Данное изобретение относится к способам испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на ударные воздействия различных сотовых конструкций, содержащих виброизолирующие (амортизирующие) элементы.
Существуют различные способы проведения ударных испытаний. Основное их отличие заключается в создании либо одиночного импульса различной формы (как внешнего воздействия), либо в формировании ударного спектра ускорений (УСУ). В настоящее время наиболее часто используемым методом испытаний на ударные воздействия становятся испытания по методу ударных спектров ускорений. Особенно при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия конструкций и оборудования ракетной и космической техники.
Испытания по методу ударных спектров ускорений с помощью вибрационных электродинамических стендов (синтезирование сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов), стендов с падающими столами (воспроизводятся простейшие сигналы, которые и обеспечивают необходимый УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений проводят, когда неважно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн.2 «Испытательная техника» кн.1 М. Машиностроение 1982г. Стр.334-335). Использование электродинамических стендов ограничено как амплитудой воспроизводимых воздействий (как правило, 200-300g), так и частотой (частотный диапазон воспроизводимых воздействий не превышает 2,5-3кГц).
Для создания ударных воздействий помимо электродинамических стендов существует достаточно разнообразный набор средств, например, всевозможные гидравлические, механические стенды.
Эти устройства позволяют воспроизводить различные способы нагружения объекта испытаний (с уровнями воздействия до десятков тысяч “g”), например, за счет сбрасывания рамы с определенной высоты. Ударное воздействие создают ударом тяжелого маятника по столу, на котором закреплен объект испытаний (Вибрации в технике, справочник в 6 томах. Том 5. Измерения и испытания под редакцией М.Д. Генкина М., Машиностроение 1981 г. стр. 476 - 477). Или решение (Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков и др. Инженерные методы исследования ударных процессов М. Машиностроение, 1977г, стр.24-25), где воспроизводятся простейшие сигналы на маятниковом копре, но они значительно увеличивая амплитуду ускорений, также ориентированы на создание “чистого” импульса за счет подавления вторичной вибрации. Как и одиночный импульс, ударный спектр ускорений (от одиночного импульса) реализуется в одном направлении.
Основным недостатком рассмотренных выше способов испытаний является то, что
при использовании электродинамических стендов для создания ударных воздействий имеются ограничения на амплитудно-частотный диапазон воспроизводимых нагрузок, то есть они не годятся для воспроизведения ударных воздействий высокой интенсивности и ориентированы на создание суперпозицией импульсов воздействия в одном направлении. Типовые механические стенды (например, копровые с падающими столами) ориентированы на создание ударного воздействия в виде одиночного импульса, который действует на все элементы объекта испытаний, а не только в точках его крепления.
Помимо этого, ударные испытания на подобном оборудовании нарушают “физику” нагружения конструкции КА, так как при реальной эксплуатации нагружение КА проводится проходящей волной деформации в конструкции, а отклик на ударное воздействие имеет сложную форму в виде нестационарной вибрации.
Наиболее близким (прототипом) к заявляемому является решение по патенту РФ №2745342 заключающееся в том, что требуемое ударное воздействие высокой интенсивности в форме ударных спектров ускорений в точках контроля формируют по результатам измерений ускорений в виде нестационарной вибрации.
Недостатками этого решения для формирования ударного воздействия в конструкциях из сотовых панелей с амортизирующими устройствами является, в первую очередь невозможность создания многократных ударных воздействий высокой интенсивности для формирования необходимого ударного спектра ускорений из-за большой вероятности повреждения сотовых панелей. Обшивки сотовых панелей могут составлять величины и менее 1 мм, поэтому локальные воздействия высокой интенсивности, например, с помощью механического маятника вызывают остаточные деформации на сотовой панели даже после однократного воздействия. А для формирования необходимого ударного спектра ускорений таких ударов необходимо выполнить несколько. То есть к моменту проведения испытаний сам объект испытаний уже будет поврежден.
Для заявленного изобретения выявлены общие с прототипом существенные признаки: способ испытаний конструкций на ударные воздействия высокой интенсивности по методу ударных спектров ускорений, заключающийся в создании ударных воздействий высокой интенсивности в виде нестационарной вибрации, по результатам измерений ускорений которой формируют требуемые ударные спектры ускорений.
Технической проблемой настоящего изобретения является создание воздействий, соответствующих реальным условиям эксплуатации сотовых конструкций с амортизаторами (соблюдение граничных условий и уровней ударных воздействий на амортизатор) и обеспечивающих при проведении испытаний многократное нагружение объекта испытаний.
Указанная техническая проблема решается за счет того, что при испытаниях сотовых конструкций с амортизирующими устройствами на ударные воздействия высокой интенсивности, создают ударные воздействия высокой интенсивности в виде нестационарной вибрации; по результатам измерений ускорений которой формируют требуемые ударные спектры ускорений; устанавливают металлическую плиту вместо нижней сотовой панели, с сохранением мест и способов крепления амортизирующих устройств; при этом размеры металлической плиты для образца-свидетеля определяют по формуле: L ≥ t0 × c,
где:
L - минимальный размер плиты;
t0 - длительность первой полуволны ударного воздействия;
с - скорость звука в материале плиты,
формируют ударные воздействия высокой интенсивности на сотовую конструкцию, соединенную с амортизирующими устройствами с помощью пиротехнических устройств,
при этом ударные воздействия создают в несколько этапов:
сначала одиночным ударным воздействием на металлической плите между амортизирующими устройствами,
затем ударным воздействием на амортизирующее устройство, сформированным по результатам одиночных ударных воздействий, после чего
одновременным подрывом нескольких пиротехнических устройств создают необходимое ударное воздействие, как на металлической плите, так и на амортизирующем устройстве, причем на всех этапах ударного нагружения меняют мощность пиротехнического устройства,
при этом расстояние между пиротехническим устройством и металлической плитой, обеспечивает совпадение полученного ударного спектра ускорений с требуемым, после чего
переходят к испытаниям следующего этапа, а эффективность работы амортизирующих устройств в составе сотовых конструкций оценивают сравнением огибающих ударных спектров ускорений до и после амортизирующих устройств по всем точкам контроля.
Суть заявленного решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема испытаний сборки: 1 - верхняя сотовая панель, 2 - нижняя металлическая панель, заменяющая сотовую панель, 3 - амортизирующие устройства, 4 - измерительные датчики на сотовой панели, 5 - измерительные датчики на металлической панели, 6 - пиротехнические устройства, 7 - амортизационные шнуры вывески.
На фиг. 2 показана нижняя металлическая панель 2 с резьбовыми отверстиями для установки контрольных датчиков. На нижней металлической панели 2 (на внутренней ее части) необходимо создать режим ударного нагружения от воздействия космического/техногенного мусора, приведенный в таблице 1 (фиг. 3). Допустимые уровни ударных воздействий на сотовой панели приведены в таблице 2 (фиг. 4). При этом на металлической панели 2 крепление амортизационных устройств 3 выполняют аналогично креплению на сотовой панели, что обеспечивает передачу ударного воздействия на амортизирующее устройство 3 одинаково как от сотовой панели, так и от металлической (сохраняются величины акустических импедансов стыков). Замена штатной сотовой панели на металлическую панель 2 позволяет формировать необходимое ударное воздействие без повреждения самой панели (допускается многократное ударное воздействие на панель). Ударное воздействие создают с помощью пиротехнических устройств 6.
Контроль величины ударного нагружения на металлической панели выполняют с помощью измерительных датчиков 5. Оценку снижения ударных воздействий на сотовой панели 1 за счет амортизирующих устройств 3 проводят с помощью измерительных датчиков 4. Для снижения влияния краевых эффектов (за счет отражения от границ панели) металлическая плита 2 должна иметь размеры, определяемые по формуле:
L > t0 × c,
где: L - минимальный размер плиты;
t0 - длительность первой полуволны ударного воздействия;
с - скорость звука в материале плиты.
Минимальный размер плиты необходим для того, чтобы сформированный ударный импульс, реализующий воздействие, приведенное в таблице 1, успел пройти через амортизирующее устройство до того, как на это устройство начнут воздействовать отраженные от границ плиты вторичные волны. Использование пиротехнических устройств позволяет создавать локальные ударные воздействия, близкие по “физике” ударного воздействия космическому мусору, а дальнейший отклик получать уже в виде нестационарной вибрации. При этом следует отметить, что даже при формировании ударного воздействия в виде нестационарной вибрации с требуемым ударным спектром ускорений, максимальным будет первый пик. То есть по прохождению уже первого импульса можно делать заключение об эффективности работы амортизирующего устройства. Эффективность работы всей системы оценивают по снижению сигнала при прохождении через систему до уровней примерно 10%. Необходимость выполнения ударных воздействий в несколько этапов поясняется следующим образом. Образование и распространение поперечных волн деформаций, как в сотовой плите, так и металлической плите имеет близкую природу, а вот передача ударного воздействия через амортизирующее устройство проходит иначе. Сначала поперечная волна при подходе к амортизирующему устройству должна преобразоваться в продольную волну деформаций, передающуюся через амортизирующее устройство, а затем в виде продольной волны пройти через это устройство. После чего продольная волна, проходящая через амортизирующее устройство, вновь преобразуется в поперечную волну деформаций в сотовой плите.
При непосредственном воздействии на амортизирующее устройство вероятность получения на защищаемой плите недопустимого уровня удара существенно возрастает, так как преобразование продольной волны в поперечную волну происходит однократно. То есть для воспроизведения реального воздействия на верхнюю (защищаемую) плиту необходимо проводить одновременное воздействие, как на металлическую плиту, так и на амортизирующее устройство. Кроме того, возможна и интерференция передаваемых через амортизирующее устройство волн деформаций. При использовании нескольких пироустройств такое воздействие легко осуществляется за счет варьирования количеством пироустройств, их точек приложения, массы заряда, расстоянием между пироустройством и металлической плитой и т.д. Очевидно, что на всех этапах испытаний необходимо проводить контроль заданных и полученных на металлической плите ударных спектров ускорений.
Эффективность работы амортизирующих устройств в составе сотовых конструкций оценивают сравнением огибающих ударных спектров ускорений до и после амортизирующих устройств по всем точкам контроля.
На металлической плите ударное воздействие (с учетом допустимой погрешности) не должно быть меньше заданной, а на сотовой плите не более допустимого уровня.
Пример практического исполнения.
В качестве примера рассмотрим испытание образца-свидетеля системы защиты КА от техногенного мусора. На фиг. 1 показана сборка, состоящая из двух панелей с амортизационными устройствами: 1 - верхняя сотовая панель размером 500×500мм, толщиной 50мм; 2 - нижняя металлическая панель размером 350×350 мм, толщиной 10мм, материал сталь 45 заменяющая сотовую панель; 3 - амортизирующие устройства высотой 25мм; 4 - измерительные датчики на сотовой панели; 5 - измерительные датчики на металлической панели; 6 - пиротехнические устройства; 7 - амортизационные шнуры вывески. В сотовую панель устанавливают соединительные элементы монтажа общим количеством 8 штук. Снизу (фиг. 2) для крепления стальной плиты используют 8 болтов М5. В стальной плите выполнено девять сквозных резьбовых отверстий М5 для монтажа измерительных датчиков 5. На верхней (сотовой) панели контрольные датчики 4 устанавливают на эпоксидный клей.
Размер металлической плиты получен с учетом минимальной длительности первого пика ударного воздействия
Для создания ударных воздействий используется специальное пиротехническое устройство 6 (СПУ-107-7680-5911).
Испытания проводились в два этапа (срабатывание одного и двух СПУ). При этом менялись места приложения ударного воздействия, зазоры между СПУ и металлической плитой. В общем случае было проведено 32 срабатывания. Этапы проведения ударных испытаний приведены в таблице 4 (фиг. 6).
Результаты формирования требуемого УСУ показаны на фиг. 7-9 для точек контроля, показанных на фиг. 2 в соответствии с требованиями, приведенными в таблице 1 (фиг. 3), с допустимыми уровнями на сотовой панели, приведенными в таблице 2 (фиг. 4) и с погрешностями, приведенными в таблице 3 (фиг. 5).
На фиг. 7 показаны: 1 - требуемый ударный спектр ускорений; 2 - минимальный (начальный) спектр ускорений; 3 - ударный спектр ускорений, сформированный по представленной технологии.
На фиг. 8 показаны: 4 - допустимый ударный спектр ускорений; 5 - минимальный спектр; 3 - максимальный ударный спектр ускорений, зарегистрированный на верхней (сотовой) панели.
На фиг. 9 показан график минимальных значений отношения ударных спектров ускорений до и после амортизации, что позволяет оценить эффективность работы амортизации в различных частотных диапазонах.
Как видно из графиков, показанных на фиг. 7-9, полученные УСУ соответствуют требованиям таблиц 1,2 (фиг. 3, 4).
Таким образом, при реализации заявляемого изобретения достигается следующий технический результат: создаются ударные воздействия соответствующие реальным условиям эксплуатации сотовых конструкций с амортизаторами (соблюдение граничных условий и уровней ударных воздействий на амортизатор). Кроме того, при проведении испытаний обеспечивается многократное нагружение объекта испытаний без повреждений.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.
Изобретение относится к области испытаний на ударные воздействия высокой интенсивности по методу ударных спектров ускорений и может быть использовано для ударных испытаний конструкций и оборудования в авиационной и ракетно-космической технике. Способ заключается в создании ударных воздействий высокой интенсивности в виде нестационарной вибрации, по результатам измерений ускорений которой формируют требуемые ударные спектры ускорений. При испытаниях сотовых конструкций с амортизирующими устройствами формирование ударных воздействий высокой интенсивности на сотовых конструкциях, соединенных амортизирующими устройствами, выполняют с помощью пиротехнических устройств. Сотовую панель, на которой создается требуемое ударное воздействие, заменяют металлической плитой с сохранением мест и способов крепления амортизирующих устройств. При этом ударные воздействия создают в несколько этапов: сначала одиночным ударным воздействием на металлической плите между амортизирующими устройствами, затем ударным воздействием на амортизирующее устройство, сформированным по результатам одиночных ударных воздействий. После этого одновременным подрывом нескольких пироустройств создают необходимое ударное воздействие как на металлической плите, так и на амортизирующем устройстве. Причем на всех этапах ударного нагружения меняют мощность пироустройства, расстояние между пироустройством и металлической плитой, обеспечивая совпадение полученного ударного спектра ускорений с требуемым спектром. После чего переходят к испытаниям следующего этапа, а эффективность работы амортизирующих устройств в составе сотовых конструкций оценивают сравнением огибающих ударных спектров ускорений до и после амортизирующих устройств по всем точкам контроля. Технический результат заключается в возможности создания воздействий, соответствующих реальным условиям эксплуатации сотовых конструкций с амортизаторами и обеспечивающих при проведении испытаний многократное нагружение объекта испытаний без повреждений. 9 ил. 
Способ испытаний сотовых конструкций с амортизирующими устройствами на ударные воздействия высокой интенсивности, заключающийся в создании ударных воздействий высокой интенсивности в виде нестационарной вибрации, по результатам измерений ускорений которой формируют требуемые ударные спектры ускорений, отличающийся тем, что устанавливают металлическую плиту вместо нижней сотовой панели, с сохранением мест и способов крепления амортизирующих устройств, при этом размеры металлической плиты для образца-свидетеля определяют по формуле:
L ≥ t0 × c,
где:
L - минимальный размер плиты;
t0 - длительность первой полуволны ударного воздействия;
с - скорость звука в материале плиты,
формируют ударные воздействия высокой интенсивности на сотовую конструкцию, соединенную с амортизирующими устройствами с помощью пиротехнических устройств,
при этом ударные воздействия создают в несколько этапов:
сначала одиночным ударным воздействием на металлической плите между амортизирующими устройствами,
затем ударным воздействием на амортизирующее устройство, сформированным по результатам одиночных ударных воздействий, после чего
одновременным подрывом нескольких пиротехнических устройств создают необходимое ударное воздействие, как на металлической плите, так и на амортизирующем устройстве, причем на всех этапах ударного нагружения меняют мощность пиротехнического устройства,
при этом расстояние между пиротехническим устройством и металлической плитой обеспечивает совпадение полученного ударного спектра ускорений с требуемым, после чего
переходят к испытаниям следующего этапа, а эффективность работы амортизирующих устройств в составе сотовых конструкций оценивают сравнением огибающих ударных спектров ускорений до и после амортизирующих устройств по всем точкам контроля.
| Способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования | 2020 |
|
RU2745342C1 |
| СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ | 2007 |
|
RU2338169C1 |
| WO 2009000897 A1, 31.12.2008 | |||
| Вибрации в технике, справочник в 6 томах | |||
| Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
| Измерения и испытания под редакцией М.Д.Генкина | |||
| Приспособление для изготовления в грунте бетонных свай с употреблением обсадных труб | 1915 |
|
SU1981A1 |
| Г.С | |||
| Батуев, Ю.В | |||
| Голубков и др | |||
| Инженерные методы исследования ударных процессов М.: Машиностроение, 1977 г., стр.24-25. | |||
