СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ ВИБРОУДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2025 года по МПК G01M7/08 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытаниям на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования, и может быть использовано в авиационной и ракетно-космической технике.

Известен способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия по методу ударных спектров ускорений [патент РФ №2745342, МПК G01M 7/00, опуб. 24.03.2021]. Способ заключается в создании импульсов ускорений с помощью ударного стенда, регистрации ускорений и получении ударного спектра ускорений в точках крепления объекта испытаний. Требуемое ударное воздействие в форме ударных спектров ускорений формируют в виде нестационарной вибрации на динамическом макете объекта испытаний, а ударные спектры ускорений одновременно получают для положительных и отрицательных значений ускорений нестационарной вибрации. При этом формируют необходимый режим, подбирая нужное воздействие. Затем динамический макет объекта испытаний заменяют на испытуемый объект и проводят ударные испытания на сформированном режиме. Причем количество создаваемых ударных воздействий на объекте испытаний уменьшают вдвое относительно требуемого количества ударных воздействий вдоль каждой из осей, для которых сформированы положительные и отрицательные ударные спектры ускорений, отличающиеся от требуемых ударных спектров ускорений во всем заданном частотном диапазоне на величину, меньшую, чем допустимая погрешность.

Существенным недостатком известного способа является использование в качестве источника ударных воздействий пиротехнических устройств, закрепленных на специализированной оснастке, что приемлемо для испытаний относительно небольших сборок. Испытания макетов возможны только с вывеской объекта испытаний над установленными пиротехническими устройствами, когда имеется доступная поверхность для создания ударных воздействий. То есть данный способ испытаний может быть использован в ограниченных случаях эксплуатации.

Известен способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования [патент РФ №2338169, МПК G01M 7/08, опуб. 10.11.2008], заключающийся в ударном нагружении объекта испытаний пиротехническими устройствами с заранее заданными ударными спектрами ускорений и регистрации ускорений в контрольных точках. В данном способе испытания проводят последовательно при одной и той же установке объекта испытаний: вначале раздельно формируют режимы ударного и вибрационного нагружения, разбивая частотный диапазон на два участка. В низкочастотной области для обеспечения наперед заданного ударного спектра формируют режим вибрационных испытаний, а в высокочастотной области спектра режим ударных испытаний формируют пиротехническими устройствами. После чего подбирают необходимые источники вибрационного нагружения и пиротехнические устройства, проводят последовательно испытания на вибрационные и ударные воздействия, по результатам измерений ускорений, при которых получают ударные спектры ускорений в одних и тех же точках контроля, объединяют полученные ударные спектры и при отличии полученных ударных спектров от наперед заданных ударных спектров ускорений уточняют необходимые режимы вибрационного и ударного нагружения.

Недостатком известного способа является то, что в качестве нагружающего устройства рассматриваются пиротехнические средства, задействование которых осуществляется в процессе вибрационных испытаний. Процедура подбора пиротехнических устройств, амортизационных элементов и режимов вибрационных испытаний, обеспечивающих воспроизведение эквивалентного заданному по ударному спектру воздействия, сопряжена со значительными временными и материальными затратами. Кроме этого недостатком данного способа является существенные ограничения по амплитудам входного воздействия. В результате осуществляется комплексное воздействие, состоящее из ударного и вибрационного воздействий, что на деле является трудоемким, при этом требующим определения необходимого времени задействования пиротехнического устройства.

Известен способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования [патент РФ №2787813, МПК G01M 7/00, опуб. 12.01.2023], наиболее близкий по технической сущности и принятый за прототип. Способ заключается в выборе нагружающего устройства (стенда) в соответствии с требованиями по нагрузкам в месте крепления объекта испытаний, проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства с использованием метода конечных элементов, проведении численного эксперимента с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве, при совпадении экспериментальных данных и требуемых параметров виброударного воздействия в пределах допустимой погрешности, макет объекта испытаний заменяют на объект испытаний, который нагружают требуемым ударным воздействием.

В данном способе после проведения численного эксперимента выбирают точки с максимальными уровнями нагружения силовой конструкции и комплектующих объекта испытаний при испытаниях на всех типах стендов, сравнивают с допустимыми значениями. Причем стенды, для которых на приборы и оборудование превышены допустимые значения по напряжениям в элементах конструкции или ударным спектрам ускорений на комплектующих, исключают из дальнейшего рассмотрения, причем выбор метода нагружения объекта испытаний и типа стенда для ударных испытаний при ограничениях по ударным спектрам ускорений на комплектующие приборов и оборудования проводят по математической формуле.

Недостатком прототипа является то, что в нем оценку эквивалентности реализованного и заданного воздействия проводят по ударному спектру. Как известно заданный ударный спектр не определяет однозначно форму временного сигнала возбуждения. Одному ударному спектру могут соответствовать разные временные сигналы, отличающиеся по природе происхождения воздействия, что в некоторых случаях может негативно отразиться на достоверности испытаний. Например, частота ударного воздействия может совпасть с собственной частотой объекта испытаний. Кроме того, в качестве нагружающего устройства в прототипе рассматриваются пиротехнические средства и копровые установки. Недостатком копровых установок является существенные ограничения по амплитудам входного воздействия, а недостатком пиротехнических средств является отсутствие возможности регулировки и контроля входного воздействия, что отрицательно сказывается на достоверности и повторяемости испытаний. Также недостатком прототипа является то, что требуемое воздействие необходимо подобрать в процессе ударных нагружений с динамическим макетом объекта испытаний. При этом подбор требуемого воздействия проводится за счет изменения места приложения ударного воздействия, его параметров, места крепления самого макета к оснастке, а также самих источников ударного воздействия, что в конечном итоге значительно повышает временные и материальные затраты.

Техническим результатом, на достижении которого направлено заявляемое изобретение является повышение достоверности виброударных испытаний при сокращении времени их проведения.

Технический результат достигается тем, что способ испытаний на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования, заключающийся в выборе нагружающего устройства в соответствии с требованиями по нагрузкам в месте крепления объекта испытаний, проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства с использованием метода конечных элементов, проведении численных экспериментов с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве, при совпадении экспериментальных данных и требуемых параметров виброударного воздействия в пределах допустимой погрешности, макет объекта испытаний заменяют на объект испытаний, который нагружают требуемым ударным воздействием, согласно изобретения при проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства учитывают геометрические размеры резонатора, на котором закрепляют макет объекта испытаний и который обеспечивает требуемое виброударное воздействие, причем геометрические размеры резонатора и граничные условия его закрепления определяют с использованием аналитического модального анализа до проведения расчетов с использованием метода конечных элементов, причем численные эксперименты проводят с выбранным резонатором и макетом объекта испытаний, а проведение эксперимента с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве, осуществляют при условиях, определенных на этапе численных экспериментов.

Резонатор, на котором закрепляют макет объекта испытаний и который обеспечивает требуемое виброударное воздействие, обеспечивает широкий диапазон по возможности изменения частоты колебаний за счет изменения граничных условий его закрепления или геометрических размеров.

Учет при проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства геометрических размеров резонатора и граничных условий его закрепления, определенных с использованием аналитического модального анализа до проведения расчетов методом конечных элементов, дает возможность сократить время проведения более ресурсоемких расчетов.

Аналитический модальный анализ с использованием метода конечных элементов занимает меньше машинного времени по сравнению с решением задачи динамики, для которой помимо прочего, необходима более трудоемкая настройка расчетной модели.

Проведение численных экспериментов с выбранным резонатором и макетом объекта испытаний дает возможность определить условия проведения эксперимента, обеспечивающие реализацию требуемых параметров амплитудно-временной зависимости, что ведет к сокращению времени проведения лабораторных испытаний и повышению их достоверности. Сокращение времени достигается за счет исключения в экспериментальных исследованиях процесса подбора условий, обеспечивающих воспроизведение заданного воздействия и определенных по результатам численных экспериментов. В свою очередь повышение достоверности лабораторных испытаний достигается за счет того, что объект испытаний подвергается воздействию, максимально приближенному к реальным условиям эксплуатации, а не его эквиваленту по ударному спектру.

Проведение эксперимента с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве, осуществляют при условиях, определенных на этапе численных экспериментов сокращает процедуру подбора требуемого воздействия, что ведет к сокращению времени проведения испытаний, а реализация требуемых параметров амплитудно-временной зависимости - к повышению их достоверности.

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия повышения достоверности виброударных испытаний при сокращении времени их проведения.

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

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежами:

на фиг. 1 - схематично представлено устройство (вид сверху), реализующее заявляемый способ, где приняты следующие обозначения:

1 - макет объекта испытаний;

2 - резонатор;

3 - удароприемник;

4 - шарнирные опоры (элементы закрепления резонатора);

5 - нагружающее устройство (баллистическая/маятниковая установка);

6 - ударник;

на фиг. 2 представлена зависимость частоты первой изгибной, относительно оси X, формы колебаний стержня от удаленности шарнирных опор относительно торцев. На фиг. 2 «-100 мм» соответствует свободным граничным условиям;

на фиг. 3 приведена форма первой изгибной, относительно оси X, частоты колебаний при удалении шарнирных опор на расстоянии 350 мм от торцев стержня;

на фиг. 4 показана конечно-элементная модель макета объекта испытаний, резонатора, удароприемника и ударника;

на фиг. 5 показан процесс взаимодействия ударника и удароприемника в определенный момент времени в примере конкретного выполнения;

на фиг. 6 показана расчетная зависимость ускорения от времени, в месте крепления макета объекта испытаний, удовлетворяющая по амплитуде (А) и длительности действия ускорения (τ) заданным параметрам;

на фиг. 7 показана спектральная плостность расчетной зависимости ускорения от времени, удовлетворяющая требованию по основной частоте (ƒ) колебаний;

на фиг. 8 показана среднеарифметическая зависимость ускорения от времени, зарегистрированная вибропреобразователями, установленными вблизи мест крепления массового макета и самом массовом макете, удовлетворяющая по амплитуде (А) и длительности действия ускорения (τ) заданным параметрам;

на фиг. 9 показана спектральная плостность среднеарифметической зависимости ускорения от времени, удовлетворяющая заданным требованиям по основной частоте (ƒ) колебаний.

Способ осуществляется следующим образом.

В основе способа испытаний на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования лежит использование колебаний резонатора на собственных частотах, возбуждаемых ударным воздействием (фиг. 2). При виброударных испытаниях нагружение объекта испытаний в значительной мере зависит от применяемой методики ударного воздействия и типа используемого нагружающего устройства. Для испытания чувствительного к виброударным воздействиям оборудования, содержащего чувствительные к воздействиям элементы, требуется на начальном этапе испытаний разработать модели объекта испытаний и нагружающее устройство. При разработке макета объекта испытаний проводится оценка уровней нагружения объекта испытаний на конкретном нагружающем устройстве. Предварительно в соответствии с требованиями по нагрузкам в месте крепления объекта испытаний осуществляют выбор нагружающего устройства 2 (например, баллистической/маятниковой установки), подбирая массу и скорость ударника 6, обеспечивающих требуемую интенсивность виброударного воздействия. Далее с использованием метода конечных элементов проводят расчеты макета объекта испытаний 1 и нагружающего устройства 5, учитывая геометрические размеры резонатора 2, на котором закрепляют макет объекта испытаний 1 и который обеспечивает требуемое виброударное воздействие. Проведение указанных расчетов дает возможность сократить время проведения численных экспериментов. Причем до проведения расчетов с использованием метода конечных элементов определяют с использованием аналитического модального анализа геометрические размеры резонатора 2 с подходящей первой собственной частотой колебаний. С использованием метода конечных элементов уточняют геометрические размеры и определяют граничные условия закрепления обеспечивающего заданную частоту колебаний резонатора 2, меняя место положения шарнирных опор 4, с помощью которых резонатор 2 закреплен.

Затем с выбранным резонатором 2 и макетом объекта испытаний 1 проводят численные эксперименты, которые позволяют определить нагружение конструкции приборов с высокой точностью и достоверностью. Далее проводят эксперимент с макетом объекта испытаний 1, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранной баллистической /маятниковой установке 5. Эксперимент осуществляют при условиях, определенных на этапе численных экспериментов, что сокращает процедуру подбора требуемого воздействия и ведет к сокращению времени проведения испытаний, а реализация требуемых параметров амплитудно-временной зависимости - к повышению их достоверности. В эксперименте при взаимодействии ударника 6, разогнанного нагружающим устройством 5 (например, баллистической установкой), с удароприемником 3, закрепленным на резонаторе 2, в последнем возбуждается колебательный процесс, представляющий собой затухающую синусоиду с частотой, определяемой геометрическими размерами резонатора 2 и его граничными условиями. В результате этого на объекте испытаний формируется виброударное воздействие с требуемыми параметрами. Далее при совпадении экспериментальных данных и требуемых параметров виброударного воздействия в пределах допустимой погрешности, макет объекта испытаний 1 заменяют на объект испытаний, который нагружают требуемым ударным воздействием. Заявляемый способ позволяет достичь повышения достоверности виброударных испытаний при сокращении времени их проведения.

Пример практического исполнения.

В качестве примера рассмотрим способ испытаний на высокоинтенсивные виброударные воздействия прибора 1 массой ~6 кг., выполненный в соответствии с заявляемым изобретением. Виброударное воздействие применительно к местам крепления прибора 1 было задано в виде параметров, описывающих затухающею синусоиду: амплитуда воздействия более 100000 g (А), длительность действия 6,5 мс (τ) и основная частота колебаний из диапазона частот от 400 до 600 Гц (ƒ). Исходя из параметров заданного виброударного воздействия, для его воспроизведения была выбрана баллистическая установка 5 калибром 73 мм (фиг. 1). В качестве резонатора 2 был использован стержень. Для удовлетворения требованию по реализации основной частоты колебаний предполагалось возбуждение первой изгибной, относительно оси X, формы колебаний стержня 2 в качестве главной за счет приложения нагрузки к его центру.

Для сокращения машинного времени на проведение модального анализа с использованием метода конечных элементов, геометрические характеристики резонатора (длина, ширина, высота) были определены с использованием аналитического модального анализа по формуле, а именно:

Изгибные колебания стержня определяются по формуле (Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М. «Высшая школа», 1972. - 408 с., стр. 156)

Е - модуль упругости, МПа;

J - осевой момент инерции сечения стержня, м⁴;

- погонная масса стержня, кг/м;

- длина стержня, м.

В результате расчетов по указанной формуле был выбран стержень длиной 1500 мм с габаритными размерами поперечного сечения 200×260 мм. Для ограничения перемещений стержня 2 в послеударном движении было реализовано шарнирное закрепление 4 стержня 2. Введение шарнирных опор 4 неизбежно влечет за собой изменение собственных частот колебаний стержня. С применением метода конечных элементов были выполнены расчетные исследования по определению зависимости первой изгибной, относительно оси X, частоты колебаний от удаленности шарнирных опор 4 относительно торцев стержня 2. По результатам исследований была получена зависимость, представленная на фиг 2. Форма первой изгибной, относительно оси X, частоты колебаний при удалении шарнирных опор на расстоянии 350 мм от торцев стержня приведена на фиг. 3. Для определения условий проведения эксперимента, таких как скорость ударника 6, его геометрия и масса был проведен динамический расчет с использованием метода конечных элементов. На фиг. 4 показана конечно-элементная модель макета объекта испытаний, резонатора, удароприемника и ударника, состоящая из 6372 элементов и 8532 узлов. При расчетах использовались билинейные с кинематическим упрочнением модели материалов. В процессе расчетов варьировалась скорость ударника 6, его форма, масса и материал.

В результате расчетов в качестве ударника 6 было выбрано тело вращения ∅=73 мм, h=120 мм, m=3,1 кг и α=90° из стали 20. По результатам расчетов, для обеспечения трубуемых параметров нагружения, скорость подхода ударника 6 к удароприемнику 3 должны быть не менее 360 м/с. Для обеспечания требуемой скорости для данной массы ударника было решено использовать штатный пороховой заряд. На фиг. 5 показан процесс взаимодействия ударника 6 и удароприемника 3 в определенный момент времени. На фиг. 6 показана расчетная зависимость ускорения от времени, в месте крепления макета объекта испытаний, удовлетворяющая по амплитуде и длительности действия ускорения заданным параметрам. На фиг. 7 показана спектральная плостность расчетной зависимости ускорения от времени, удовлетворяющая требованию по основной частоте колебаний.

Был проведен эксперимент с массовым макетом объекта испытаний 1, в котором были воспроизведены условия, определеные расчетным путем (штатный попроховой заряд, геометрия и материал ударника 6, геометрия резонатора 2 и условия его закрепления 4). В опыте была зафиксирована скорость подхода ударника 6 к удароприемнику 3 равная 368 м/с. На фиг. 8 показана среднеарифметическая зависимость ускорения от времени, зарегистрированная вибропреобразователями установленными вблизи мест крепления массового макета 1 и самом массовом макете 1, удовлетворяющая по амплитуде и длительности действия ускорения заданным параметрам. На фиг. 9 показана спектральная плостность среднеарифметической зависимости ускорения от времени, удовлетворяющая заданным требованиям по основной частоте колебаний.

Таким образом, при реализации заявляемого способа было подтверждено, что заявленный способ повышает достоверность испытания на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования, что позволяет на этапе лабораторных испытаний подвергать приборы и оборудование воздействиям, максимально приближенным к их реальным условиям эксплуатации. Также было подтверждено сокращение времени проведения испытаний за счет сокращения времени проведение расчетов с использованием метода конечных элементов и методических опытов по подбору условий их проведения.

Предложенный способ позволяет в лабораторных условиях определить техническое состояние контролируемых приборов и оборудования в процессе эксплуатации, выявить потенциально «ненадежные» изделия и тем самым гарантировать высокие показатели прочности приборов и оборудования в процессе эксплуатации.

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

средство, воплощающее заявляемый способ при его осуществлении, относится к испытательной технике, в частности к испытаниям на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования;

средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для повышения достоверности виброударных испытаний при сокращении времени их проведения;

- 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, заявляемый способ соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытаниям на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования. Способ испытаний на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования заключается в выборе нагружающего устройства в соответствии с требованиями по нагрузкам в месте крепления объекта испытаний, проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства с использованием метода конечных элементов, проведении численных экспериментов с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве. При совпадении экспериментальных данных и требуемых параметров виброударного воздействия в пределах допустимой погрешности макет объекта испытаний заменяют на объект испытаний, который нагружают требуемым ударным воздействием. При проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства учитывают геометрические размеры резонатора, на котором закрепляют макет объекта испытаний и который обеспечивает требуемое виброударное воздействие. Геометрические размеры резонатора и граничные условия его закрепления определяют с использованием аналитического модального анализа до проведения расчетов с использованием метода конечных элементов, причем численные эксперименты проводят с выбранным резонатором и макетом объекта испытаний, а проведение эксперимента с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве, осуществляют при условиях, определенных на этапе численных экспериментов. Технический результат - повышение достоверности виброударных испытаний при сокращении времени их проведения. 9 ил.

Способ испытаний на высокоинтенсивные виброударные воздействия приборов и оборудования, заключающийся в выборе нагружающего устройства в соответствии с требованиями по нагрузкам в месте крепления объекта испытаний, проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства с использованием метода конечных элементов, проведении численных экспериментов с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве, при совпадении экспериментальных данных и требуемых параметров виброударного воздействия в пределах допустимой погрешности макет объекта испытаний заменяют на объект испытаний, который нагружают требуемым ударным воздействием, отличающийся тем, что при проведении расчетов макета объекта испытаний и нагружающего устройства учитывают геометрические размеры резонатора, на котором закрепляют макет объекта испытаний и который обеспечивает требуемое виброударное воздействие, причем геометрические размеры резонатора и граничные условия его закрепления определяют с использованием аналитического модального анализа до проведения расчетов с использованием метода конечных элементов, причем численные эксперименты проводят с выбранным резонатором и макетом объекта испытаний, а проведение эксперимента с макетом объекта испытаний, нагружаемого требуемым ударным воздействием на выбранном нагружающем устройстве, осуществляют при условиях, определенных на этапе численных экспериментов.