Airbus 350 và chứng nhận nhờ đo lường 3D quang học

Nhằm giảm trọng lượng và mức tiêu thụ nhiên liệu, ngành công nghiệp hàng không vũ trụ ngày càng ưu tiên sử dụng vật liệu nhẹ kết hợp với vật liệu mới. Đó là lý do tại sao toàn bộ thân máy bay Airbus A350 XWB sử dụng vật liệu composite sợi carbon (CFC). Máy bay đường dài đạt tỷ lệ CFC tổng cộng khoảng 53%. Ngoài ra, Airbus còn sử dụng các vật liệu như titan và hợp kim nhôm mới. Do đó, A350 tiêu thụ nhiên liệu ít hơn khoảng một phần tư so với máy bay được chế tạo thông thường và lượng khí thải CO2 có hại cho môi trường cũng được giảm tương ứng.

Đo lường quang học thay thế các phương pháp truyền thống

Tuy nhiên, sự kết hợp của vật liệu nhẹ với vật liệu mới phải đáp ứng các tiêu chuẩn cao về hiệu suất, độ an toàn và độ bền như các vật liệu truyền thống. Theo đó, các chi tiết được sản xuất từ vật liệu trên sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng. Bởi vậy, đo lường quang học ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.

Các hệ thống đo lường không tiếp xúc cung cấp dữ liệu 3D hình dạng của chi tiết cũng như các vị trí xê dịch và biến dạng. Các biến dạng tĩnh và động được xác định dựa trên các điểm riêng lẻ hoặc đo kiểm toàn diện. Dữ liệu đo lường tối ưu hóa quy trình mô phỏng và thiết kế, từ đó gia tăng độ an toàn cho máy bay.

Trước khi được cấp chứng chỉ, A350 phải trải qua các bài kiểm tra kỹ càng. Nhà cung cấp FACC của Airbus đã kiểm tra các thành phần và vật liệu composite sợi A350 tại trung tâm Thử nghiệm và Phòng thí nghiệm composite (CoLT), công ty con tại trụ sở của công ty ở St.Martin (Áo). Các cuộc kiểm tra chứng nhận winglet và wingtip vô cùng cẩn thận. Toàn bộ các thông số, với chiều dài hơn 6m đã được phân tích tĩnh và động trong một cơ sở thử nghiệm đặc biệt dưới tải trọng cực hạn trong một thời gian dài. Thử nghiệm cũng bao gồm khả năng chịu thiệt hại – những phân tích này là cần thiết vì thành phần chủ yếu bao gồm các vật liệu composite sợi với các kết nối kim loại.

Đo lường không tiếp xúc các xê dịch và biến dạng trên mô hình 3D

Các thử nghiệm chịu tải, độ bền và khả năng chịu va chấn đã cung cấp các thông tin về cơ tính cấu trúc của các chi tiết. Cùng với các kỹ thuật đo tiêu chuẩn, đây là lần đầu tiên công ty trực thuộc FACC tích hợp đầy đủ các cảm biến không tiếp xúc từ GOM trong hệ thống thử nghiệm. Không giống như các phương pháp thông thường như máy đo biến dạng, hai hệ thống PONTOS có thể ghi lại các xê dịch và biến dạng 3D của winglet.

Tổng cộng, mẫu quét có chiều dài 8m, cao 2m và rộng 3m – Khoảng 110 tấn thép đã được sử dụng trên giá thử nghiệm (dài 14m, cao 8m và rộng 10m). (Hình 1) Tải trọng đạt được với 15 xi lanh đẩy và kéo thủy lực servo, với lực được truyền bởi năm đòn chịu lực. hai cảm biến không tiếp xúc PONTOS đã đo các biến dạng động ở khoảng 220 điểm, với mỗi điểm được phân tích ba chiều theo hướng x, y và z. Ngoài ra, hơn 2000 kênh đồng bộ đo kiểm độ căng tĩnh, biến dạng, lực, áp suất và nhiệt độ (Hình 2).

Hình 1: Cánh nhỏ dài 8m, cao 2m và rộng 3m. Khoảng 110 tấn thép đã được sử dụng trên bệ thử nghiệm. FACC lần đầu tiên tích hợp đầy đủ các cảm biến không tiếp xúc từ GOM trong thiết lập thử nghiệm

 

Hình 2: Các cảm biến PONTOS đo các biến dạng động ở khoảng 220 điểm, mỗi điểm đều có thể phân tích ba chiều

Trên máy bay Airbus A350 thực tế, winglet và wingtip cùng các yếu tố bên trong chi tiết lắp ráp được cố định trên hộp cánh chính. Để phản ánh thực tế các điểm kết nối này và hoạt động của hộp cánh chính trong quá trình thử nghiệm, một hộp cánh giả đã được sử dụng. Nó được thiết kế đặc biệt cho thử nghiệm và tương đồng với hộp cánh thật về đặc tính vật liệu và kết nối của cánh nhỏ.

Hoàn thành phân tích 6DoF

Trong quá trình thử nghiệm cấu trúc, cấu kiện được tải tĩnh qua nhiều giai đoạn để mô phỏng tả trọng xảy ra trong quá trình bay. Bằng cách này, các kỹ sư thử nghiệm đã kiểm tra ba tình huống thực: lực xoắn tối đa và tải trọng lên xuống tối đa. Trong quá trình thử nghiệm độ bền, các kỹ sư đã áp dụng các cấu hình chuyến bay thực tế để phân tích hành vi của các chi tiết trong vòng đời của nó. Trong quá trình thử nghiệm độ bền, các hệ số tải trọng đã được áp dụng để tính đến sự thay đổi đặc tính vật liệu và sự gia tăng trọng lượng có thể xảy ra trong cấu kiện.

Đối với các bài kiểm tra khả năng chịu thiệt hại, cánh winglet đã được làm hỏng trước ở một số điểm nhất định. Bằng cách này, các kỹ sư thử nghiệm đã mô phỏng các lỗi sản xuất, cũng như thiệt hại do tác động của mưa đá và chim tấn công để phân tích chính xác các tác động lên hành vi của vật liệu và chi tiết khi chịu tải.

Không giống như các thiết bị đo lường thông thường như máy đo biến dạng và bộ chuyển đổi, hệ thống quan học như PONTOS xác định chuyển vị và biến dạng 3D đồng thời đo thêm cả tốc độ và gia tốc thực. Việc đánh giá dữ liệu dựa trên điểm cho phép phân tích 6DoF một cách đầy đủ. Bằng cách này, các kỹ sư thử nghiệm có thể thấy chính xác cánh winglet di chuyển trong không gian và tại điểm nào nó bị biến dạng đặc biệt (Hình 3). Hệ thống PONTOS có thể dễ dàng tích hợp vào thiết lập thử nghiệm, với các kiểm tra được xác định bằng cách đánh dấu điểm đo lường. Sử dụng một đầu dò cảm ứng quang học, có thể xác định các vị trí định danh và có thể đo các bộ điều hợp. 

Hình 3: Việc đánh giá dữ liệu dựa trên điểm cho phép phân tích 6DoF đầy đủ. Bằng cách này, các kỹ sư thử nghiệm có thể thấy chính xác cách winglet di chuyển trong không gian và tại điểm nào nó bị biến dạng đặc biệt.

Hình ảnh chiếc ngược của các vị trí đo biến dạng với ATOS

Với mô-đun phần mềm PONTOS Live mới, quá trình chạy thử nghiệm cũng có thể được đo trực tuyến, cho phép người dùng xem trực tiếp trong phần mềm những gì xảy ra trong quá trình thử nghiệm. Ngoài ra, dữ liệu đo có thể được giao tiếp với các chương trình khác thông qua giao diện kỹ thuật số và được xử lý trực tiếp. Nó có thể ghi và xử lú tín hiệu tương tự từ các thiết bị đo bên ngoài. Hệ thống đo quang học cũng sẽ đẩy nhanh quá trình thiết lập thử nghiệm.

Ví dụ, 200 vị trí đo biến dạng đã được xác định trước bởi các kỹ sư thử nghiệm của Airbus và CoLT, được đánh dấu và áp dụng cho bộ phận chỉ trong vòng một ngày làm việc. Để làm như vậy, công ty Westcam – nhà phân phối, cung cấp dịch vụ của GOM tại Áo, lần đầu tiên đo winglet và các chi tiết của nó bằng hệ thống đo quang học TRITOP, hệ thống này ghi lại tọa độ 3D của các vật thể. Sau khi dữ liệu đo được căn chỉnh với máy CAD, máy quét 3D ATOS thực hiện chiếu ngược lại các vị trí của máy đo 3D biến dạng (Hình 4). Trong quá trình này, cảm biến sẽ chiếu các vị trí trực tiếp lên winglet dựa trên các phép đo. Các vị trí được hiển thị dưới dạng các dữ liệu 3D trong phần mềm CAD. Nhân viên từ CoLT chỉ cần đánh dấu các điểm chính xác, giúp tiết kiệm thời gian đáng kể. Trước đó, việc xác định vị trí bằng các thước đo, bắt đầu từ các cạnh hoặc lỗ khoan là rất tốn công sức. Đối với các hình dạng đòi hỏi khắt khe, chẳng hạn như ở mặt trong của cạnh trước, việc định vị bằng các phương pháp thông thường là rất phức tạp do các vị trí bị uốn cong. Với GOM, việc đó có thể thực hiện được chỉ với một khoảng thời gian ngắn. Phép đo quang học cũng cho phép kiểm tra vị trí của các kích thước biến dạng. Chúng có thể được đo lại bằng máy đo quang TRITOP hoặc GOM Touch Probe cầm tay và so sánh với dữ liệu CAD.

Hình 4: Để tăng tốc thiết lập thử nghiệm, máy quét ATOS 3D thực hiện chiếu ngược các vị trí của máy đo biến dạng.

Đánh giá mô phỏng dựa trên dữ liệu đo lường 3D

Vật liệu nhẹ là một phần thiết yếu của ngành hàng không vũ trụ. Các đơn vị OEM và nhà cung cấp tương ứng cũng thử nghiệm kỹ lưỡng các vật liệu mới có thể đảm bảo hiệu suất, độ an toàn và độ bền của chúng. Hệ thống đo quang học có thể được tích hợp dễ dàng trên các giá đo khác nhau, đồng thời xác định các biến dạng tĩnh và động thông qua kiểm tra theo điểm và kiểm tra toàn bộ. Kết quả có ngay sau khi đo và có thể được hiển thị dưới dạng biểu đồ, video và hình ảnh dễ hiểu.

Một ứng dụng quan trọng trong đó dữ liệu đo lường 3D được sử dụng chính là đánh giá mô phỏng. Các phương tiện bay hiện đại cực kỳ phức tạp, vì vậy mọi thứ đều được mô phỏng với thực tế, dữ liệu đo lường 3D toàn diện là cần thiết thay vì chỉ một vài tín hiệu riêng lẻ. Kết quả cho phép người dùng xem xét và cải thiện các thông số mô phỏng, cũng như tối ưu hóa các quy trình thiết kế hiện tại và tương lai. Do đó, họ có thể giảm số lần chạy thử nghiệm tốn kèm, tăng tốc độ phát triển sản phẩm. Đồng thời, kết quả đo 3D cho phép rút ra kết luận về rủi ro an toàn, độ bền của bộ phận cũng như quá trình dão và lão hóa. Điều này không chỉ làm tăng độ an toàn mà còn tăng tuổi thọ của sản phẩm.

Trung tâm thử nghiệm và phòng thí nghiệm vật liệu tổng hợp CoLT

FACC Operations là một trong những công ty hàng đầu thế giới về thiết kế, phát triển và sản xuất các chi tiết, hệ thống composite gia cố sợi cho ngành hàng không. Phạm vi sản xuất bao gồm các bộ phận cấu trúc cho thân và cánh máy bay, đến các bộ phận động cơ, cabin chở khách cho máy bay thương mại, máy bay phản lực và trực thăng.

FACC là nhà cũng cấp cho tất cả các nhà sản xuất máy bay lớn, bao gồm Airbus, Boeing, Bombarder, Embraer, Sukhoi và COMAC, cũng như các nhà sản xuất động cơ và các nhà cung cấp của họ. Trung tâm Thử nghiệm và Phòng thí nghiệm Composites tại cơ sở của FACC ở St.Martin (Áo) đã bắt đầu hoạt động vào năm 2013. Nó cung cấp cho FACC một trong những cơ sở hiện đại nhất để phân tích, thử nghiệm và chứng nhận các bộ phận và vật liệu sợi composite.