CC BY
16
Секция «Проектирование машин и робототехника»
УДК 621.825.6-192
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕМБРАНЫ ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
С. П. Ереско, В. А. Зябликов, Е. В. Кукушкин*
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Проведен анализ изменения напряженно-деформированного состояния мембраны под воздействием переменного давления рабочей среды. На основе данных вычислительного эксперимента получены регрессионные зависимости деформации мембраны из различных материалов от скалярной величины давления. В результате получены значения конструктивно-режимных параметров, обеспечивающих минимальный уровень деформации мембраны, при достаточном информативном уровне ее деформации, не выходящим за пределы допустимых деформаций базы тензорезисторов.
Ключевые слова: мембрана, напряженно-деформированное состояние, нагружение давлением, тензорезистор.
NVESTIGATION OF THE STRESS-DEFORMED CONDITION OF THE PRESSURE MEASUREMENT SENSOR MEMBRANE
S. P. Eresko, V. A. Zyablikov, E. V. Kukushkin*
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
An analysis is made of the change in the stress-strain state of the membrane under the influence of a variable pressure of the working medium. Based on the data of the computational experiment, regression dependences of membrane deformation from various materials on the scalar pressure value were obtained. As a result, values of constructive-regime parameters providing a minimum level of deformation of the membrane are obtained, given a sufficient informative level of its deformation, which does not go beyond the permissible deformations of the base of strain gauges.
Keywords: membrane, stress-strain state, pressure loading, strain gage.
В задачу исследования входило усовершенствование измерительной системы лабораторного учебного стенда ГПС-01 [2], работающего в диапазоне давлений от 1 до 10 атм., путем проектирования и изготовления мембранного датчика измерения давления. Одним из элементов датчика измерения давления является мембрана, которая будет нагружена различными уровнями давления. Исходя из этого, возникает необходимость анализа напряженно-деформированного состояния мембраны на этапах проектирования, экспериментальных исследований [4]. Задача состоит в том, что бы выполнить расчет мембраны, которая должна работать в зоне упругих деформаций. Разработанная конструкция мембраны требует обоснованной конструкторской проработки и проведения прочностных расчетов, которые актуальнее всего выполнять с использованием САПР и пакетов конечно-элементного анализа. Подобная методика была выполнена авторами в работе [6], где исследовали конструкции составной унифицированной вилки карданной передачи. В работе [5] выполнен конечно-элементный анализ крестовин карданных шарниров неравных угловых скоростей. Поэтому исследования в области напряженно-деформированного состояния узлов пневматических систем является актуальными.
Исследование напряженно-деформированного состояния мембраны включает в себя следующие этапы:
1. Оценка прочностных характеристик мембраны (рис. 1) при нагружении давлением от 1 до 10 атм (от 69,24 до 692,4 Н).
Для проведения расчётов применяли библиотеку конечно-элементного анализа FEM системы КОМПАС-3D (компании «АСКОН», г. Санкт-Петербург), разработанную совместно с НТЦ «Автоматизированное проектирование машин» (г. Королёв).
Рис. 1. Конечно-элементный анализ мембраны
Этап оценки прочностных характеристик мембраны основан на анализе карт напряжений моделей с указанием локаций максимальной концентрации напряжений.
2. Исследования параметров проводились на основе методов регрессионного анализа, цель которого нахождение такого сочетания параметров размеров толщины мембраны Ь и давления р, при котором обеспечивается минимальные значения деформации мембраны при ее достаточной информативной способности. В результате проведенного регрессионного анализа получены регрессионные модели значения деформации мембраны для следующих материалов: АД0 (1), АД1 (2), стать 3сп (3), сталь 12Х18Н10Т (4):
М1 = 0,064 - 0,087• Ь + 0,062• р - 0,027 • Ь • р + 0,029• Ь2 - 0,003657• р2, (1)
М1 = 0,019 - 0,03 • Ь + 0,078 • р -0,035 • Ь • р + 0,011 • Ь2 - 0,003111- р2, (2)
М1 = 0,042 - 0,069• Ь + 0,051 • р - 0,043 • Ь • р + 0,029 • Ь2 + 0,022 • р2, (3)
М1 = 0,037 - 0,086• Ь + 0,107 • р - 0,119 • Ь • р + 0,051 • Ь2 + 0,067 • р2. (4)
Секция ««Проектирование машин и робототехника»
В результате получены значения конструктивно-режимных параметров, обеспечивающих минимальный уровень деформации мембраны: (см. рис. 2). В результате выполненных расчетов и проведенных исследований средняя погрешность аппроксимации составила 10,1 % [3].
Рис. 2. Графики поверхности отклика значений деформации мембраны
Анализ графиков поверхностей отклика значений деформации мембраны позволил установить оптимальное значение толщины мембраны, которая составляет Ь = 1 мм. График зависимости деформации мембраны от давления для мембраны толщиной Ь = 1 мм представлен на рис. 3.
0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0
123456789 10 -АД0 -АД1 - Сталь Зсп -Сталь 12Х18Н10Т
Рис. 3. График зависимости деформации мембраны от давления
На основе данных вычислительного эксперимента получены регрессионные зависимости значения деформации мембраны для следующих материалов: АД0, АД1, стать 3сп, сталь 12Х18Н10Т. При давлениях от 1 до 10 атм. найдена оптимальная толщина мембраны для датчика измерения давления, которая составляет Ь = 1 мм. Исходя из графика на рис. 3 материал для мем-
браны АД0 имеет равномерное изменение значений деформации относительно изменения толщины мембраны.
По результатам исследований, спроектирован и изготовлен опытный образец датчика измерения давления с помощью тензорезисторов, который в настоящее время проходит производственные испытания. Также данная конструкция датчика может быть использована в измерительной системе гидравлического стенда, описанной в работе [1].
Библиографические ссылки
1. Расчет гидравлической системы тормозного устройства стенда для испытания трансмиссий транспортно-технологических машин / С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин и др. // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2016. № 4. С. 60-79. В01: 10.15593/24111678/ 2016.04.06
2. Ереско С. П., Зябликов В. А. Моделирование пневматических систем с использованием стенда ГПС-01 // Решетневские чтения : материалы III Междунар. практ. конф. ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2017. С. 335-338.
3. Пат. № 610534 Российская федерация, МПК О 01Л/04, Регрессионный анализ многофакторных экспериментальных исследований (Eregre) / С. П. Ереско; заявл. 08.09.2003; опубл. 10.08.2004. Бюл. № 28.
4. Демидов С. П. Теория упругости. М. : Высш. шк., 1989. С. 432.
5. Конечно-элементный анализ крестовин карданных шарниров неравных угловых скоростей / М. Е. Иванов, Е. В. Кукушкин, С. В. Кукушкин и др. // Автоматизированное проектирование в машиностроении : Междунар. науч.-практ. конф. Новокузнецк : НИЦ МС, 2017. С. 70-80.
6. Пастухов А. Г., Тимашов Е. П., Кравченко И. Н. Исследование напряжённо-деформированного состояния деталей модернизируемых узлов трансмиссий различных машин // Строительные и дорожные машины. 2015. № 8. С. 20-26.
© Ереско С. П., Зябликов В. А., Кукушкин Е. В., 2018
