خلاصه اختراع

طراحي و ساخت سيستم كاليبراسيون شش درجه آزادي جهت كاليبراسيون بالانس هاي چند مولفه اي نيرو و گشتاور براي اندازه گيري نيروها و گشتاورهاي هيدروديناميكي و ايروديناميكي وارده بر مدل هاي مقياس شده در تونل آب، باد و تانك كشش معمولا از بالانس هاي كرنش سنج چند مولفه اي استفاده مي شود. با در نظر گرفتن رابطه بين نيرو و سيگنال خروجي بالانس و استفاده از مدل هاي كاليبراسيون اندازه گيري مستقيم نيروها و گشتاورهاي وارد بر مدل فراهم مي شود. راهكار جمع آوري داده ها از يك بالانس نيرو گشتاور، كاليبراسيون دقيق و قابل تكرار است. در كاليبراسيون تركيب بارگذاري ها بايد مطابق با شرايط واقعي تست‌هاي تونل آب يا باد باشد. همواره در آزمون‌هاي تونل تركيب‌هاي پيچيده‌اي از مؤلفه هاي مختلف نيرو و گشتاور به وجود آمده و بايد بهترين انطباق بين داده‌هاي كاليبراسيون و نيروهاي اعمالي به مدل تحت شرايط واقعي به وجود آيد. بنابراين سيستم كاليبراسيون بايد توانايي ايجاد بارگذاري هاي متفاوت را داشته باشد. هدف از اين اختراع طراحي سيستم كاليبراسيوني است كه با حداقل اجزاي مكانيكي، قابليت انواع بارگذاري هاي تركيبي و خالص را در شش درجه آزادي، به صورت هم زمان و بدون نياز به چرخش بالانس، مطابق با نياز جدول بارگذاري كاليبراسيون دارا باشد. اين سيستم قابليت كاليبراسيون بالانس هاي نيرو گشتاور چند مؤلفه اي را دارا مي باشد، زمان و هزينه كاليبراسيون را كاهش و دقت آن را افزايش مي دهد. طراحي اين سيستم بر اساس اصول كاليبراسيون دستي و با استفاده از روش اعمال وزن مرده مي باشد.

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

در تونل آب مدار بسته، تونل باد و تانک کشش براي اندازه گيري نيروها و گشتاورهاي هیدرودینامیکی و ایرودینامیکی وارده بر مدل های مقیاس شده(اژدر، موشک ها، هواپیما، خودرو و…) معمولا از بالانس هاي کرنش سنج چند مولفه اي استفاده مي شود. این بالانس ها مرتبا با استفاده از بارگذاری استاتیکی کالیبره می شوند و عملکرد و دقت آن ها تا حدود زیادی به دستگاه و روش کالیبراسیون استفاده شده بستگی دارد. جهت اجرای تست های کالیبراسیون بالانس های نیرو گشتاور چند مؤلفه ای یک سیستم کالیبراسیون مورد نیاز است. کالیبراسیون برای تخمین نیروها و گشتاورها از ولتاژ خروجی هر سنسور، مورد نیاز می باشد. به وسیله ی بالانس شش مولفه ای کالیبره شده، اندازه گیری نیروها و گشتاورهای هیدرودینامیکی و ایرودینامیکی در تست های استاتیکی و دینامیکی با دقت بالایی امکان پذیر می شود. سیستم طراحی شده بستری برای ارتقای اندازه گیری نیروها و گشتاورهای وارده بر مدل های هیدرودینامیکی و ایرودینامیکی رونده ها فراهم می سازد. بهبود دقت اندازه گیری پارامترها باعث بهبود عملکرد، مانورپذیری و کنترل پذیری سیستم های هیدرودینامیکی و ایرودینامیکی می شوند. همچنین بر تسریع توسعه دانش در زمینه دریایی و هوایی در ارتباط با نیروها و گشتاور تأثیر فزاینده ای دارد.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

در کالیبراسیون سنسورها ترکیب بارگذاری ها باید مطابق با شرایط واقعی تست‌های تونل آب یا باد باشد. همواره در آزمون‌های تونل ترکیب‌های پیچیده‌ای از مؤلفه های مختلف نیرو و گشتاور به وجود آمده و سیستم باید به گونه ای باشد که بهترین انطباق بین داده‌های کالیبراسیون و نیروهای اعمالی به مدل تحت شرایط واقعی به وجود آید. سیستم های کالیبراسیون موجود را می توان بر اساس متدولوژی و زمان انجام آزمایش کالیبراسیون دسته بندی کرد. متدولوژی یک فاکتور در یک زمان(OFAT) به دلیل سادگی و درک ساده آن به طور گسترده به عنوان یک روش برای مهندسین بالانس پذیرفته شده است. بارگذاری در این سیستم ها به روش دستی انجام می گیرد. از معایب این سیستم ها فرایند پیچیده از نظر مکانیکی، حساس به شرایط آزمایشگاهی و نیاز به زمان طولانی حداقل سه تا چهار هفته برای بارگذاری می باشد. برای کاهش مدت زمان آزمایش روش های دستی، سیستم های کالیبراسیون اتوماتیک توسعه پیدا کرده اند. از مزیت های اصلی این سیستم ها جلوگیری از هدر رفتن توان اپراتور، کاهش زمان بارگذاری، اعمال بارهای ترکیبی می باشد اما از معایب این طرح می توان از افزایش خطاهای سیستماتیک و پیچیدگی سیستم از نظر مکانیکی، بی دقتی در تنظیم راستای بارگذاری نسبت به بالانس نام برد. برای غلبه بر معایب طولانی بودن مدت زمان آزمایش در سیستم های دستی و کاهش خطاهای سیستماتیک ناشی از پیچیدگی مکانیکی سیستم اتوماتیک، سیستم کالیبراسیون منفرد توسعه داده شد. در این سیستم برنامه سیستم کالیبراسیون اتوماتیک با روش طراحی آزمایش متدوال کوپل شده است. روش استفاده شده طرحی ترکیبی است که یک نوع روش پاسخ بهینه می باشد. اما قیدهای موجود در دستگاه موجود قابلیت اجرای روش های متفاوت طراحی آزمایش و امکان بارگذاری های منفرد و ترکیبی را محدود خواهد کرد . با استفاده از این سیستم اجرای تکینک طراحی آزمایش متداول(DOE) فراهم می شود. برخی از نرم افزارهای کاهش داده نمی‌‌توانند بار مرکب را متحمل شوند و در این مورد، برخی بارهای نیرو یا گشتاور خالص را باید اعمال کرد تا حساسیت اصلی هر جزء را به صورت جداگانه به دست آورد. بنابراین سیستم کالیبراسیون باید توانایی ایجاد بارگذاری های متفاوت را داشته باشد. هدف از این اختراع طراحی سیستم کالیبراسیونی است که توانایی ایجاد انواع بارگذاری های ترکیبی و خالص را در شش درجه آزادی دارا باشد. از اهداف دیگر این اختراع طراحی مکانیزمی با حداقل اجزای مکانیکی، قابلیت اعمال بار نیروها و ممان های مختلف به بالانس، به صورت هم زمان و بدون نیاز به چرخش بالانس، در نقطه بارهای مختلف مطابق با نیاز جدول بارگذاری کالیبراسیون می باشد. این سیستم زمان و هزینه کالیبراسیون را کاهش و دقت آن را افزایش می دهد.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

هدف از اختراع، طراحی سیستم کالیبراسیون شش درجه آزادی برای اجرای تست های کالیبراسیون بالانس های نیرو گشتاور چند مؤلفه ای، جهت اندازه گیری نیروها و گشتاورهای وارده بر مدل های هیدرودینامیکی در تست های مدلی استاتیکی و دینامیکی داخل تونل آب، باد و تانک کشش می باشد. این سیستم قابلیت کالیبراسیون بالانس های نیرو گشتاور چند مؤلفه ای شامل سه مؤلفه نیرو و سه مؤلفه گشتاور را دارا می باشد. با در نظر گرفتن رابطه بین نیرو و سیگنال خروجی بالانس و استفاده از مدل های کالیبراسیون اندازه گیری مستقیم نیروها و گشتاورهای وارد بر مدل در تونل آب یا باد فراهم می شود. راهکار جمع آوری داده¬ها از یک بالانس نیرو گشتاور، کالیبراسیون دقیق و قابل تکرار است. در کالیبراسیون ترکیب بارگذاری ها باید مطابق با شرایط واقعی تست‌های تونل آب یا باد باشد. همواره در آزمون‌های تونل ترکیب‌های پیچیده‌ای از مؤلفه های مختلف نیرو و گشتاور به وجود آمده و سیستم باید به گونه ای باشد که بهترین انطباق بین داده‌های کالیبراسیون و نیروهای اعمالی به مدل تحت شرایط واقعی به وجود آید. سیستم کالیبراسیون طراحی شده توانایی ایجاد انواع بارگذاری های ترکیبی و خالص را در شش درجه آزادی دارا می باشد.  برای یک بالانس چند مؤلفه‌ای تعیین پاسخ هر یک از مقاطع اندازه‌گیری در صفحه ابتدایی عملکردش و نیز نسبت به بارهایی که در صفحه‌های دیگر عمل می‌‌کنند ضروری است. هدف از طراحی سیستم کالیبراسیون تخمین حساسیت و عکس العمل است این عکس العمل ها تکرار پذیر هستند. سیستم طراحی شده با حداقل اجزای مکانیکی قابلیت اعمال بار نیروها و ممان های مختلف به بالانس، به صورت هم زمان و بدون نیاز به چرخش بالانس، در نقطه بارهای مختلف مطابق با نیاز جدول بارگذاری کالیبراسیون را دارا می باشد. این سیستم برای کالیبراسیون بالانس شش مؤلفه ای طراحی شده است که قابلیت اعمال بار در شش درجه آزادی را با در نظر گرفتن اصول و ملاحظات طراحی دارا می باشد. طراحی این سیستم بر اساس اصول کالیبراسیون دستی و با استفاده از روش اعمال وزن مرده برای بارگذاری انجام شده است. بالانس در انتهای تکیه گاهی خود از طریق استینگ به یک پایه نگهدارنده متصل شده است و به سر مدل بالانس، یک غلاف متصل می باشد. این غلاف نشان دهنده‌ی مدل درون تونل آب است که دستگاه محور مرجع بر روی آن قرار دارد. بارها با استفاده از وزنه های استاندارد دقیقا در راستای عمودی وارد می‌‌شوند و بنابراین مهم است که غلاف کالیبراسیون پس از هر بار تغییر در بارگذاری دوباره همراستا گردد. در هر بارگذاری نقطه مرجع بالانس و نقطه مرجع دستگاه کالیبراسیون باید یکی باشد، این کار برای نگه داشتن دستگاه محور مرجع در راستای بار انجام می‌‌شود. برای این همراستا سازی و قرارگیری بالانس در مرکز سیستم کالیبراسیون، همچنین برای حذف انحراف سیستم در اثر بارگذاری های ترکیبی یک مکانیزم تنظیم زاویه در سه جهت ممان رول، پیچ و جانبی ایجاد شده است. موقعیت و جهت دهی بالانس از طریق این پایه نگه دارنده تنظیم می‌‌شود. با استفاده از این سیستم اجرای تکینک طراحی آزمایش متداول(DOE) فراهم می شود.