CC BY
480
УДК 620.178.4
КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННАЯ МЕТОДИКА ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ
КОСМИЧЕСКОЙ И МОРСКОЙ ТЕХНИКИ
В.Я. Андросов, А.В. Плотников
ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск E-mail: polus@online.tomsk.net
Рассматриваются спектры реакции конструкции изделия при воздействии механических нагрузок различных типов. Представлен расчетно-экспериментальный метод получения реальных динамических характеристик конструкции изделий. Обоснована возможность замены одних типов механических нагрузок на другие, а также снижения воздействующей нагрузки с применением разрабатываемого программно-аналитического модуля.
Ключевые слова:
Механические внешние воздействующие факторы, испытания, спектр реакции конструкции, модальный анализ, демпфирование, программно-аналитический модуль.
Key words:
Mechanical extemal influencing factors, tests, reaction spectra of a structure, modalanalysis, damping, program-analytical module.
Создание космической и морской техники нового поколения обуславливает принципиально более высокие требования к ее прочностным характеристикам.
Актуальнейшей проблемой НПЦ «Полюс» и других предприятий является испытание изделий на механические внешние воздействующие факторы (МВВФ), а именно воспроизведение заданных параметров ударной нагрузки в виде ударного спектра, максимальные значения которого достигают 50 км/с2, либо эквивалентного удара классической формы с ускорением до 35 км/с2идлитель-ностью 1 мс.
С целью решения этой проблемы или ее минимизации разрабатывается программно-аналитический модуль, который базируется на нормативных документах и возможностях имеющихся на предприятии испытательного оборудования и программно-технических средств современного уровня, позволяющих проводить отработку конструкции аналитическим, расчетно-экспериментальным или экспериментальным путем.
Аналитический метод основывается, как правило, на конечно-элементном моделировании с использованием таких систем, как А^УВ, КА-8ТКАК, БоШ^Огкз и др. Более эффективен и достоверен расчетно-экспериментальный метод вследствие возможности получения реальных характеристик - демпфирования, резонансных (собственных) частот и форм мод колебаний в любых точках конструкции. Он включает в себя как конечно-элементное моделирование, так и экспериментальный модальный анализ конструкции с последующим уточнением и подтверждением аналитической модели.
Модальное демпфирование представляет собой процент критического демпфирования и определяется по формуле [1]
Ы) = 100 ,
у]ю(к) + а(к)
где х(к) - демпфирование к-й моды, %; а(к) -демпфирование в точках половинной мощности, Гц; а>(к) - демпфированная собственная частота, Гц.
Резонансные свойства динамической системы характеризует добротность 2, связанная с логарифмическим декрементом затухания 5 формулой [2]
Имея полученные экспериментальным путем значения реального демпфирования и собственных частот резонаторов конструкции, можно определить её реакцию на воздействие нагрузки конкретного типа с заданными параметрами.
Так, ударный спектр реакции резонатора конструкции при воздействии виброимпульсной нагрузки или удара классической формы с заданными параметрами вычисляется по формуле [3]
.. V.. -^(‘-')
х(/) = 2^/шахшах ]и(т)е и ит[2п/(-т)—т,
0
где Щ - ударный спектр реакции резонатора, м/с2;
- верхняя частота поддиапазона, Гц; / - общее время воздействия, с; и(т) - задаваемое ускорение, м/с2, с длительностью воздействия т, с; а - логарифмический декремент затухания; 2 - значение добротности резонатора;/- частота в рассматриваемом диапазоне, Гц.
В основных нормативных документах, устанавливающих требования и методы испытаний изделий электротехнической, нефтегазовой отраслей и специальной техники на МВВФ (ГОСТ 17516.1-90, ГОСТ 20.57.406-81, ГОСТ Р 51371-99, ГОСТ 16962.2-90, ГОСТ 30630.0.0-99, ГОСТ 30630.1.1-99, ГОСТ 30630.1.2-99, ГОСТ РВ 20.39.304-98, ГОСТ РВ 20.57.305-98, ГОСТ В 24880-81, ГОСТ РВ 20.57.416-98), конструкция рассматривается, в частности, как совокупность резонаторов во всем диапазоне частот с одной степенью свободы и добротностью 2=10.
Рис. 1. Функциональная схема программно-аналитического модуля
Алгоритм разрабатываемого программно-аналитического модуля (рис. 1) базируется на применении инновационных методов конечно-элементного моделирования и экспериментального модального анализа, позволяющих определять модальные частоты, демпфирование, рабочие формы мод колебаний и, как следствие, реальные динамические характеристики конструкции изделия.
Ядро программно-аналитического модуля основывается на внедренной в 2006 г. и успешно используемой универсальной программе пересчета параметров механических и акустических нагрузок в эквивалентные (рис. 2).
Программно-аналитический модуль выполняет сравнительный анализ значений демпфирования любого из резонаторов, полученных в результате проведения экспериментального модального анализа конструкции, со значениями демпфирования, заданными в техническом задании, государственном и отраслевом стандартах и т. д. на разрабатываемое изделие, а также определяет спектр реакции резонаторов конструкции при воздействии на нее удара классической формы или широкополосной случайной вибрации.
Результат сравнения ударного спектра реакции резонаторов конструкции с расчетным профилем удара по заданному спектру позволяет сделать вывод о допустимости кратного снижения воздействующей ударной нагрузки, что, в частности, минимизирует изменение ресурса электромеханических изделий.
На предприятии с 2008 г. проводится определение реальных динамических характеристик конструкций изделий (модальных частот, демпфирования и форм мод колебаний) методом экспериментального модального анализа с применением системы PULSE типа 3560, при этом конструкция находится в состоянии свободного подвеса с собственной частотой колебаний ниже 2 Гц.
На начальном этапе разработки программноаналитического модуля с целью подтверждения результатов, получаемых методом экспериментального модального анализа, проведены экспериментальный модальный анализ и определение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) конструкций пяти корпусов зарядно-разрядного устройства (ЗРУ) комплекса автоматики и стабилизации напряжения системы электропитания.
Корпуса устанавливались в безрезонансное (в рабочем диапазоне частот) приспособление для проведения испытаний на МВВФ, добротность резонансных колебаний на АЧХ определялась в одних и тех же точках конструкции на одних и тех же резонансных частотах (в точках половинной мощности) АЧХ корпуса по формуле [4]
Q = —-—,
Л - fi
где/с - центральная частота пика; f¡, f2 - частоты, определённые на уровне 3 дБ (точки половинной мощности) ниже уровня центральной частоты.
Основное меню и интерфейс программы
Модули
Пересчет суммарного среднеквадратического значения в спектральную плотность ускорения
шсв
Пересчет параметров Sine в параметры ШСВ
Расчет
SRS
Сохранение и загрузка параметров
Сравнение степени жесткости линейного воздействия с ШСВ и Shock
Пересчет параметров акустического давления в параметры Sine
Вычисление эквивалентного суммарного акустического давления от нескольких источников акустических сигналов
Пересчет параметров ШСВ в параметры Sine
Сравнение степени жесткости ШСВ и Shock
Вывод отчета в Microsoft Excel
Рис. 2. Функциональная схема универсальной программы пересчета параметров механических и акустических нагрузок в эквивалентные
АЧХ пяти корпусов ЗРУ определены на вибрационной системе LDS У8-440Т ЬРТ1220С.
Далее проведен сравнительный анализ добротности Q и демпфирования С на близких частотах корпусов ЗРУ (таблица).
Таблица. Значения демпфирования и добротности на частоте первой моды (^200 Гц)
№ корпуса Частота 1-го пика на АЧХ, Гц Доб- рот- ность Частота 1-го пика по стабилизационной диаграмме, Гц Демпфи- рование, %
1 212 42 160 0,70
2 178 89 190 0,46
3 191 64 170 0,65
4 236 40 170 0,86
5 198 198 170 0,19
В условиях отсутствия расчетных или статистических данных по демпфированию для различных типов разрабатываемых конструкции изделий за базовый оценочный критерий жесткости конструкции приняты реальные значения демпфирования, полученные в результате ее экспериментального модального анализа и подтверждённые значениями добротности на АЧХ.
Зависимость добротности Q от демпфирования С выражается формулой [5]
где к - жесткость, а т - масса конструкции.
Таким образом, сильно демпфированная конструкция имеет низкую добротность, а слабо демпфированная - высокую.
По значениям добротности Q (полученным из АЧХ) и демпфирования С (полученным экспериментальным модальным анализом) на частоте первой моды /«200 Гц, можно установить следующее:
• динамика значений демпфирования, определенных на модальных частотах, подтверждается динамикой значений добротности, определенных на АЧХ конструкции, а при условии что демпфирование и добротность конструкции ЗРУ получена на разных испытательных и программно-технических системах, можно утверждать о достаточной достоверности полученных данных. Имеющийся разброс значений демпфирования и добротности на резонансных частотах обусловлен присоединённой к конструкции корпуса ЗРУ дополнительной массой приспособления (при определении АЧХ) и ударным методом возбуждения сложной конструкции (при проведении экспериментального модального анализа);
• низкое значение демпфирования, высокая добротность и форма «двойного пика» на первой резонансной частоте АЧХ корпуса № 5 (по существу двойной резонанс в узком частотном диапазоне) свидетельствуют о наличии дефекта (технологического или производственного) этого корпуса;
• при отработке сложных или тяжёлых конструкций возбуждение необходимо осуществлять случайным некоррелированным сигналом одновременно по трём ортогональным направлениям, применяя для этого модальные вибраторы. Сочетание аналитической и экспериментальной частей программно-аналитического модуля
обеспечивает реализацию его алгоритма, что позволяет определять реальные динамические характеристики конструкции с достаточной степенью достоверности, экспериментальным путем получать необходимую информацию для проведения конечно-элементного моделирования конструкций, а при проведении прочностных испытаний конструкции изделий обоснованно заменять типы и уровни нагрузок.
Программно-аналитический модуль реализуется и работает в операционной системе Microsoft Windows, имеет модульную структуру, открытую для включения специализированных программ; совместим по форматам импортируемых данных с программным обеспечением DACTRON Shaker
Control (проведение испытаний на МВВФ) и PULSE LabShop (экспериментальный модальный анализ).
Выводы
Рассмотрены спектры реакции конструкции космической техники при воздействии механических нагрузок различных типов. Представлен алгоритм компьютеризированной методики расчета реальных динамических характеристик конструкции изделий, работающей в среде MS Windows. Обоснована возможность замены одних типов механических нагрузок на другие, а также снижения воздействующей нагрузки с применением разрабатываемого программно-аналитического модуля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ME’scopeVES 4.0. Operating Manual. Vol. II - Command Reference // Vibrant technology, Inc. - 2003. - 335 p. 2003. URL: http://www.vibetech.com/assets/mescope/MEscopeVESVoin.pdf (дата обращения: 16.08.2010).
2. Трофимова Е.И., Федянин С.В. Механика с элементами математического моделирования и компьютерной графики: электронный учебник // Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина. - 2007. - Гл. 1. 2007. URL: http://elmehani-ka.elsu.ru/section/meenanical_oscillation.html (дата обращения:
16.08.2010).
3. Харрис С., Крид Ч. Справочник по ударным нагрузкам. - Л.: Судостроение, 1980. - 360 с.
4. Q factor // Wikipedia. The Free Encyclopedia. 2010. URL:
http://en.wikipedia.org/wiki/Q_factor (дата обращения:
16.08.2010).
5. Damping // Wikipedia. The Free Encyclopedia. 2010. URL:
http://en.wikipedia.org/wiki/Damping (дата обращения:
16.08.2010).
Поступила 08.09.2010г.
