Испытания на воздействие вибрации
Введение
Вибрация ЛА является причиной усталостных разрушений элементов конструкции, сокращения ресурса работы двигателей, колебаний корпуса. Вибрационные перегрузки вызывают механические повреждения аппаратуры и нарушение режима работы, а в отдельных случаях могут быть причиной неработоспособности аппаратуры. При резонансной вибрации возможны обрыв проводов в местах их закрепления или соединения с деталью, нарушение герметизации, возникновение коротких замыканий между деталями и т.д. Практически причин разрушения может быть несколько, например превышение некоторого критического уровня амплитуд вибраций (что существенно для хрупких материалов, устройств типа реле и переключателей и т.п.) или накопление усталостных деформаций при уровне амплитуд вибраций, меньшем критического.
Основное назначение вибрационных испытаний -- это проверка и обеспечение работоспособности и надежности разрабатываемых ЛА. С помощью этих испытаний проверяются состояние и характеристики элементов ЛА. При выявлении отклонения отдельных характеристик от заданных значений производится доводка элементов ЛА до требований технического задания.
Основными задачами испытаний являются:
-- проверка прочности конструкции ЛА при экспериментальных и расчетных нагрузках, определение фактических запасов прочности;
-- определение коэффициентов динамичности в узлах крепления комплектующих агрегатов;
-- определение собственных частот и форм колебаний отдельных
элементов конструкции и всего ЛА в целом;
-- определение коэффициентов демпфирования отдельных агрегатов и ЛА в целом;
-- оценка работоспособности комплектующих агрегатов, включая функционирующие агрегаты и кинематические узлы, после воздействия вибрационных ускорений;
-- проверка виброустойчивости комплектующих агрегатов;
-- определение и оценка характеристик ЛА, в том числе сохранности положения посадочных плоскостей под приборы с высокой точностью установки по отношению к осям ЛА в процессе и после воздействия вибрационных ускорений, а также при динамических возмущениях, создаваемых функционированием бортовой аппаратуры;
-- проверка устойчивости ЛА к качке и длительным наклонам;
-- определение характеристик ЛА при имитации условий транспортировки.
При нелинейных вибрационных испытаниях ЛА подвергается воздействию нагрузок, превышающих эксплуатационные, установленные в технических требованиях. Кроме того, испытания проводятся при совместном воздействии эксплуатационных нагрузок. Поэтому после испытаний изделие непригодно для использования в полете.
испытание двигатель колебание корпус
Момент эксплуатации при котором возникает воздействующий фактор
Из динамических аэроупругих явлений, характеризующихся взаимодействием аэродинамических, упругих и инерционных сил и проявляющихся в виде опасных колебаний и вибраций конструкции, отметим колебания частей самолета, вызванные порывами ветра в турбулентной атмосфере, имеющими зачастую циклический характер, а также явления, носящие название "бафтинг" и "флаттер". Бафтинг (англ. buffeting - биение, соударение) - вибрация какой-либо части ЛА (чаще всего - хвостового оперения) под воздействием периодически изменяющихся аэродинамических сил, возникающих при обтекании этой части ЛА потоком, который завихряется срывами с находящегося впереди крыла, различных надстроек на фюзеляже, с выпущенных стоек шасси, открытых тормозных щитков и створок грузовых люков. Бафтинг оперения возникает из-за периодических ударов по нему спутной струи за крылом и проявляется в виде "раскачки", т. е. увеличения амплитуды колебания оперения.
Флаттер (англ. flutter - вибрация) - самовозбуждающиеся при определенной скорости полета (критической скорости флаттера) незатухающие колебания, для возникновения и развития которых не требуется воздействия на конструкцию периодических возбуждающих сил. Флаттер крыла может возникнуть под воздействием какой-либо силы (отклонение элерона, порыв ветра), вызвавшей отклонение крыла за счет его изгиба из исходного нейтрального положения, например, вверх.
Низкочастотная неустойчивость рабочего процесса чаще всего наблюдаются в мощных ЖРД тягой более 100 кН (10 тс). Неустойчивость развиваются в двигателе в пределах десятых долей секунды и вызывает колебания давления в камере сгорания с частотой от единиц до сотни Гц. На частотах в пределах от единиц до 20 Гц колебания тяги двигателя могут привести к колебаниям напора топлива, которые, в свою очередь, вызывают колебания тяги. Нестабильность сильно возрастает и преврещается в автоколебания. Такую тряску двигателя с одновременными бросками давления в камере сгорания и напора топлива и называют «колебаниями типа Пого» (англ. Pogo oscillation).
Последствия могут быть самыми различными, от несущественных вроде дискомфорта до катастрофических со взрывами и разрушениями в полёте. Ракета, испытывая сильные нерасчётные знакопеременные нагрузки или, что ещё хуже, войдя в резонанс, может просто развалиться на части, что происходило неоднократно, не говоря уже об отключении двигателей по броскам давления, повреждении двигателей и их креплений, обрывах трубопроводов, пожарах или о проблемах с автоматикой.
Условия воспроизводимые при испытании объекта
1. При виброиспытаниях требуется обеспечить:
1) диапазон частот вибраций в контрольных точках испытуемого изделия;
2) необходимую продолжительность испытаний, которая ограничивается испытательным ресурсом изделия;
3) настройку системы на заданный режим в установленное время;
4) точность воспроизведения и поддержания заданных спектральных характеристик в ходе испытаний.
В табл. 1 приведены численные значения этих параметров для испытаний подвижных объектов.
Таблица 1
2.К испытуемому изделию предъявляется ряд требований:
-- изделие изготавливается по рабочим чертежам ЛА, с который оно должно быть идентично геометрически, механически, электрически и т.д.;
-- масса M, центровка м и моменты инерции Jx; Jy; Jz изделий должны экспериментально определяться перед испытаниями для каждого конкретного ЛА;
-- замена отдельных элементов изделия массогабаритными макетами допустима лишь в том случае, если это не окажет влияния на прочность и работоспособность конструкции;
-- в необходимых случаях следует обеспечить герметичность испытуемых изделий;
-- аппаратура испытуемого изделия проверяется на автономное комплексное функционирование с измерением основных параметров;
-- комплектующие элементы и рабочие вещества, используемые механизмах и агрегатах ЛА, должны точно соответствовать чертежам, необоснованные замены на стадии испытаний не допускаются;
-- специальные узлы, устанавливаемые на изделии для его крепления или приложения нагрузки, не должны изменять прочность и жесткость конструкции, не должны препятствовать ее деформациям при испытаниях;
-- На изделии устанавливаются преобразователи, необходимые для фиксирования параметров.
1. Стендовое оборудование должно удовлетворять ряду требований, основными из которых являются следующие:
-- обеспечение идентичности или динамического подобия эксплуатационных процессов;
-- применение конструкции узлов крепления аппарата и его агрегатов, соответствующей реальной;
-- обеспечение воспроизводимости (повторяемости) процесса испытаний;
-- минимальные побочные воздействия на испытуемый аппарат;
-- максимальная автоматизация и механизация ручных операций, использование ЭВМ, особенно в части программного управления, контроля, регистрации данных, измерения параметров, обработки результатов;
-- удобство и возможность проведения испытаний в короткие сроки и с минимальными затратами;
-- мощность стенда, достаточная для обеспечения режимов испытания изделий;
-- стабильность частотных параметров в пределах установленного допуска при изменении массы или нагрузки;
-- наименьшее время выхода на заданный режим работы;
-- использование стандартных источников подводимой мощности.
Основным характеристиками рассматриваемых объектов являются собственные частоты, формы колебаний, коэффициенты демпфирования и обобщенные массы.
Методы проведения испытаний на воздействующий фактор
Применение теоретических методов позволяет в настоящее время получать собственные частоты и формы колебаний только в сравнительно простых случаях. C помощью экспериментальных методов могут быть определены все динамические характеристики для самых сложных конструкций. Рассмотрим основные методы определения собственных частоту форм колебаний, обобщенных масс и коэффициентов демпфирования, получившие наибольшее распространение на практике при проведении динамических испытаний натурных объектов и их моделей.
Все эти методы подразделяются на две основные группы. К первой группе относятся методы, в которых возбуждение колебаний объекта производится простейшим способом, при помощи одной силы (или момента), и искомые величины находятся путем анализа (иногда достаточно сложного) экспериментальных частотных характеристик, полученных для различных точек системы. Эти методы называются методами анализа. Ко второй группе относятся методы многоточечного возбуждения колебаний. Конструкция возбуждается при помощи специальной многоканальной вибрационной установки, включающей систему электродинамических силовозбудителей, так, чтобы ее колебания происходили лишь по собственной форме одного тона колебаний, представляющего интерес. В этом случае не требуется проведение сложного анализа результатов, так как все необходимые характеристики конструкции определяются как для системы с одной степенью свободы.
Метод свободных колебаний
В общем случае задача состоит в том, чтобы из суммы тонов колебаний, которые могут возбуждаться в системе, выделить тон, представляющий интерес, и определить его частоту, форму и коэффициент демпфирования.
При использовании рассматриваемого метода колебания системы могут возбуждаться различными способами:
-- приложением импульсов;
-- заданием начального прогиба;
-- возбуждением в резонансе с последующим снятием возбуждения
Собственные частоты в данном методе обычно определяются по осциллограмме процесса затухания свободных колебаний.
Собственные формы находятся путем измерения амплитуд колебаний в различных точках конструкции для одного и того же момента времени.
При этом свободные колебания конструкции возбуждаются заданием ее отдельным точкам начальных отклонений или скоростей, что осуществляется путем приложения ударных импульсов различной формы или мгновенного снятия предварительно приложенной статической нагрузки.
Рис. 1 Определение собственных частот и коэффициентов демпфирования методом свободных колебаний
q -- вектор обобщенных координат, уr - собственные частоты;
Коэффициенты демпфирования, так же как и собственные частоты, определяются по осциллограмме затухающих колебаний и вычисляются по следующей формуле:
(1)
к -- число периодов; Arij , Aij + k -- амплитуды начала и конца рассматриваемого участка осциллограммы (индекс i соответствует номеру точки).
Резонансный метод
Данный метод основан на использовании вынужденных колебаний испытуемого объекта. Колебания возбуждаются гармонической силой (или моментом), при этом измеряются амплитуды колебаний в различных точках системы в зависимости от частоты и строятся амплитудные частотные характеристики (или резонансные кривые). Искомые собственные частоты, формы колебаний и коэффициенты демпфирования определяются по резонансным пикам амплитудных характеристик.
Пьезоэлектрический метод
Данный метод предусматривает использование малых пьезодатчиков для определения резонансных частот испытуемых изделий. Достаточная точность определения основных характеристик обеспечивается при испытаниях изделий, размеры и масса которых в 10 раз превышают размеры и массу малого пьезодатчика. Частоты собственных колебаний таких пьезодатчиков более 100 кГц; чувствительность 0,05 -- 1 мВ. Принципиальная схема установки для определения резонансных частот пьезоэлектрическим методом представлена на рис. 2. Для согласования высокоомного выхода пьезопреобразователей 3, 5 с низкоомным входным сопротивлением электронных вольтметров 7, 9 необходимо применять усилители или катодные повторители 6, 10, имеющие входное сопротивление Rax > 300 МОм. При плавном изменении частоты колебаний вибростенда 1 и при поддержанием постоянства ускорения крепежной платы 2 на резонансной частоте образца 4 будет наблюдаться увеличение напряжения на малом преобразователе 3. На экране осциллографа 8 этому будет соответствовать поворот эллипса на 90°.
Рис. 2 Схема установки для определения резонансных частот пьезоэлектрическим методом