PRODERA MODAL
ANALYSIS SYSTEMS |
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| Aircraft modal testing at VZLÚ |
| An upgraded system for modal tests used at the VZLÚ is briefly described. PRODERA's modified software for test control and VZLÚ's software for final data processing were successfully applied for modal tests of L-610G and L-159 aircraft. A method for evaluation of vibration mode shapes measured at an L-610G test is shown as an example. Investigation of dynamic characteristics of hydraulic actuators needs a special procedure. A solution used at VZLÚ is shown in this article. |
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| 1- Introduction |
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| 2- Experimental | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4- Example of Tests | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5- Conclusion | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1- Introduction | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The modal test is designed to
determine the modal parameters of a structure. In developing aircraft structures this
information is employed to verify or tune up analytical models needed for flutter
analysis, evaluation of structure modifications, flight test planning, and interpretation
of flight test results. The VZLÚ Modal Test Laboratory has been in operation since 1968. Since its foundation, it has been equipped with the PRODERA, a device developed originally by the French aerospace research centre O.N.E.R.A. to test the CONCORDE prototype aircraft. The facility and testing methodology were gradually modernised at VZLÚ. In 1997 a number of technical innovations were implemented and new methods to process results were introduced. The current state of the art is described in this paper.
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| 2- Experimental | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The number and type of modal test
equipment depends on the size and dynamic characteristics of the structure to be tested.
The system used at VZLÚ enables testing structures ranging from scale models up to the
size of small transport aircraft. Modal analysis system general flow chart is shown in
Figure 1.
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| Excitation | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The Modal Test
Laboratory has 37 exciters offering various force magnitudes, from 3 N to 2 000 N
amplitudes, which can be connected into eight-channel exciting circuits. The exciters are
electrodynamic types and together with amplifiers make a unique system ensuring a constant
amplitude of the force generated by the exciter, independent of the coil movement. The
exciting force variation may be sinusoidal, swept sinusoidal or have a shape of various
impulse types. In addition to the exciters, there is an impact hammer designed to test
small structural parts and a hydraulic vibration generator MTS (25 000 N).
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| Measurement | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Mini accelerometers (1 g) are used
for aircraft modal testing. 500 measuring channels with these transducers meet all
necessary requirements to measure mode shapes. A smaller number of other accelerometers
and displacement transducers for special applications is also available. The circuit is
fitted with amplifiers, voltmeters, filters and a twenty-channel oscilloscope for
"multilissajous" visualisation. The whole device is panel-built and mobile.
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| Test Control | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Two interconnected PC Pentium
computers are in operation during the modal test. One computer is a part of the testing
equipment and is designed for the test control and data acquisition and pre-processing.
The other computer processes simultaneously the values measured into a digital or graphic
form as required by the end-user. The testing equipment may work in three different modes : In the manual mode the operator has direct access to frequency and force control, the computer is out of operation, in the computer-aided mode, the operator controls directly the frequency and forces as in the manual mode, but the computer is used for data acquisition, display and storage of information on vibrating structures, in the computer-controlled mode the operator works on the computer giving it instructions on frequency, forces, measurement, data acquisition, processing and storage of results; the testing facility works as a computer peripheral unit.
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| 3- Software | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| P-WIN-MODAL® | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The basis of PRODERA's software consists
of newly developed procedures used in PRIN 85 systems. Some changes have been made to
allow for use of practical experience gained in performing lots of modal tests of aircraft
structures. Workers from the VZLÚ Modal Test Laboratory have also been engaged in the
software specification. The basic functions of the P-WIN-MODAL® are described
below. Test Preparation - data file formation a) Definition of testing equipment. The objective is to determine the characteristics of transducers and exciters with amplifiers to be used in the test and make a choice of twenty significant points (transducers) on the structure and eight connected exciters. The example in Figure 2 is a table with constants of exciters and amplifiers.
b) Definition of structure tested. The structure is represented by a matrix of nodal points with three co-ordinates each. One up to three transducers oriented in the axes of the co-ordinate system are associated with each nodal point. The example with definition of the structure by co-ordinates of nodal points is in Figure 3.
Visualisation of Structure Sinusoidal Vibration in Real Time a) Complex Response. The PC continuously reads the real and imaginary components of the twenty selected transducers, writes their values into a table and displays them in the complex plane. b) Visualisation of Mode Shape. The animated mode shape from real or imaginary components can be rolled or magnified. Any change in the excitation conditions (frequency, force) takes effect on the mode shape displayed. Frequency Responses in Ten Selected Points The purpose of this function is to quickly show the distribution of natural frequencies of the tested structure in the frequency range of interest. The excitation is multipoint, impulse-type, and the temporal signals or frequency responses of the complex components or magnitudes of the signal measured can be displayed. The illustration of frequency responses is in Figure 4.
Study of Modal Parameters a) Sinusoidal Excitation of Isolated Modes. To isolate a vibration mode, the operator can use 20 Lissajous patterns, real-time displayed complex components and vibration vectors from twenty points, and real-time animated vibration (imaginary or real components) of the whole structure. A structure linearity test will make it possible to select vibration levels at which modal parameter measurements are to be made. The modal parameters may be determined by the complex power method or by the method of forces in quadrature. Functions whose graphic representation indicate the quality of the result, form a part of the two methods. The shape of the investigated mode is recorded at the natural frequency. b) Frequency Response Functions
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| Structural Dynamics Toolbox Software working in the MATLAB environment has been designed as a system for combined use of experimental and analytical linear models of structures with a high modal density and non-proportional damping. A part of "Toolbox" is formed by methods to identify normal and complex modes from the FRF file as received from the multipoint input and output. |
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| MOPAR To make a final evaluation of modal test results, VZLÚ developed software for the following jobs :
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| 4- Examples of
Tests Modal Test of L-610G Aeroplane The L-610G is a high-wing monoplane with a T-shaped tail and a pressurised cabin powered by two General Electric turboprop engines. Maximum take-off mass with forty passengers is 15 000 kg. The test was intended to determine the effect of significant structural changes on aeroplane's modal characteristics and to obtain data to tune up an analytical finite-element model and also to carry out detailed investigation into flight control circuits in all failure-present conditions tolerated by the rules. During the test the aeroplane was standing on under-inflated tyres of the main landing gear, the nose fuselage was elastically suspended. Illustration of L-610G model test arrangement is shown in Figure on envelope. A total of 19 exciters were used for excitation, the response was measured in 280 points. The flap plays, which cause disturbing shocks and deteriorate measurement results, were eliminated by additional masses of 20 kg suspended on the trailing edges by soft rubber bundles. The additional mass natural frequency was less than 1 Hz and so it did not have to be considered in the aeroplane total weight. The rubber bundle stiffness was taken into account in making calculation corrections for additional masses and stiffness of exciters and transducers and for aeroplane suspension. The initial part of the test consisted in identification of the aeroplane natural frequencies. An important part of the test are FRFs from all 280 transducers measured as recorded in different configurations of swept sinusoidal excitation. The aeroplane modal parameters were investigated by the method of sinusoidal excitation of isolated normal modes (method of appropriated forces). Relative damping and generalised mass were measured by two techniques, the complex power method and the method of forces in quadrature. One problem of every modal test is evaluating the quality of received natural frequencies, generalised masses, damping and modal vectors. Factors influencing modal test results fall into three categories :
The disturbing effect of the factors mentioned above must be minimalised. After
measuring each mode the result must be evaluated immediately so as to clear up
uncertainties, if any, or repeat the measurement. At the L-610G test several criteria were
used for verification of linearity, effects of moving parts of the test equipment and
quality of natural modes isolation. Mode shapes were checked by their graphic
representation and also by verifying their orthogonality and by Modal
Assurance Criteria.
The hydraulic actuators dynamic characteristics are given by their dynamic stiffness Pj/xj on the output and transfer functions xj/xi between output and input. Measurement of actuators dynamic characteristics is slightly different from conventional tests of aircraft structures, it calls for different test facilities and methodology. The reason for this are specific properties of hydraulic actuators (non linearity) and requirements on the range of values measured (magnitude of exciting forces and frequency range of interest). Non Linearity There appears useful to use sinusoidal excitation at aircraft structural tests in order to achieve required accuracy, to better characterise the behaviour of a tested structure at various excitation levels, and to understand non linearity effects. Practical applications have swept sinusoidal forms over the frequency range of interest. The difference is in the type of excitation control : in the frequency range studied there is either a constant exciting force or a constant response amplitude. With the constant force sweeping, vibration amplitudes are big at natural frequencies, and small at the antiresonance region. In the course of measurement there appear natural frequencies shifts and damping changes due to non-linear behaviour of the structure. If the structure response has a constant amplitude in the whole swept sinusoidal frequency band, then the structural stiffness and damping properties will remain constant and the measured function will be "linearized" for the given amplitude even if the structure itself may be very non linear. Range of values to be measured When preparing the test, the magnitude of exciting forces is
very important. Relatively small exciting forces will be sufficient if the excited
amplitudes are near resonance regions. But if the dynamic stiffness or the constant
amplitude transfer function of the actuators output are to be recorded, then the exciting
forces in an antiresonance region may be many times higher than with excitation in natural
frequencies. The actuator's output is excited by forces whose amplitude amounts to
thousands of Newtons. The frequency range of interest begins from zero
level. The dynamic values measured should follow static values. Virtually it means to
start measuring frequencies for the order of tenths of Hertz.
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| 5- Conclusion The damage tolerant approach, new materials, complex configurations (various stores under wing) and upgraded flight control systems might influence the aircraft's aeroelastic stability and impose new requirements on experimental methods and modal tests. New techniques of modal tests and their analyses make the data acquisition and processing easier but at the same time call for a better knowledge of all the factors involved. References |
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| [1] Computer Controlled Modal Analysis
System PRINUP-PRODERA's Documentation [2] Balmes. E : Structural Dynamics Toolbox, Scientific Software Group - France, 1995 [3] Hlavatý , V.: MOPAR - A Software for Processing Modal Parameters from Experimental Data - VZLÚ ED Documentation N° 66/2230/98 [4] Cerný , O. : Confirmation of an Experimental Equipment for Modal Analysis and Diagnostics of Structures - Report VZLU R-2717/96 [5] Cerný , O., Hlavatý , V. : A Ground Vibration Test of the L-610G Type Aircraft - Report VZLÚ Z-3667/98 [6] Cerný , O.: A contribution to Modal Analysis Experimental Procedures of Aircraft Flight Control Non-linear Systems - VZLÚ ED Documentation N° 67/2230/98. |
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