CC BY
21
УДК 629.7.054.07
ОПЫТ УМЕНЬШЕНИЯ МАССЫ КОРПУСА БЛОКА АКСЕЛЕРОМЕТРОВ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ
НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
А.В. Фролов, П. А. Шаповалов
Показан опыт применения аддитивных технологий при проектировании корпуса блока акселерометров бесплатформенной инерциальной навигационной системы с целью уменьшения его массы с применением конечно-элементных расчетов и вибрационных испытаний.
Ключевые слова: проектирование приборов, блок акселерометров, аддитивные технологии, БИНС, уменьшение массы.
В настоящее время бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) все чаще применяются в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Поэтому уменьшение массы и объема, занимаемого БИНС с целью увеличения полезной нагрузки БПЛА, - важная и актуальная задача [1].
Одним из элементов БИНС является блок акселерометров (БА). Пример такого блока показан на рис. 1. Блок состоит из основания 1, на которое установлен кронштейн 2. На него, в свою очередь, устанавливаются чувствительные элементы (ЧЭ) - акселерометры 3. Кроме того, на основании 1 монтируются сборки плат электроники 4. Прибор закрывается крышкой 5. Таким образом в БА акселерометры и электроника устанавливаются в одной полости и оказывают взаимное влияние на выходные характеристики друг друга. Конструкции корпусов, как правило, изготавливаются из сплава алюминия Д16.
Цель работы - разработать новый, более легкий корпус БА без ухудшения жесткости несущей системы прибора. Достичь поставленной цели возможно с помощью применения более легкого материала Ultem 9085, который обладает в 2,01 меньшей плотностью (массой), чем традиционный сплав алюминия Д16 [2, 3], характеризуемый сопоставимой жесткостью. Такой материал обычно применяется для изготовления ненагру-женных корпусных деталей в авиастроении [4].
Указанный материал используется для формирования геометрии детали аддитивным методом, что определило стиль и приемы проектирования.
К разрабатываемому корпусу БА БИНС были предъявлены следующие требования:
- уменьшение массы не менее чем в два раза;
- недопустимость снижения жёсткости несущей системы БА или ее повышение при заданной перегрузке до 12 g;
- недопустимость увеличения объема или его уменьшение;
- разделение отсеков для ЧУ и электроники;
- обеспечение герметичности корпуса, а также обеспечение необходимых теплопроводящих и экранирующих свойств.
Рис. 1. Пример БА БИНС
Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:
- спроектировать и рассчитать теоретические модели корпусов, исходя из основных требований, указанных выше;
- испытать механические свойства корпусов БА, изготовленных с помощью аддитивных технологий;
- спроектировать герметичный корпус БА под использование аддитивных технологий, с теплоотводящими и экранирующими свойствами.
С учетом особенностей технологического производства был разработан ряд моделей корпуса БА и проведен ряд теоретических расчётов и экспериментальных исследований.
Первая конструкция корпуса VI показана на рис. 2, а. В показанной конструкции были разделены отсеки для ЧЭ и электроники. Первые расположены внизу конструкции, а вторые - вверху. Расчет проводился в программном конечно-элементом комплексе Л№У8 18.0 при следующих данных: количество узлов расчетной сетки - 210 тысяч, вибрационная нагрузка - 12 g, материал - ИНеш 9085.
Результаты расчетов, показанных на рис. 2, б, подтвердили, что максимальные напряжения при заданной нагрузке не превышают предельных значений для выбранного материала ИНеш 9085. Полученные значения напряжений в местах закрепления составили 2,1 МПа.
122
Рис. 2. Расчет модели корпуса БА VI: а - напряженное состояние модели VI; б - место с максимальными расчетными
напряжениями в модели VI
При проведении испытаний на вибростенде двух изготовленных комплектов корпусов БА VI из ПНеш 9085 у разных производителей (рис. 3, а) у первого комплекта одно место закрепления разрушилось (рис. 3, б).
Анализ показал, что изделие было изготовлено с нарушением технологического процесса и, кроме того, в расчётной модели не была учтена анизотропия свойств аддитивного материала ПНеш 9085. Поэтому расчёт не показал возможность разрушения конструкции. Поскольку потенциальные места разрушений определены, были внесены конструктивные изменения, усиливающие жесткость конструкции, и в результате доработки был создан корпус БА VI.!, показанный на рис. 3 в, г, характеризуемый вдвое меньшей массой чем изначальный корпус (см. рис. !). Полученная конструкция БА требовала дальнейшей модернизации по критерию занимаемого объема, что предопределило появление конструкции VI, показанной на рис. 4, а.
С помощью программного конечно-элементного комплекса Л№У8 18.0 аналогично была рассчитана модель корпуса БА V2 (рис. 4, б). Максимальное напряжение в конструкции не превысило допустимого значения и составило 1,5 МПа. Были проведены экспериментальные исследования по заданным требованиям (рис. 4, б), которые прошли успешно. Данный образец корпуса БА поставлен в опытный образец БИНС.
в г
Рис. 3. Детали корпуса БА VI: а - общий вид детали; б - место разрушения корпусной детали корпуса БА VI; в - общий вид корпусной детали VII; г - усиленные места закрепления корпусной
детали V1.1
Для обеспечения герметичности корпуса, теплопроводящих и экранирующих свойств по модели, с помощью аддитивных технологий были изготовлены два образца корпуса БА V 2 ЛЬ из алюминиевого сплава (рис. 5).
а б
Рис. 4. Детали корпуса БА VI: а - общий вид детали; б - модель корпуса БА VI на виброиспытаниях
в
Рис. 5. Детали корпуса БА VI из алюминиевого сплава: а - дефектная деталь (вид сверху); б - дефектная деталь (вид снизу);
в - годные детали
125
Первый корпус БА модели V2 ЛЬ имел существенные дефекты (рис. 5, а, б), поэтому экспериментальным исследованиям не подвергался. Второй комплект деталей БА модели V2 ЛЬ (рис. 5, в) успешно изготовлен и успешно прошел испытания без разрушений.
В результате проведенной работы получены данные, показанные в таблице.
Сравнительные данные конструкций БА БИНС
Прототип Масса, кг Объем, 3 см Максимальное напряжение в конструкции, МПа Материал Результат эксперимента (успешно/ не успешно)
1,13 2788 1,1 Сплав Д16 Успешно
V1 0,6 4248 2,1 ИНеш 9085 Неуспешно
V1.1 0,63 4248 1,8 ИНеш 9085 Успешно
V2 0,44 2231 1,5 ИНеш 9085 Успешно
V2 ЛЬ 0,91 2193 1,15 Л1 порошок Успешно
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Конструирование БА под применение аддитивных технологий позволило разделить отсеки для ЧЭ и электроники, что позволяет избежать взаимного влияния указанных элементов и улучшить механические свойства конструкции корпуса БА БИНС.
2. Масса конструкции корпуса БА для материала ИНеш 9085 была уменьшена в 2,6 раза, для алюминиевого сплава - в 1,26 раза. Объем конструкции был уменьшен в 1,27 раз.
3. Применение аддитивных технологий позволило изготовить данные детали БА, получить которые иными способами было практически невозможно.
4. Применение аддитивных технологий позволило сократить время создания деталей, но потребовалось сопоставимое время на проведение испытаний механических свойств всех деталей.
5. Недостаток нормативных данных на процесс изготовления с помощью аддитивных технологий, оборудование и материалы в совокупности не позволяет гарантировать свойства деталей, а, следовательно, требует проведения сплошных испытаний всех деталей и не позволяет широко применять данный способ изготовления, а, значит, и проектирования.
126
Список литературы
1. Гурский Б.Г., Лющанов М.А., Спирин Э.П. Основы теории систем управления высокоточных ракетных комплексов Сухопутных войск / под ред. В. Л. Солунина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 328 с.
2. Таблицы физических величин: справочник / под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
3. Физические величины: справочник / А.П. Бабичев [и др.]; под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
4. Ultem 9085. Описание материала (Data Sheet) [Электронный ресурс]. URL: http://can-touch.ru/materials/poliefirimid-pei-ultem-9085-ultem-1010/ (дата обращения: 12.03.2018 года).
Фролов Александр Владимирович, канд. техн. наук, нач. лаборатории, Frolov@Frolov.moscow, Россия, Москва, АО ««ЦНИИАГ»,
Шаповалов Петр Анатольевич, инж., kinik.keni@yandex.ru, Россия, Москва, АО«ЦНИИАГ»
EXPIRIENCE IN REDUCING THE MASS OF THE ACCELEROMETER BOX OF
SPRAPDOWN SYSTEM
A.V. Frolov, P.A. Shapovalov
The works shows the experience of applying additive technologies in the design of the accelerometers box of the strapdown systems to reducing its mass with the application of finite-element calculation and vibration tests.
Key words: design of devices, accelerometers box, additive technologies, strapdown systems, reducing mass.
Frolov Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of laboratory, Frolov@Frolov.moscow, Russia, Moscow, JSC«CNIIAG»,
Shapovalov Petr Anatol'evich, engineer, kinik. keni@yandex. ru, Russia, Moscow, JSC«CNIIAG»
