СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ АППАРАТУРЫ И ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01M7/00 

Ударные воздействия являются одним из видов механических нагрузок, которым подвержены приборы и оборудование различных машин при эксплуатации. На сегодняшний день существуют различные подходы к проведению испытаний на ударные воздействия. Для имитации ударных воздействий применяют три основных метода. При первом методе точно имитируют ударное воздействие, действующее на изделие в условиях его эксплуатации. Сложное ударное воздействие часто при этом заменяют более простыми, но пригодными для воспроизведения в лабораторных условиях. Например, испытания на ударные воздействия, представляемые в виде простейших импульсов ускорений (полуволна синусоиды, прямоугольный, треугольный импульсы и т.д.). Второй метод испытаний заключается в имитации реакции изделия на ударное воздействие. В этом случае не важен вид ударного воздействия при эксплуатации, а важно, какую реакцию в изделии вызвало это воздействие.

Под реакцией изделия понимается либо ударный спектр ускорений, либо некоторая переходная характеристика. Наибольшее распространение в последнее время получили испытания (и задание нормативных нагрузок) на ударные воздействия, представляемые в виде ударного спектра ускорений. Такого рода испытания чаще всего проводятся воспроизведением ударного нагружения на электродинамических вибростендах по способу амплитуд элементарных сигналов или по способу передаточной функции. (Испытательная техника. - Справочник в двух книгах под редакцией В.В.Клюева. М., Машиностроение, 1982 г. Книга 1, с. 334-337.

Суть способа воспроизведения ударного спектра по передаточной функции заключается при определении заданной формы сигнала в применении итерационной процедуры. Сигнал ударного возбуждения корректируют при помощи передаточной функции системы, представляющей собой сочетание электродинамического возбудителя, монтажного приспособления и испытуемого объекта. Затем находят функцию преобразования Фурье заданного ударного воздействия на выходе системы, которое делят на передаточную функцию испытательной системы, и производят обратное преобразование Фурье полученного отношения, что дает потребное входное воздействие во временной области.

При синтезировании ударного сигнала возбуждения при помощи элементарных сигналов (прототип) способ испытаний сводится к возбуждению элементарных сигналов, каждый из которых состоит из нечетного числа полуциклов и модулирован по амплитуде полусинусоидой.

Каждый сигнал может иметь запаздывание относительно другого сигнала.

При синтезировании сигнала ударного воздействия необходимо определить амплитуды сигналов так, чтобы ударный спектр суммарного сигнала аппроксимировал ударный спектр заданного ударного воздействия с произвольной степенью точности. В качестве первого приближения берут ударный спектр с частотой элементарного сигнала, равной частоте его полусинусоидальной огибающей.

Существенным недостатком этих способов является следующее. Часто испытания приходится проводить на простейшие импульсы из-за невозможности воспроизвести требуемый ударный спектр ускорений (УСУ), в результате чего приходится в части частотного диапазона перегружать испытуемое оборудование, чтобы во всем диапазоне выдержать амплитуду УСУ. С другой стороны, ударный спектр не определяет однозначным образом, как действует на объект изменение ударного ускорения во времени.

Например, УСУ, принимаемый для автономных испытаний приборов и оборудования, может содержать составляющие спектра, которые отфильтровываются конструкцией, или не содержать частотных составляющих, на которых концентрируется существенная часть энергии удара. Это происходит потому, что в алгоритме получения УСУ, реализуемом в рассматриваемом способе испытаний (прототипе), не учитываются особенности реального нагружения объекта испытаний при эксплуатации. Любая сложная механическая система всегда представляет собой набор узкополосных резонаторов и широкополосных фильтров.

Предлагаемое решение позволит исключить указанные выше недостатки.

Заявляемый способ испытаний на ударные воздействия аппаратуры и оборудования сложных изделий заключается в задании нормативного воздействия в виде ударного спектра ускорений, формировании в точках крепления объекта испытаний (аппаратуры или другого оборудования) ударного спектра ускорений. Формирование воздействия проводится синтезированием сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов, модулированных по амплитуде полусинусоидой таким образом, чтобы ударный спектр суммарного результирующего сигнала аппроксимировал необходимый ударный спектр ускорений с произвольной степенью точности. Затем проводится ударное нагружение объекта испытаний полученным импульсом. Отличается от известных способов испытаний тем, что по ударному спектру ускорений определяют передаточные функции от всех источников ударных воздействий на изделии к местам крепления аппаратуры и оборудования. Затем получают максимальный ударный спектр ускорений от всех источников ударного воздействия для мест крепления аппаратуры и оборудования, после чего из передаточных функций и максимального ударного спектра ускорений выделяют основные несущие частоты и определяют по этим частотам коэффициенты затухания в местах крепления аппаратуры и оборудования. Далее формируют ударный импульс ускорения по формуле

где ψ(t) - ударный импульс ускорения;

A_i - амплитуда ускорения при i-й частоте (несущей);

ω_i=2πf_i - собственная круговая частота колебаний (несущая);

f_i - собственная частота колебаний (несущая);

ϕ_i - фазовый сдвиг;

δ_i=lnζ_i,

δ_i - логарифмический декремент колебаний;

ζ_i - коэффициент затухания;

i - номер текущей несущей частоты;

m - количество несущих частот;

t - время действия ударного импульса.

таким образом, что формируемый ударный спектр совпадает с требуемым нормативным ударным спектром ускорений на несущих частотах, а в остальном спектре отличается от требуемого спектра в пределах допустимой погрешности.

Сущность заявляемого решения может быть пояснена следующим образом. Ударный спектр ускорений представляет собой частотное преобразование функции ускорения от времени (Дояр О.П. Алгоритм расчета ударного спектра, в сб. Динамика систем. Численные методы исследования динамических систем, Нистру, Кишенев, 1982 г.). Это интегральная характеристика, которая включает в себя как реакцию самого прибора (оборудования) на ударное воздействие, так и реакцию элементов конструкции, на которой это оборудование устанавливается. При прохождении удара от точки его возникновения к месту крепления часть энергии удара рассеивается в конструкции за счет конструкционного демпфирования, трения и т.д. Но кроме рассеивания энергии удара в конструкции на резонансных частотах может возникать эффект увеличения амплитуды удара. Система управления электродинамическими стендами (только они могут воспроизводить сигналы длительностью менее 1 мс, а также их комбинации) должна сформировать сигнал, который бы обеспечил необходимый УСУ. Реально количество сигналов, из которых может быть сформировано испытательное воздействие, невелико. Погрешность формирования сигнала определяется тем, насколько близко эти частоты соответствуют реальным. Поэтому для формирования сигнала должны применяться наиболее энергоемкие частотные составляющие. Оценить это можно с помощью передаточных функций по УСУ.

Понятие передаточной функции широко используется в технике (см., например, “Вибрации в технике”. Справочник в 6 томах, том 5. Измерения и испытания. М., Машиностроение, 1981 г., с.42. Воспользуемся данным понятием применительно к ударному спектру ускорений. Сама передаточная функция Н(ω) по УСУ понимается здесь как отношение УСУ в точке воздействия к УСУ в точке контроля:

где ω - круговая частота колебаний, а τ₀(ω), τ_i(ω), УСУ в точке воздействия и УСУ в точке контроля соответственно.

Получение передаточных функций может быть проведено либо расчетным путем или экспериментальным, например, на динамическом макете исследуемого изделия, например космического аппарата (КА), при квалификации конструкции, когда еще приборы и оборудование только разрабатывается, либо на КА аналогах.

Источников ударного воздействия на КА может быть несколько: пиротехнические устройства, срабатывание и фиксация различных механических устройств и т.д. Формирование нормативного ударного спектра ускорений предполагает выделение максимальных значений УСУ в каждом частотном диапазоне. Затем, обычно, строится огибающий ударный спектр. В то же время часть воздействий может уже задаваться в виде готовых УСУ (например, воздействие от ракеты на КА). Испытания, предполагающие создание требуемого УСУ с помощью передаточных функций, учитывающих особенности испытательной схемы (оснастки, типа стенда и т.д.), либо использующие различные итерационные процедуры, не учитывают реальные частотные диапазоны, в которых переносится основная энергия ударных воздействий. Такой подход существенно искажает реальную картину нагружения: воздействие может иметь не те резонансные частоты, которые будут реализовываться при эксплуатации КА. Получение передаточных функций от всех источников ударных воздействий показывает, на каких частотах будет нагружаться реальный прибор. Под несущими частотами здесь понимаются собственные частоты колебаний сложного изделия (например, космического аппарата), на которых переносится основная часть энергии ударного воздействия.

Выделение несущих частот может проводиться, например, следующим образом. Передаточные функции от источников ударного воздействия показывают, на каких частотах затухание удара минимально, либо даже происходит его увеличение за счет резонансных явлений в конструкции (коэффициенты передачи больше 1). С другой стороны, ударное воздействие имеет пики также на определенных частотах. При совпадении частот воздействия и собственных частот конструкции возникают резонансы. Очевидно, что эти частоты всегда будут переносить основную часть энергии ударного воздействия. При разнесении собственных частот конструкции и внешнего воздействия к несущим частотам отнесем те частоты, на которых УСУ в точках крепления оборудования максимален. Когда имеются экспериментальные данные по всем источникам ударных воздействий, то максимальный УСУ, построенный от всех источников, покажет эти частоты. Иногда воспроизвести само ударное воздействие невозможно (например, в стыке ракеты с космическим аппаратом ударные нагрузки задаются в виде готового УСУ). Но передаточные функции от стыка с ракетой к месту установки прибора на космическом аппарате позволяют выделить частоты, передающие ударное воздействие.

Формирование испытательного воздействия, имеющего требуемый (нормируемый) УСУ и включающий в себя частоты, несущие основную энергию ударного воздействия, позволит более качественно проводить данный вид испытаний. Таким образом, некая достаточно формальная характеристика (УСУ) дополняется содержащим физический смысл набором частот. Разрушение оборудования происходит обычно, если внешнее воздействие вызывает резонансный отклик.

После выделения массива несущих частот (а эта процедура плохо формализуется и требует от экспериментатора определенного опыта) можно построить различные достаточно легко формализуемые алгоритмы получения необходимого воздействия. Рассмотрим один из них.

Пусть имеется некоторый набор воздействий A_m(t), m=1, 2,..., M.

Для каждого из воздействий строится свой ударный спектр, т.е. получается зависимость ускорения от частоты

Алгоритм вычисления УСУ рассмотрен, например, в [Дояр О.П. Алгоритм расчета ударного спектра, в сб. Динамика систем. Численные методы исследования динамических систем, Нистру, Кишенев, 1982 г.].

Рассмотрим теперь построение оптимального воздействия A(t)

обеспечивающего требуемую точность. Построение такого воздействия по методу наименьших квадратов невозможно. Это следует из факта нелинейности ударных спектров при сложении различных воздействий и в связи с этим негладкости производных от ударного спектра по параметрам α_m. Поэтому более целесообразным представляется использование в алгоритме метода коллокации (см. Волков Е.А. Численные методы. М., Наука, 1987 г., 248 с., с. 194-196), в котором требуется обеспечить совпадение эталонного сигнала (ударного спектра ν*(ω)) с ударным спектром от воздействия (ударного импульса) A(t) только в заданном наборе точек ω_k, (k=1, 2,..., N). Метод коллокации приводит к решению нелинейной системы уравнений

где k=1,..., М.

Решение системы (*) может быть выполнено различными способами. Один из возможных алгоритмов был реализован в пакете прикладных программ системы обработки измерений, разработанном на базе пакета Matlab, версия 5.3 подпрограммой "OBRAS" (обратный спектр). С учетом реальных возможностей испытательного оборудования решение ищется в классе функций вида:

где

ψ(t) - ударный импульс ускорения;

A_i - амплитуда ускорения при i-й частоте (несущей);

ω_i=2πf_i - собственная круговая частота колебаний (несущая);

f_i - собственная частота колебаний (несущая);

ϕ_i - фазовый сдвиг;

δ_i=lnζ_i,

δ_i - логарифмический декремент колебаний;

ζ_i - коэффициент затухания;

i - номер текущей несущей частоты;

m - количество несущих частот;

t - время действия ударного импульса.

Коэффициенты затухания получены по результатам испытаний по обычному алгоритму (см., например, Бабаков И.М. Теория колебаний. М., Наука, 1968 г., с. 65).

Это существенно упрощает поиск решения. Алгоритм нахождения требуемой функции и разработанная компьютерная программа относятся к “ноу-хау” данного изобретения и в материалах заявки не рассматриваются.

Пример практической реализации.

Для динамического макета прибора массой 57 кг необходимо было провести автономные испытания на ударные воздействия, заданные в виде ударных спектров ускорений, показанных на чертежах.

На фиг.1 показаны следующие УСУ:

1 - обобщенный УСУ, полученный от различных источников ударных воздействий на КА;

2 - нормированный УСУ от РН.

На фиг.2 показан коэффициент передачи от места крепления от одного из пиросредств КА (пирозамка) к рассматриваемому прибору.

По результатам частотных испытаний динамического макета КА были получены передаточные функции от источников ударных воздействий на КА к местам крепления рассматриваемого прибора и были выделены 6 основных частот:

2 частоты определяли ударное нагружение от РН (~1,1-1,2 и 1,8-1,9 кГц),

3 частоты определяли ударное нагружение от собственных пиросредств КА (~2,7-2,9, 3,3-3,4 и 3,7-4,1 кГц),

и одна несущая частота определяла нагружение КА при срабатывании механических устройств солнечных батарей (~650-700 Гц).

По рассмотренному выше алгоритму было найдено воздействие, порождающее необходимый УСУ.

На фиг.1 под цифрой 3 показан УСУ, найденный по рассмотренному алгоритму.

Полученный УСУ порождается воздействием

у=100е^-α1t sinω₁t+463e^-α2t sinω₂t;

где τ₁=150, τ₂=450; δ=ln2.

Следует отметить, что из шести первоначально выбранных опорных частот для создания режима испытаний, который мог быть воспроизведен вибростендом ВЭДС-10000, четыре частоты были опущены. Это было сделано из-за невозможности системы управления стенда корректно воспроизвести нагрузку по 6 частотам.

Оставлены были 2 частоты, определяющие максимальное нагружение в рассматриваемом диапазоне частот. На фиг.1 видны две группы частот f₁-f₃ и f₄-f₆ (ω_i=2πf_i). Одна из них соответствует воздействию от РН и одна срабатыванию пиросредств КА. Коэффициент передачи (фиг.2) показывает, что в диапазоне частот 2,4-3,6 кГц существует резонанс (Ко<1).

Следует отметить, что полученное воздействие перекрывает УСУ от РН в диапазоне частот до 2 кГц (это было дополнительное требование заказчика прибора, которое реализовывалось с помощью жестких требований на точность реализации УСУ), а воздействия свыше 1 кГц отфильтровываются конструкцией на достаточно коротких расстояниях. Т.е. нормативное требование по ударному нагружению прибора от РН в диапазоне частот 1-2 кГц явно завышено. Но даже завышенный УСУ реализован на частотах, на которых переносится реальная энергия ударного воздействия.

Оценка по энергетическому методу такого нагружения показывает, что примерно 80% энергии ударного воздействия определяются 2 этими частотами.

Данное изобретение относится к способам осуществления ударных испытаний оборудования и приборов сложных изделий. Предложенный способ испытаний на ударные воздействия аппаратуры и оборудования заключается в задании нормативного воздействия в виде ударного спектра ускорений, формировании в точках крепления объекта испытаний ударного спектра ускорений синтезированием сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов, модулированных по амплитуде полусинусоидой таким образом, чтобы ударный спектр суммарного результирующего сигнала аппроксимировал необходимый ударный спектр ускорений с произвольной степенью точности, и проведении ударного нагружения объекта испытаний полученным импульсом. По ударному спектру ускорений определяют передаточные функции от всех источников ударных воздействий на изделии к местам крепления аппаратуры и оборудования, затем получают максимальный ударный спектр ускорений от всех источников ударного воздействия для мест крепления аппаратуры и оборудования, после чего из передаточных функций и максимального ударного спектра ускорений выделяют основные несущие частоты и определяют по этим частотам коэффициенты затухания в местах крепления аппаратуры и оборудования, после чего формируют ударный импульс ускорения в соответствии с определенной зависимостью. При этом формируемый ударный спектр совпадает с требуемым нормативным ударным спектром ускорений на несущих частотах, а в остальном спектре отличается от требуемого спектра в пределах допустимой погрешности. Данное изобретение позволяет более полно учитывать механические свойства испытуемых изделий. 2 ил.

Способ испытаний на ударные воздействия аппаратуры и оборудования, заключающийся в задании нормативного воздействия в виде ударного спектра ускорений, формировании в точках крепления объекта испытаний ударного спектра ускорений синтезированием сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов, модулированных по амплитуде полусинусоидой таким образом, чтобы ударный спектр суммарного результирующего сигнала аппроксимировал необходимый ударный спектр ускорений с произвольной степенью точности, и проведении ударного нагружения объекта испытаний полученным импульсом, отличающийся тем, что по ударному спектру ускорений определяют передаточные функции от всех источников ударных воздействий на изделии к местам крепления аппаратуры и оборудования, затем получают максимальный ударный спектр ускорений от всех источников ударного воздействия для мест крепления аппаратуры и оборудования, после чего из передаточных функций и максимального ударного спектра ускорений выделяют основные несущие частоты и определяют по этим частотам коэффициенты затухания в местах крепления аппаратуры и оборудования, после чего формируют ударный импульс ускорения по формуле:

где ψ(t) - ударный импульс ускорения;

А_i - амплитуда ускорения при i-й частоте (несущей);

ω_i=2πf_i - собственная круговая частота колебаний (несущая);

f_i - собственная частота колебаний (несущая);

ϕ_i - фазовый сдвиг;

δ_i=lnζ_i;

δ_i - логарифмический декремент колебаний;

ζ_i - коэффициент затухания;

i - номер текущей несущей частоты;

m - количество несущих частот;

t - время действия ударного импульса;

таким образом, что формируемый ударный спектр совпадает с требуемым нормативным ударным спектром ускорений на несущих частотах, а в остальном спектре отличается от требуемого спектра в пределах допустимой погрешности.