СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ОБЪЕКТА НА УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01M7/08 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям объектов на воздействие ударных нагрузок.

В настоящее время режимы автономных ударных испытаний приборов, в основном, назначаются в виде одиночных ударных импульсов ускорения полусинусоидальной формы, параметры которых по пиковому значению могут достигать 100000 м/с² и более при минимальной длительности удара 0,2·10^-3 с и менее. Испытания приборов на ударостойкость к таким нагрузкам особенно важны для элементов, содержащих пьезокристаллы и т.п. Однако существующее известное в промышленности оборудование для испытания объекта на ударные воздействия имеет ограниченные эксплуатационные возможности по воспроизведению ударных импульсов как по максимальному пиковому значению, так и по их минимальной длительности.

В связи с этим возникла необходимость в разработке способа, позволяющего на существующих конструкциях ударных стендов, имеющих свои предельные эксплуатационные возможности, расширить диапазон и увеличить уровень возбуждаемых в испытуемых объектах частот, что позволит повысить качество отработки их ударостойкости.

В области испытательной техники широко распространен способ испытания объекта на ударные воздействия, который, например, реализуется в ударном стенде копрового типа [1]. Данный способ заключается в том, что испытуемый объект, закрепленный на платформе копра свободного падения, сбрасывается с определенной высоты и в процессе взаимодействия платформы с упором (формирователем) подвергается действию одиночного импульса ударного ускорения. Основным ограничением эксплуатационных возможностей копра свободного падения является предельная высота сброса платформы, зависящая от высоты лабораторного помещения.

Известно, что для увеличения реакции элементов конструкции на их собственных частотах необходимо повышать уровень пикового значения ударного ускорения, а для расширения диапазона возбуждаемых в изделии частот - уменьшать длительность воздействия. Однако, как правило, из-за наличия пластических деформаций материалов в зоне контакта платформы с упором появляется еще одно ограничение, связанное с воспроизведением предельной минимально возможной длительности импульса ударного ускорения. Таким образом, недостатком известного способа является то, что, имея предельные параметры формируемого стендом импульса ударного ускорения, расширить диапазон возбуждаемых в изделии частот и увеличить реакцию его элементов становится трудно выполнимым.

Известен способ испытания объекта на ударные воздействия, реализуемый в изобретение под названием "Стенд для испытания изделий на воздействие затухающих колебаний" [2].

По данному способу, наиболее близкому по технической сущности и принятому за прототип, испытуемый объект закрепляют на столе упругого резонатора, закрепленного на платформе стенда, которую подвергают воздействию импульса ударного ускорения. При этом реакция стола резонатора представляет собой знакопеременные затухающие колебания определенной частоты. Однако, согласно [3], реакция упругого резонатора на входное воздействие в виде импульса ускорения полусинусоидальной формы может трансформироваться в одиночный импульс ударного ускорения с увеличенным, по сравнению с входным воздействием, пиковым значением при условии, что собственная частота системы (платформа и резонатор с испытуемым объектом) равна:

,

где ƒ_p - собственная чистота системы, образованной платформой и резонатором с испытуемым объектом;

τ_вх - длительность входного ударного воздействия.

Таким образом наличие на платформе стенда резонатора с испытуемым объектом (по техническому решению [2]), настроенного на требуемую частоту, позволяет трансформировать ударный импульс входного воздействия с амплитудой А_вх и длительностью τ_вх в одиночный ударный импульс с увеличенной амплитудой А_р>А_вх и уменьшенной длительностью τ_р<τ_вх, сохраняя при этом постоянным перепад скорости за удар, то есть

где А_вх - входной ударный импульс;

А_р - ударный импульс с увеличенной амплитудой.

Это позволяет несколько расширить диапазон возбуждаемых в испытуемом объекте частот и увеличить реакцию элементов на этих частотах, что наряду с положительным эффектом является также и недостатком прототипа, так как возможности дальнейшего увеличения диапазона и уровня возбуждаемых в испытуемом объекте частот отсутствуют.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является расширение эксплуатационных возможностей путем увеличения диапазона и уровня возбуждаемых в испытуемом объекте частот без изменения предельных параметров воспроизводимого стендом ударного импульса.

Поставленная задача решается тем, что в способе испытания объекта на ударные воздействия, по которому испытуемый объект закрепляют на столе упругого резонатора, установленного на платформе стенда, которую подвергают воздействию ударного импульса, согласно изобретению между столом резонатора и испытуемым объектом дополнительно устанавливают в зависимости от требуемого диапазона и уровня возбуждаемых в объекте частот один или несколько последовательно закрепленных упругих резонаторов с возрастающей их жесткостью от платформы к испытуемому объекту, причем собственные частоты системы, образованной платформой и резонаторами, настроены на частоты, соответствующие предварительно вычисленным минимумам амплитудного спектра Фурье, воспроизводимого стендом предельного ударного импульса.

Воздействие на испытуемый объект ударного импульса, параметры которого задают с учетом предлагаемых условий, в зависимости от требуемого диапазона и уровня возбуждаемых в объекте частот позволяет трансформировать ударный импульс входного воздействия в одиночный ударный импульс с увеличенной амплитудой и уменьшенной длительностью.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию "новизна".

Новые признаки (дополнительная установка между столом резонатора и испытуемым объектом в зависимости от требуемого диапазона и уровня возбуждаемых в объекте частот одного или нескольких последовательно закрепленных резонаторов с возрастающей их жесткостью от платформы к испытуемому объекту, причем собственные частоты системы, образованной платформой и резонатором, настроены на частоты, соответствующие предварительно вычисленным минимумам амплитудного спектра Фурье, воспроизводимого стендом предельного ударного импульса, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется следующими чертежами, где

на фиг.1 приведены амплитудно-временные зависимости ударных импульсов ускорения;

на фиг.2 - зависимости амплитудного спектра Фурье импульсов ударного ускорения, воспроизводимых стендом;

на фиг.3 приведена расчетная схема устройства, реализующего способ испытания объекта на ударные воздействия;

на фиг.4 - зависимости положительных и отрицательных ударных спектров текущих и последействия импульсов ускорения.

На фиг.1 приведены амплитудно-временные зависимости ударных импульсов ускорения (где А - ускорение, t - время):

- предельный, воспроизводимый стендом (кривая а);

- реакция резонатора на предельный импульс при частоте системы, образованной платформой и резонатором с испытуемым объектом, равной частоте первого минимума амплитудного спектра Фурье предельного импульса ускорения (кривая в);

- воспроизводимый по изобретению при наличии двух последовательно установленных резонаторов с увеличивающейся жесткостью с собственными частотами системы, образованной платформой и двумя резонаторами с испытуемым объектом, равными частотам первого и второго минимума амплитудного спектра Фурье предельного импульса ускорения (кривая с).

На фиг.2 приведены зависимости амплитудного спектра Фурье импульсов ударного ускорения, воспроизводимых стендом (где S(f) - амплитудный спектр Фурье, f - частота), полученных по:

- аналогу [1] (кривая а);

- прототипу [2] (кривая в);

- предлагаемому изобретению (кривая с).

На фиг.3 приведена расчетная схема устройства, реализующего способ испытания объекта на ударные воздействия, где обозначено:

М₀ - масса платформы стенда;

M₁ - масса стола первого резонатора;

M₂ - масса стола второго резонатора с испытуемым объектом;

C₁ - жесткость первого резонатора;

С₂ - жесткость второго резонатора;

А₀(t) - входной ударный импульс ускорения, формируемый стендом.

На фиг.4 приведены зависимости положительных и отрицательных ударных спектров текущих и последействия импульсов ускорения (где R(f)⁺ - положительный ударный спектр, R(f)^- - отрицательный ударный спектр, f - частота), полученных по:

- аналогу [1] (кривые 1_а, 1_в);

- прототипу [2] (кривые 2_а, 2_в);

- предлагаемому изобретению (кривые 3_а, 3_в).

Осуществление способа испытания объекта на ударные воздействия показано на фиг.3 - расчетной схеме, имеющей два резонатора.

Способ осуществляется следующим образом.

На платформе стенда устанавливается первый упругий резонатор жесткостью C₁. На стол первого резонатора устанавливается второй резонатор жесткостью С₂, на столе которого закрепляют испытуемый объект, при этом выполняется условие C₂>C₁. Зная заранее параметры (пиковое ударное ускорение - А₀, длительность - τ) и форму ударного импульса A₀(t) (см. фиг.1, кривая а), формируемого стендом на предельных эксплуатационных возможностях, вычисляют его амплитудный спектр Фурье в зависимости от частоты (см. фиг.2, кривая а). В точках минимума амплитудного спектра Фурье определяют значения частот f₁ и f₂, которые должны соответствовать собственным частотам всей системы, образованной платформой и двумя резонаторами с испытуемым объектом (фиг.4).

Подвергают платформу воздействию ударного импульса A₀(t) (см. фиг.1, кривая а), который трансформируется системой также в одиночный импульс ускорения как массой стола первого резонатора A₁(t), так и массой стола второго резонатора A₂(t), но при увеличении их пиковых значений ускорения A₂>A₁>A₀ и уменьшении длительностей τ₂<τ₁<τ₀, что и позволяет увеличить диапазон и уровень возбуждаемых в испытуемом объекте частот (см. фиг.1, кривые в, с).

Возможность промышленной реализации и практической возможности достижения требуемого технического результата при использовании изобретения иллюстрируется следующим примером.

Пример.

Предельный импульс ускорения, воспроизводимый ударным стендом, имел следующие параметры: пиковое значение ударного ускорения - А₀=1000 м/с² и длительность - τ=0,5·10^-3 с, который являлся входным для дальнейших расчетов (см. фиг.1, кривая а). Вычислили амплитудный спектр Фурье этого ударного импульса (см. фиг.2, кривая а). Определили частоты, на которых амплитудный спектр Фурье принимал минимальные значения (в нашем случае нулевые), они составили f₁=3000 Гц и f₂=5000 Гц. Установив на платформе массой М₀ один упругий резонатор и выбрав жесткость C₁ такой, чтобы собственная частота системы, образованной платформой М₀ и резонатором M₁, равнялась величине f₁=3000 Гц, получили на столе резонатора при воздействии на платформу входного ударного импульса также одиночный импульс ускорения с пиковым значением A₁=1500 м/с² при длительности τ≈0,35·10^-3 с (см. фиг.1, кривая в). Его амплитудный спектр Фурье (см. фиг.2, кривая в) расширился до 5000 Гц, а ударные спектры по своему уровню увеличились (см. фиг.4, кривые 2_а, 2_в) по сравнению с ударными спектрами входного воздействия (см. фиг.4, (кривые 1_a, 1_в).

При закреплении на столе первого резонатора дополнительного резонатора М₂ жесткостью С₂, обеспечивающей совместно с жесткостью C₁ собственные частоты системы, образованной платформой М₀ и резонаторами M₁ и М₂, равные 3000 Гц и 5000 Гц, входное ударное воздействие на столе второго резонатора трансформировалось в одиночный удар с пиковым значением ускорения 1900 м/с² при длительности ≈0,27·10^-3 с (см. фиг.1, кривая с). Амплитудный спектр Фурье этого удара расширился до 7000 Гц (см. фиг.2, кривая с), а ударные спектры по своему уровню увеличились в два и более раза по сравнению с ударными спектрами входного воздействия (см. фиг.4, кривые 3_а, 3_в).

В результате воздействия входной ударный импульс А₀=1000 м/с² с длительностью τ=0,5·10^-3 с (см. фиг.1, кривая а) трансформировался в импульс с пиковым значением A₁=1900 м/с² при длительности τ=0,27·10^-3 с (см. фиг.1, кривая с).

Таким образом, предлагаемый способ позволил в 1,9 раза увеличить амплитуду и уменьшить длительность испытательного импульса ускорения.

Дальнейшая последовательная установка резонаторов с увеличенной жесткостью от платформы к испытуемому объекту также приводила к увеличению пикового значения формируемого импульса ударного ускорения и уменьшению его длительности, что позволило увеличить диапазон и уровень возбуждаемых в объекте частот.

Настоящее изобретение позволило создать простую в вычислении характеристик методику испытания объекта на ударное воздействие, которая в совокупности с существующими методами испытания позволит проводить испытания на существующих конструкциях ударных стендов, имеющих свои предельные эксплуатационные возможности, расширив диапазон и увеличив уровень возбуждаемых в испытуемых объектах частот.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявляемый способ при его осуществлении, предназначено для испытания объекта на воздействие пиковых ударных нагрузок на существующих конструкциях ударных стендов, имеющих свои предельные эксплуатационные возможности;

- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

[1] - Бураго А.Н. Стенды для испытания изделий на ударные воздействия. / ЛДНТП, 1970 г., стр.13, рис.2.

[2] - Авторское свидетельство СССР №1089445, G 01 M 7/00, опуб. 30.04.84 г, прототип.

[3] - Ленк А., Ренитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. / М., Мир. 1976 г., стр.40, фиг.2.17 (процесс последействия отсутствует).

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: испытуемый объект закрепляют на столе упругого резонатора, установленного на платформе стенда, которую подвергают воздействию ударного импульса. Между столом резонатора и испытуемым объектом дополнительно устанавливают в зависимости от требуемого диапазона и уровня возбуждаемых в объекте частот один или несколько последовательно закрепленных упругих резонаторов с возрастающей их жесткостью от платформы к испытуемому объекту. Собственные частоты системы, образованной платформой и резонаторами, настроены на частоты, соответствующие предварительно вычисленным минимумам амплитудного спектра Фурье, воспроизводимого стендом ударного импульса. Технический результат: расширение эксплуатационных возможностей. 4 ил.

Способ испытания объекта на ударные воздействия, по которому испытуемый объект закрепляют на столе упругого резонатора, установленного на платформе стенда, которую подвергают воздействию ударного импульса, отличающийся тем, что между столом резонатора и испытуемым объектом дополнительно устанавливают в зависимости от требуемого диапазона и уровня возбуждаемых в объекте частот один или несколько последовательно закрепленных упругих резонаторов с возрастающей их жесткостью от платформы к испытуемому объекту, причем собственные частоты системы, образованной платформой и резонаторами, настроены на частоты, соответствующие предварительно вычисленным минимумам амплитудного спектра Фурье, воспроизводимого стендом ударного импульса.