhatóan fellépő -akár korábbi mérésekből levezetett, vagy tapasztalati értékek segítségével korrigált profilú- lengő igénybevételeket. A vibráció által okozott tönkremenetel megjelenési formája sokrétű lehet, ilyenek például:
– fáradásos törés
– csavarok kilazulása
– kábelek kidörzsölődése
– elektromos kontakthibák, forrasztások repedése
– tömítések deformációja, tömítetlenség, stb.
Mérnöki szempontból nem feltétlenül a gerjesztőspektrumból származó legnagyobb gyorsulás a legveszélyesebb, hanem az, amikor a gerjesztőprofil domináns értéke találkozik a szerkezet vagy alkatrész valamelyik releváns sajátfrekvenciával. A MIL-STD-810 szabvány szerint a termékeket a jövőbeni alkalmazási területük és a várható vibrációs környezettől függően ezért eltérő vibrációs profilokkal kell tesztelni, például:
– teherautón szállított berendezés
– katonai járműre szerelt elektronika
– repülőgépre szerelt eszköz
– helikopter
– rakéta
– vasúti berendezés
Rázópad – kvalitest.com
A vizsgálni kívánt frekvenciatartomány és a tesztalany dimenzióitól függően hidraulikus, vagy elektrodinamikus rázópadra rögzítik az alkatrészt, alkatrészcsoportot. A teszt törtéhet passzív, vagy aktív üzemben is, utóbbi esetben a tesztalany funkcióbiztosítása is megvalósul, ellenőrizhető például, hogy megszakad-e az elektromos vezérlőjele, történik-e a szoftverében újraindulás, változik-e a kimeneti jelszint, vagy funkcióhiba, túlmelegedés, stb. lép-e esetleg fel. A mérés során a próbapadot és a tesztalanyt is szenzorokkal látják el, ezek alapvetően mérőszenzorok, vagy kontrollszenzorok lehetnek. Előbbiek feladata a kivezérelt vizsgálati jelszintek (elsősorban gyorsulásamplitúdók az idő függvényében) ellenőrzése különböző mérőpontokon, utóbbiak beavatkozófunkcióval is rendelkeznek : jellemzően a vizsgált alkatrészek lengés és tönkremenetel szempontjából kitüntetett területeire kerülnek, mért értékeiket pedig felhasználja a rázópad szoftvere a rázópad-asztalra kivezérelt gerjesztőjel korrekciójához. A cél mindig az, hogy a mérőszenzorok helyén a kívánt és előírt vizsgálati profil terhelje az alkatrészt.
A mérések kiértékelése történhet egyszerű szemrevételezéssel, fizikai sérüléseket keresve az alkatrészeken, vagy előírt funkcióstesztek, paramétertesztek végrehajtásával, ahol jellemzően a láthatatlan hibák, pl. elektromos szakadások felderítése a cél.
Sokkteszt – MIL-STD-810 „Method 516.8”
Ez a vizsgálati módszer a mechanikai ütés és további lökésszerű terhelések vizsgálatára szolgál. Míg a vibrációs tesztnél a termék hosszabb, de jól meghatározott időn keresztül folyamatos, változó amplitúdójú és frekvenciájú rezgésnek van kitéve a spektrális sűrűségfüggvény, mint gerjesztőprofil időbeli konverziója révén, a sokkteszt során egy rövid periódusidejű, nagy amplitúdójú tranziens esemény terheli a tesztalanyt. Ilyen tipikus jelenség lehet például:
– leejtés
– jármű kátyúba hajtása
– rakomány ütődése
– katonai jármű ütközése
– repülőgép leszállása
– katapultindítás, stb.
Bár a szabvány szerint a mechanikai sokk jellemzően legfeljebb 1 s időtartamú és legfeljebb kb. 10 kHz frekvenciatartalmú esemény, a legtöbb lényeges strukturális válasz jórészt 3-4 kHz alatti frekvenciaösszetevőkből áll és jellemzően 0,1 s alatt, sok esetben pedig a milliszekundomos tartományban lezajlik.
Látható, hogy sokkteszt során nagy energiájú, de igen rövid impulzusokkal terheljük a vizsgálat tárgyát. Ebből kifolyólag a vibrációs tesztnél alkalmazott, sok esetben akár zajszerű összetevőket is tartalmazó, széles frekvenciatartományú auto- és keresztspektrális
sűrűségfüggvények gerjesztési célra jelen esetben nem alkalmasak – a sokktesztek profilja egy domináns frekvenciaösszetevőből áll, jól meghatározott periódusidővel. Néha, a rázópad armatúrájának védelme és a nem kívánt gyorsulási túllövések elkerülésének érdekében, kisebb amplitúdójú és nagyobb periódusidejű elő- és utósokk is alkalmazható a fősokk terhelése előtt és után. Alkalmazási céltól függően a szabvány előír félszinusz, fűrészfog, vagy trapéz alakú gerjesztést is, közös azonban bennük, hogy mindegyikük közvetlenül gyorsulásamplitúdó – idő függvény.
A vibrációs teszthez hasonlóan az alkalmazási területtől függően eltérő tesztkörnyezetben kell sokkvizsgálatokat megvalósítani, melyek magát a profilt is meghatározzák :
– funkcionális sokk : a szerkezet tervezett működése közben ható maximális mechanikai impulzusterhelés vizsgálata, funkcióstesztek mellett
– szállítási sokk: a szállítás során fellépő terheléseket alapvetően fűrészjellel vizsgáló teszttípus. Markánsan elkülönül off-road és on-road terhelésre, a felhasználás típusától függően.
– törékenységi teszt : maximálisan elviselhető, terhelési határállapotot kereső vizsgálati forma, pl. elektronikai alkatrészek esetén
– ejtési teszt : a berendezést egy meghatározott magasságból beton vagy acél felületre leejtő tönkremeneteli vizsgálat. A teszt végkimenetelét tekintve elsőrendű, hogy milyen felületre történik a leejtés, a gerjesztőprofilból adódó eltérések miatt a szabvány ezzel külön is foglalkozik.
A vibrációs teszt kiértékeléséhez hasonlóan a szemrevételezés itt is elsődleges vizsgálati módszer, ugyanakkor a sok esetben kevésbé látható, vagy nehezebben detektálható elektronikus tönkremenetelek, szakadások vizsgálatához paramétertesztre is gyakrabban van szükség. Sőt, gyakran a szenzorok által rögzített kimeneti jelek, időfüggvények összehasonlító vizsgálata (pl. válasz-amplitúdóspektrum képzése, SRS (Schock Response Function) vizsgálata), eltéréseik detektálása is közvetett bizonyítékul szolgálhat a tesztalany megváltozott strukturális viselkedésére.
Miért előnyös ezeket a teszteket virtualizálni?
A rázópadi tesztek modern virtuális módszerekkel, végeselmes vizsgálatokkal nagy biztonsággal és megbízhatósággal leképezhetők, a valós vizsgálópadi folyamat digitális ikrét létrehozva. Kiemelendő, hogy a virtuális folyamat felépítésekor nem is maga az alkatrész áll a középpontban, vagy annak egy bizonyos tulajdonsága, hanem egy olyan moduláris, jól paraméterezhető és bővíthető virtuális struktúra, amely a MIL-STD szabvány által vizsgálható termékek közül gyakorlatilag bármelyik analízisére képes. Ez a tulajdonság óriási, egyes prototípusalkatrészek esetén akár 7-10-szeres idő- és költségmegtakarítási potenciált hordoz magában a fizikai vizsgálatokhoz képest. A virtuális vibrációs- és sokktesztek ugyanazon peremfeltételek mentén bármikor megismételhetőek, a fizikai tesztpad hatásai kizárhatók. Ugyanazon tesztalannyal is számos különböző, vagy összehasonlító vizsgálat végezhető (pl. anyagválasztások és tűrésláncok hatásai, „best case – worst case” vizsgálatok minimum- és maximumméretű alkatrészekkel és peremfeltételekkel, geometriai variánsok gyorstesztje, stb.) A virtuális tesztek az időben „megállíthatók”, a tönkremenetel tényén vagy indikátorán kívül az ahhoz vezető okok is jól analizálhatók és megjeleníthetők, sok esetben azonnali megoldást nyújtva a problémára. Megfelelő, objektív kijelentőképességű analízishez természetesen a korlátok ismerete is hozzátartozik: a modális alapú, linearizált rendszerválasz, vagy Palmgren-Miner féle károsodáshalmozódás pl. repedésterjedés vizsgálatát, vagy nemlineáris jelenségek analízisét (pl. tönkremeneteli folyamat előrehaladásával változó strukturális merevség) nem teszi lehetővé, ugyanakkor a korábban felsorolt előnyök bőven felülmúlják az esetenként szükséges elhanyagolások okozta hátrányokat.
Keressen minket bizalommal és szimulációk segítségével digitalizáljuk együtt a termékfejlesztést!