La tecnología tardó décadas en ponerse al día con las matemáticas que David Smallwood resolvió para controlar los agitadores de mesa de vibración.
Smallwood, un investigador retirado de Sandia National Laboratories que consulta en los laboratorios, sabía que sacudir en todas las direcciones a la vez era la clave para las pruebas realistas de piezas. Ahora Sandia está poniendo a prueba los algoritmos que desarrolló hace más de 30 años.componentes de armas nucleares.
Las máquinas de vibración son cruciales para probar las fuerzas que hacen que las cosas se desmoronen en el mundo real lleno de baches, desde pequeños componentes hasta sistemas completos como aviones o armas nucleares. Las máquinas son importantes para las industrias aeroespacial y automotriz, y han estado en uso desdesu invención en Alemania a fines de la década de 1920.
Las máquinas de vibración grandes y de alta frecuencia que sacuden cosas en varias direcciones simultáneamente son relativamente nuevas. Los algoritmos de Smallwood las hicieron posibles, junto con desarrollos en controles digitales, sensores sofisticados, computadoras más rápidas con más memoria y mejores diseños mecánicos.
La máquina de vibración estándar tiene un solo eje que sacude las cosas en una dirección a la vez. Pero las partes a veces fallan cuando el mundo real las rebota desde múltiples direcciones: este-oeste, norte-sur, arriba y abajo y rotaciones a lo largo de cada una de ellas.esos ejes, lo que se conoce como seis grados de libertad o 6DOF.
"Si lo probó en cada dirección por separado, podría obtener un tipo de falla totalmente diferente", dijo Davinia Rizzo, ingeniera de sistemas de Sandia, parte de un equipo que trabaja en las especificaciones de prueba para una gran máquina de vibración 6DOF de alta frecuencia instalada en Sandiael año pasado, uno de los dos únicos en los EE. UU.
Piense en 6DOF y eje único en el contexto del ejercicio de acariciar su cabeza y frotar su estómago para los niños. Todos pueden acariciar su cabeza o frotar sus estómagos por separado ". Pero cuando los combina, descubreuna falla no detectada: no pueden hacer uno u otro o el tiempo está apagado o se frotan la cabeza y acarician el estómago ", dijo Rizzo." Es lo mismo con un solo eje y 6DOF. Te mueves en una dirección yla unidad de prueba parece estar bien. Te mueves en la otra y parece estar bien. Pero cuando mueves todas las direcciones a la vez, descubres un problema. Hemos demostrado este comportamiento en el laboratorio ".
6DOF podría revolucionar las pruebas
Sandia quiere usar 6DOF para calificar componentes de armas y revolucionar la forma en que realiza las pruebas mecánicas. Mejores pruebas podrían descubrir caminos actualmente desconocidos para fallar y reducir el tiempo y el costo de las pruebas
"Estamos imitando viajes en aviones, [en] cohetes o en la parte trasera de un camión para asegurar que los componentes o sistemas que estamos probando van a sobrevivir a su entorno antes de volarlos", dijo Kevin Cross, quien está ena cargo del laboratorio de vibraciones de Sandia. "Es una de nuestras herramientas para probar los estándares de confiabilidad que tenemos que cumplir para nuestros componentes".
Smallwood, quien comenzó a hacer pruebas de vibración hace cinco décadas en White Sands Missile Range como estudiante universitario de la Universidad Estatal de Nuevo México, dijo que los investigadores reconocieron hace mucho tiempo que las pruebas de vibración de un solo eje no eran suficientes. "No representaba el mundo real".dijo Smallwood, quien consulta con el equipo 6DOF.
La sacudida multieje fue el objetivo desde los primeros días de las pruebas. Norman Hunter, otro consultor del equipo, trabajó en los esfuerzos pioneros de Sandia a fines de la década de 1960 y principios de la década de 1970 para ejecutar dos agitadores simultáneamente usando controles analógicos.
Eso no funcionó a frecuencias más altas. "Las cosas se desmoronaron", dijo Smallwood. "Solía bromear que Norm se sentaba allí con su mano en el botón de aborto para que cuando el sistema se volviera inestable pudiera detenerlo"."
Smallwood desarrolló algoritmos innovadores
Los investigadores de Sandia comenzaron a explorar las primeras versiones de los controladores digitales. En 1978, Smallwood desarrolló algoritmos que describen el control digital de la vibración en múltiples agitadores, la primera publicación de las matemáticas necesitaba hacer eso. Su concepto sigue siendo la base de los controladores de vibración multieje de hoy en día.
El avance se produjo cuando descubrió cómo derivar múltiples señales correlacionadas o parcialmente correlacionadas en tiempo real. "Eso es lo que tuvimos que hacer para un sistema de control para un agitador", dijo Smallwood. "No se puede sacar algo,espere para hacer algunos cálculos y luego apague algo más. El sistema insiste en que tiene salida continua "
Sandia construyó un sistema a principios de la década de 1980 para manejar dos agitadores controlados digitalmente. Funcionó, pero no era práctico porque las computadoras de la época eran demasiado lentas.
Team Corp., con sede en Seattle, ideó un diseño de agitador 6DOF hace aproximadamente una década. "Lo miré y dije: 'Eso podría funcionar realmente'", recordó Smallwood. La compañía construyó una pequeña máquina 6DOF como demostración yherramienta de investigación. Después de recibir comentarios, desarrolló su gran máquina 6DOF, capaz de probar artículos de hasta 50 libras.
La máquina tiene 12 agitadores electrodinámicos en forma de barril, cuatro a cada lado para los ejes horizontal X e Y y cuatro debajo para el eje Z o vertical. El uso de varios agitadores juntos en diferentes configuraciones logra rotaciones alrededor de cada eje.Los agitadores, que ejercen 4.000 libras de fuerza por eje, conducen un bloque rectangular de 30 por 30 por 14 pulgadas en el centro donde se encuentra una pieza de prueba.
La máquina está diseñada para pruebas de nivel de componente o subsistema. No tiene suficiente fuerza para artículos muy grandes, y aumenta en lugar de reemplazar a los agitadores de eje único más grandes de Sandia. Las máquinas de eje único realizan pruebas separadas en ejes individuales ylos experimentadores combinan esos para llegar a resultados de dirección múltiple.
La nueva tecnología trae nuevos desafíos
La novedad de 6DOF plantea desafíos. "Hay muchas preguntas sobre cómo usar 6DOF en nuestra filosofía de prueba, qué usar para las especificaciones y cómo controlar las máquinas 6DOF", dijo Rizzo. Ella es parte del equipo que estudia el manejo mínimo, un enfoque desarrollado por Smallwood.
"La idea detrás de la conducción mínima es que a la naturaleza le gustan las soluciones de energía mínima", dijo Smallwood. El equipo quiere encontrar las entradas mínimas necesarias para acelerar el sistema a los niveles requeridos en varias frecuencias ". La suposición es que esto está cerca dequé haría la naturaleza ", dijo." Estamos tratando de maximizar la capacidad del sistema agitador imitando la naturaleza ".
Hunter dijo que el desafío es replicar entornos del mundo real para múltiples direcciones y desarrollar especificaciones para un manejo mínimo. "Creo que también necesitamos aprender mucho sobre las peculiaridades de controlar estos múltiples grados de libertad simultáneamente. Todavía estamos bastantenuevo en eso ", dijo Hunter, quien pasó décadas haciendo pruebas de vibración en los laboratorios nacionales de Sandia y Los Alamos.
Sandia ha realizado dos pruebas experimentales 6DOF de componentes de armas nucleares, una para el B61-12 y otra para el W88 ALT alteración 370, dijo Laura Jacobs, líder de investigación 6DOF.
"Estas pruebas son una representación mucho mejor de lo que sucede en el campo para que podamos crear mejores modelos computacionales y podamos tener más confianza en nuestros diseños", dijo.
El sistema 6DOF es diferente a cualquier otro, por lo que requiere diferentes formas de especificar pruebas, a veces sin todos los datos necesarios del campo, dijo Jacobs. "Una gran parte de la preparación para la prueba es determinar lo que necesitamos, y luegocómo lograr lo que necesitamos "
Uso de modelos computacionales para ayudar a llenar los vacíos
Algunas pruebas de campo no se han realizado; otras no capturan todo lo que podría suceder. El equipo quiere determinar cómo ejecutar una prueba exitosa cuando carecen de información completa de la prueba de campo. Los miembros del equipo han recurrido al modelado computacional para descubrirde los datos existentes lo que las pruebas necesitan para lograr, dijo Jacobs.
Cross dijo que los investigadores han comenzado a combinar datos de pruebas de campo de los ejes X, Y y Z para pruebas direccionales simultáneas. Pero los datos rotacionales no existen, y sin ellos, nadie está seguro de cómo diseñar una prueba rotacional, dijo.
Aún así, dijo, "podemos probar que solo hacer tres ejes juntos es una mejor representación de un entorno del mundo real, incluso sin las rotaciones".
Los últimos estándares internacionales para las pruebas de vibración enumeran lo que Rizzo describe como un marcador de posición genérico para las pruebas multieje. "Al menos reconoce las pruebas multieje como un tipo aceptable de prueba que hacer, lo cual es un gran avance", dijo..
"Va a ser genial desarrollar esta capacidad y contar con la investigación y las matemáticas y la evidencia para demostrar cómo esto se asocia con las pruebas de un solo eje y nos lleva a una comprensión más rica", dijo Rizzo. Luego se ríe ".Hasta dentro de 50 años, cuando se les ocurra una nueva tecnología y volvamos a pasar por todo esto ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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