СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ Российский патент 2005 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к области испытаний сложных машин с нелинейностями на механические воздействия и может быть использовано при формировании режимов нагружения самих машин, а также приборов и оборудования этих машин для автономных испытаний.

Одной из важных задач, возникающих при исследовании сложных систем, является изучение закономерностей, связанных с воздействием на них механических нагрузок. При отработке таких механических устройств возникает также необходимость в разработке режимов автономных испытаний приборов и оборудования. Наиболее часто это проводится на основании передаточных функций (коэффициентов передачи) от различных источников механических нагрузок к местам установки приборов и оборудования. Обычно используются два метода получения передаточных функций: по методу сканирования гармонической вибрации и по методу ударного нагружения (аналоги). При введении понятия "передаточная функция" главным допущением является допущение о "линейности" исследуемой системы. Это утверждение справедливо в том случае, когда деформации системы при динамических возмущениях имеют упругий характер, а также отсутствуют люфты (зазоры) и сухое трение.

Для исследования таких систем можно применять хорошо разработанный математический аппарат теории линейных систем. Но реальные объекты чрезвычайно редко могут быть отнесены к такому классу систем, т.к. большинство конструкций не линейны. При анализе конструкций необходимо учитывать возможные нелинейности. Все это является чрезвычайно важным при верификации расчетных моделей сложных изделий. Так как даже самая подробная динамическая модель всегда будет иметь отличия от штатного объекта (и это, в первую очередь, касается различий по демпфирующим свойствам исследуемых объектов и их динамических моделей).

Установление нелинейности (независимо от вида нелинейности) заключается в поэтапном нагружении конструкции с увеличением амплитуды воздействия, регистрации реакции конструкции в контрольных точках и построении зависимостей между нагрузкой и реакцией конструкции на нагрузку - прототип (В.Л.Бидерман. "Теория механических колебаний ", М: “Высшая школа”, 1980 г., с.24-34).

Недостатками используемого метода является: его ограниченность при испытаниях штатных устройств: ограничения на максимальные уровни нагрузки, время нагружения и количество повторных нагружений. Кроме того, невозможно проводить испытания в широких амплитудном и частотном диапазонах. Для проведения испытаний штатного объекта данные, полученные при испытаниях динамической модели, требуют корректировки.

Предлагаемое решение позволит устранить отмеченные недостатки. Достигается необходимый результат тем, что конструкция нагружается последовательно как гармонической вибрацией низкого уровня, так и ударными воздействиями устройствами того же класса и с той же максимальной амплитудой, что и устройства, применяемые в составе испытуемого изделия, затем выделяют общий частотный диапазон для ударных и вибрационных воздействий. После чего определяют передаточные функции по амплитудным спектрам для гармонической вибрации и по ударным спектрам ускорений для ударных воздействий, вычисляют коэффициенты отношений полученных передаточных функций по ударным и амплитудным спектрам и по этим соотношениям делают заключение о частотных диапазонах нелинейности в конструкции.

Сущность заявляемого решения может быть пояснена следующим образом.

Установление нелинейностей в сложных механических системах (например, КА) можно выполнить без проведения специальных испытаний. Штатный КА (и его динамическая модель, разрабатываемая для проведения испытаний на механические воздействия) в процессе проведения приемных испытаний подвергаются воздействию гармонической (синусоидальной) вибрации и ударным воздействиям. При этом ударные испытания проводятся срабатыванием штатных устройств. При испытаниях динамической модели штатные пиросредства могут заменяться аналогами, но эти устройства всегда соответствуют по воздействиям штатным.

Во время таких испытаний проводится регистрация нагрузок и всегда можно получить передаточные функции между интересующими точками. Передаточные функции получают по амплитудным и ударным спектрам. Т.е. без проведения специальных испытаний можно получить передаточные функции по КА как при ударных воздействиях, так и при гармонической вибрации.

Для описания ударного нагружения различных систем наиболее часто используется понятие ударного спектра ускорений (УСУ). Понятие УСУ и алгоритм его получения приведены, например, в работе: О.П.Дояр. “Алгоритм расчета ударного спектра”, в сб. Динамика систем. Численные методы исследования динамических систем, Нистру, Кишенев, 1982 г.

Для описания гармонического вибрационного нагружения используется понятие амплитудного спектра (АС), т.е. используются коэффициенты Фурье-преобразования. Связь между амплитудным и ударным спектрами (для спектра последействия) представляется следующими зависимостями.

Для точки "i"

где

- ударный спектр ускорений

- амплитудный спектр (спектр Фурье)

ω - круговая частота.

Для точки "k"

Рассмотрим следующее выражение

Обозначим:

передаточная функция по УСУ

передаточная функция по АС.

Для линейных систем

K^srs(ω)≡K^sF(ω),

т.е. передаточные функции по амплитудным и ударным спектрам равны, и при сохранении линейности рассматриваемой системы

Обозначим далее

Существенные отклонения коэффициентами Ψ(ω) от 1 (более тех, которые могут быть отнесены к погрешностям эксперимента) на определенных частотах указывают на существование нелинейности в исследуемой системе на этих частотах. Сравнение естественно можно проводить только в общих частотных диапазонах, которые определяются используемым для проведения каждого вида испытаний оборудованием и самой методикой проведения испытаний.

Следует также заметить, что такой метод определения нелинейностей позволяет выявлять диапазоны нелинейностей без проведения нагружения разными уровнями при испытаниях динамического макета и уточнить их, например, на протолетном КА, выполняя обязательные частотные (вибрационные испытания низкого уровня) и ударные испытания, входящие в программу обязательных испытаний протолетных КА.

Пример практического применения

При проведении испытаний одного из КА системы “Глонасс” были проведены как вибрационное нагружение низкого уровня - этап технологических вибрационных испытаний (амплитуда нагружения 0,2-0,5 г в диапазоне частот до 2,5 кГц), так и ударные испытания срабатыванием 4 пирозамков системы отделения.

На чертеже показан коэффициент Ψ(ω) (частное от деления коэффициентов отношений по ударным спектрам ускорений и по амплитудным спектрам, которые получены по результатам измерений от плоскости разделения КА с ракетой к нижнему шпангоуту гермоконтейнера). Т.к. данные по испытаниям на гармоническую вибрацию были только в диапазоне частот до 2500 Гц, а ударное нагружение конструкции имеет частотный состав выше уровня шума с 300 Гц, то и отношения получены в этом диапазоне (300-2500 Гц). Как видно из чертежа в общем диапазоне частот нелинейности находятся в диапазонах частот 450-500 Гц, 500-700 Гц, 900 Гц, 1500 и 2000 Гц. Коэффициент Ψ(ω) имеет значения от 2 до 5.

В то же время эти графики показывают, что для оценки нагружения в других частотных диапазонах можно использовать передаточные функции, полученные как при испытаниях на гармоническую вибрацию, так и при ударных воздействиях.

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: поэтапно нагружают конструкцию с увеличением амплитуды воздействия. Регистрируют реакцию конструкции в контрольных точках и строят зависимости между нагрузкой и реакцией конструкции на нагрузку. Конструкцию нагружают последовательно как гармонической вибрацией низкого уровня, так и ударными воздействиями устройствами того же класса и с той же максимальной амплитудой, что и устройства, применяемые в составе испытуемого изделия. Выделяют общий частотный диапазон для ударных и вибрационных воздействий. Определяют передаточные функции по амплитудным спектрам для гармонической вибрации и по ударным спектрам ускорений для ударных воздействий. Вычисляют коэффициенты отношений полученных передаточных функций по ударным и амплитудным спектрам и при отличии данных коэффициентов от 1 на величину, большую, чем погрешность проведения эксперимента, делают заключение о частотных диапазонах нелинейности в конструкции. Технический результат: повышение точности испытаний. 1 ил.

Способ определения частотного диапазона нелинейностей сложных конструкций при механических испытаниях, заключающийся в поэтапном нагружении конструкции с увеличением амплитуды воздействия, регистрации реакции конструкции в контрольных точках и построении зависимостей между нагрузкой и реакцией конструкции на нагрузку, отличающийся тем, что конструкцию нагружают последовательно как гармонической вибрацией низкого уровня, так и ударными воздействиями устройствами того же класса и с той же максимальной амплитудой, что и устройства, применяемые в составе испытуемого изделия, выделяют общий частотный диапазон для ударных и вибрационных воздействий, затем определяют передаточные функции по амплитудным спектрам для гармонической вибрации и по ударным спектрам ускорений для ударных воздействий, после чего вычисляют коэффициенты отношений полученных передаточных функций по ударным и амплитудным спектрам и при отличии данных коэффициентов от 1 на величину большую, чем погрешность проведения эксперимента, делают заключение о частотных диапазонах нелинейности в конструкции.