CC BY
16
Рис. 3. Диагностика аппарата ПТП статическим методом: а - работоспособного пневмоаппарата; б - с высоким трением большого поршня; в - с высоким трением малого поршня; г - с высоким трением между поршнями
стендах [7];
> мет ПТП по ег
(ФДХ), разработанный А.И. Федотовым [3] и др.
> метод диагностирования аппаратов и контуров паратов ПТП тестовое воздействие на их входе изме-ПТП по его фазовой динамической характеристике няется так же, как при экстренном торможении авто-
В процессе динамического диагностирования ап-атов ПТП тестовое воздействие на их входе изме-тся так же, как при экстренном торможении автомобиля. В процессе тестового функционирования ап-
Рис. 4. Примеры графиков псевдостатических характеристик аппарата ПТП
£ ЯЁ1Й Ж ал из файла: С:\Диагностика ПТПШалый-Поршень\ко(1-9(Мал-П)\(11па... _ |П||Х
Файл Настройка Помощь Файл Настройка Помощь
1 М ^ V В |Клапан ограничения давления. ...................... В Щ Л V" Й В Клапан ограничения давления.
ж11.1 ММа г Всего ошибок -1, на следующих шага* эксперимента: 32 ММа ошиоки эксперимента Всего ошибок - 3. на следующих шагах эксперимента: 45 278 280
7 / 7
6 6 /
5 / ¿ ОБЪЕКТ РАКПТПГ. ЮСОБЕН! 5 ]_ ОБЪЕКТ НЕ
4 - _/ / 1 У/а г 4 ~ / т~ Повышено трение малого поршня:
3 ~ / ± 1 ОБЪЕКТ РАБОТОСПОСОБЕН! 3 ~ / агтп
2 _ г— л ,,,,,, 2 ~~ г— ^ ОБЪЕКТ НЕ РАБОТОСПОСОБЕН! оо
1 _ 1 1' / 2 ' з' 4 ' 5 ' ' 'в' 'э1 'ю 1 ~ 1 2 3 4 5 Б 7
1 1 1-1 Динамический режим испытаний 1— —1 Динамический режим испы г™.
а) б)
Рис. 5. Результаты диагностирования клапана ограничения давления автомобиля КамАЗ: а - работоспособного; б - неработоспособного (повышено трение малого поршня)
а) б)
Рис. 6. Результаты диагностирования неработоспособного клапана ограничения давления автомобиля КамАЗ: а - повышено трение большого поршня; б - с большим количеством неисправностей
парата (контура) ПТП осуществляется непрерывный контроль как входного управляющего, так и выходного сигнала (например, давления на его выходе). Полученные зависимости выходного сигнала от входного тестового воздействия, называемые фазовыми динамическими характеристиками, очень ярко и высокоинформативно характеризуют техническое состояние объекта диагностирования (рис. 5 и рис. 6). Для их получения требуется лишь несколько секунд.
Выбор режима имеет существенное, а иногда даже определяющее значение для достоверности, информативности и оперативности метода диагностирования. Выбор вида и оптимизация режимов тестового воздействия при диагностировании сложных объектов нуждаются в научном обосновании. Другими словами, с целью достижения наибольшей информативности диагностики каждый метод диагностирования нуждается в обосновании вида управляющего воздействия, а темп его изменения - в оптимизации.
В ходе многократных экспериментальных и аналитических исследований установлено, что площади, образованные ФДХ аппаратов ПТП в процессе их наполнения и опорожнения, увеличиваются с повышением темпов 2упр изменения управляющих воздействий иупр (рис. 7) [3].
Как видно из рис. 8, чувствительность дий диагностических признаков на участках локальных диагнозов аппаратов ПТП к изменению параметров технического состояния 0|, с повышением темпов 2упр изменения
управляющих воздействий сначала растет, а затем начинает снижаться.
Начальный рост чувствительности Д11й диагностических признаков объясняется тем, что с повышением темпов 2упр изменения управляющих воздействий, изменение параметров технического состояния 0| аппаратов ПТП приводит к нарушению динамики перемещения их подвижных элементов (поршней, толкателей, клапанов и т.п.), что, в свою очередь, ведет к нарушению протекания газодинамических процессов в аппаратах ПТП и увеличению областей локальных диагнозов, образованных ФДХ.
При высоких темпах 2упр скорости изменения управляющих тестовых воздействий становятся настолько велики, что ФДХ работоспособных пнев-моаппаратов образуют большие петли, соизмеримые по площади с площадями координатных плоскостей.
В первом приближении решение задачи оптимизации темпа изменения управляющего тестового воздействия, обеспечивающего наибольшую чувствительность диагностических признаков на участках локальных диагнозов, сводится к отысканию среднего значения абсцисс максимальных значений функций Дик;.
Т 2
МАХ Г ( дии )
ОРТ1Ы 1уПр =
г =1
N
Транспорт
Рис. 7. Изменение вида ФДХ исправного клапана ограничения давления ПТП
автомобиля КамАЗ при изменении темпа 1уП9 входного давления Р1
ли, МПа
лиу
\
\
д
\\
Рис. 8. Зависимости чувствительности диагностических признаков клапана
ограничения давления ПТП КамАЗ от темпа изменения входного управляющего
давления иупр = Р1
где MAX f(AUk) - максимальные значения функций зависимости чувствительности диагностических признаков от темпа изменения тестового воздействия; N -количество диагностических признаков, характеризующих техническое состояние объекта диагностирования.
Хотя в процессе оптимизации темпа тестового воздействия необходимо учитывать технико-
экономические показатели процесса диагностирования.
Таким образом, тестовое воздействие очень важный фактор в структуре процесса диагностирования. Чем сложнее объект, тем более обоснованным должно быть тестовое воздействие. Ведь от его корректности зависят оперативность, информативность и качество постановки диагноза.
Библиографический список
1. Техническая эксплуатация автомобилей: учеб. для вузов / под ред. Г.В. Крамаренко. 2-е изд. М.: Транспорт, 1983. 488 с.
2. Интеллектуальные системы управления с использованием нейронных сетей / Васильев [и др.]: учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГАТУ, 1997. 92 с.
3. Федотов А.И. Диагностика пневматического тормозного привода автомобилей на основе компьютерных технологий: дис. ... д-р техн. наук: защищена 17.03.99. Новосибирск, 1999. 506 с.
4. Лившиц В.М., Добролюбов И.П. Динамический метод диагностики автотракторных двигателей. Принципы построения диагностических моделей переходных процессов: метод.
рекомендации. Новосибирск: Изд-во СибИМЭ, 1981. Ч. 1. 88 с.
5. Макушев Ю.П. Системы питания быстроходных дизелей: учеб. пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. 181 с.
6. Гергенов С.М. Метод функционального диагностирования аппаратов многоконтурного пневматического тормозного привода: дис. ... канд. техн. наук. Иркутск: ИрГСХА, 1998. 127 с.
7. Портнягин Е.М. Метод контроля тормозной эффективности и устойчивости автомобилей с ABS при их диагностировании на роликовых стендах: дис. ... канд. техн. наук: защищена 02.07.2009. Оренбург: Оренбургский ГУ, 2009. 202 с.
УДК 621.643.07
АНАЛИЗ СХОДИМОСТИ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЗАДАЧИ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
М.С. Яхненко1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
При решении контактных задач для протяжённых сборных конструкций часто необходимо оптимизировать конечно-элементные модели в связи с ограниченностью вычислительных ресурсов. Основное направление оптимизации таких задач - уменьшение количества итераций, необходимых для сведения решения в каждой точке динамического анализа. Применение в динамической задаче на месте контактных элементов элементов типа «пружина» позволит значительно снизить ресурсоёмкость при сохранении точности вычислений. Метод численного решения динамической контактной задачи предлагается для анализа напряжённо-деформированного состояния трубопроводных систем. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: трубопровод; контактная задача; динамика.
CONVERGENCE ANALYSIS OF THE NUMERICAL SOLUTION OF THE FINITE ELEMENT METHOD FOR THE PROBLEM OF PIPELINE DYNAMIC LOADING M.S. Yakhnenko
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
When solving contact problems for extended prefabricated structures it is often necessary to optimize the finite element models due to the limitation of computational resources. The main optimization direction of such problems is the reducing of the number of iterations required for the solutions reduction in every point of the dynamic analysis. The application of the elements of the "spring"- type in the place of contact elements in the dynamic problem will significantly reduce resource consumption while maintaining calculation accuracy. The method of numerical solution of the dynamic contact problem is proposed for the analysis of the stressed-deformed state of pipeline systems. 6 figures. 1 table. 3 sources. Key words: pipeline; contact problem; dynamics.
Транспорт
Существует большое разнообразие методов расчета трубопроводных систем. Многими авторами описаны методики, позволяющие оценить с достаточной точностью их надёжность. Появление метода конечных элементов (КЭ) [1] значительно ускорило процесс расчетов и увеличило точность их результатов, поставив её в зависимость от производительности компьютера. Контактные задачи внесли новое понимание в работу сборных конструкций и, несмотря на свою трудоемкость и ресурсоёмкость, они широко применяются. Описание контактных взаимодействий значительно увеличивает адекватность модели относительно применения монолитных конструкций.
Современные методики анализа напряжённо-деформированного состояния (НДС) авиационных трубопроводов развиваются недостаточно интенсивно, однако системы передачи управляющих импульсов, топлива и др. представляют собой ответственные узлы, требующие подробной проработки.
Моделирование сборных конструкций методом КЭ неизбежно приводит к использованию контактных элементов, требующих итеративного решения. При решении динамической задачи такие приближения происходят на каждом временном шаге решения.
В [2] решение задачи о динамике роторов турбо-
машин производилось на предельно низком количестве КЭ, однако занимало до 60 ч машинного времени. Решение контактной задачи динамики трубопроводов потребует большее количество КЭ в связи с наличием тонкостенных и протяжённых конструкций.
Таким образом, становится актуальным вопрос о возможности создания методики решения контактной задачи динамики трубопроводных систем, позволяющей снизить ресурсоёмкость модели при достижении достаточной степени её адекватности.
В этой работе рассматривается задача определения НДС при сейсмическом нагружении участка трубопровода, установленного в колодки. Решение поставленной задачи в рамках данной работы связано, в первую очередь, с верификацией КЭ модели посредством изменения параметров контактов между её элементами.
Модель представляет собой шарнирно опёртую балку круглого сечения (рис. 1). Балка нагружена распределённой силой q, действующей по всей длине трубы. КЭ-модель представляет собой сборную конструкцию из трёх деталей, построенных посредством гекса-элементов, соединённую элементами типа пружина (spring), заменяющими прокладку между трубопроводом и колодкой.
1Яхненко Михаил Сергеевич, аспирант, тел.: 89086617353, e-mail: Holtfor@mail.ru Yakhnenko Mikhail, Postgraduate, tel.: 89086617353, e-mail: Holtfor@mail.ru
Исходные данные
Деталь Свойства материала конструкции элементов трубопровода Геометрические параметры Силовые факторы
Марка материала Е,ГПа Gв,М Па 1Чи т, кг й с1 2 а, м/с д, кН/м
Труба 12Х18Н9Т 2,9 680 0,3 0,111 222 16 13 1,815 е-9 10 1,1
Прокладка НТА 1079 Жесткость (Н/м) подбирается экспериментально Толщина прокладки 0,5 мм
Вкладыш Д 16 1,3 250 0,3 Не оцени-вает-ся Согласно ОСТ 13263-78
Зрлпд-элементы используются в качестве аналога контактных КЭ в данной модели, так как, решение динамической задачи не потребует дополнительных итераций в каждом шаге решения, как в случае с элементами типа дар, а значит, окажется менее ресурсоёмким [2].
Модель силового воздействия в КЭ-модели реа-
третьей модели, жёсткость пружин в которой, аналогична их жёсткости во второй. Статический и динамический расчёт проверяются аналитическими моделями.
Рис. 1. КЭ-модель трубопровода
лизована путём применения ударного взаимодействия с помощью разгона и остановки опор расчетной системы в заданном интервале расстояний и скоростей, согласно графикам (рис. 2 и рис. 3). Начальные параметры жёсткости контакта принимаются в соответствии с численным экспериментом, описанном в [2].
Затем, реализуя параметры аналитического решения с заданным шарнирным операнием балки, приводим статическую модель с контактами на элементах типа дар по значению прогиба балки в соответствие с аналитической моделью путём изменения параметра жёсткости в пружинах опоры трубопровода. Нагрузка ц (таблица) при этом принимается в соответствии с её значением для динамической модели, вызванной фактором скорости смещения опор (рис. 2). Построение динамической модели требует введения промежуточной статической модели, в которой вместо контактных элементов типа дар используется элемент типа пружина. Статическая модель отстраивается по значению прогиба трубы путём изменения жёсткости пружин в контактах. Динамический расчёт осуществляется в
Предлагаемая аналитическая модель преднамеренно представлена, как шарнирно опёртая на концах балка, в то время как КЭ-модель представляет собой трубопровод на упруго-деформируемых опорах, для которого модель шарнирно опёртой балки является частным случаем.
Для определения прогиба воспользуемся дифференциальным уравнением изогнутой балки [3]:
