CC BY
35
вание рассматривать возможности продления им ресур- СПб. : Федеральная авиационная служба России. Учеб-сов либо о переводе на стратегии технического обслужи- но-тренировочный центр, 1996.
вания по фактическому техническому состоянию. 2. Воробьев, В. Г. Надежность и эффективность авиа-
ционного оборудования / В. Г. Воробьев, В. Д. Констан-
Библиографический список тшот. М. : 1995.
1. Васильев, А. А. Приборное оборудование самолета Ту-154М и его летная эксплуатация / А. А. Васильев.
V. B. Krasnopeev, O. G. Boiko
THE ANALISIS OF OUTPUT RESOURCES BY SYSTEMS OF AIRPLANE TU-154M DURING LONG EXPLOTATION
The questions of reliability during long explotation of airplane Tu-154M radio, electricity and instrument equipments are examined.
УДК: 629.78.015
В. С. Орлов
АЛГОРИТМ ФОРСИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ УДАРНЫХ ИСПЫТАНИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ1
Рассматривается форсирование режимов ударных испытаний, сформированных по результатам натурных измерений, на примере воздействий, возникающих при авиационном транспортировании космических аппаратов самолетами Ил-76. Форсирование проводится относительно максимальных значений уровней ударных спектров ускорений, зарегистрированных при натурном транспортировании
Для анализа нагружения космического аппарата (КА) при авиационном транспортировании используются алгоритмы разделения воздействий на стационарные и нестационарные составляющие [1; 2].
Нестационарные воздействия, полученные после разделения исходного процесса на стационарные и нестационарные составляющие, включают в себя общее количество воздействий для всех случаев реализации (количество случаев транспортирования), а для того чтобы проводить испытания, необходимо выделить время действия нагрузки на конкретных режимах из условий дальности полета и количества взлетов и посадок.
Следует отметить, что нагрузки с максимальными амплитудами действуют на самолет только незначительную часть всего временного интервала, соответствующего конкретному режиму транспортирования. Кроме того, часть нагрузок, соответствующая, например, крейсерскому полету, не представляет опасности для сохранности транспортируемого груза ввиду их малости, а только увеличивает время загрузки испытательного оборудования при отработке таких режимов.
То есть процедура получения нагрузок по результатам обработки данных о натурном транспортировании [1], давая реальные нагрузки (спектральные плотности мощности виброускорений и величины ударных спект-
1 Работа проводилась в рамках ФЦНТП «Исследования и техники на 2002-2006 гг.» по теме 2006-РИ-16.0/001/076.
ров ускорений) для формирования режимов вибрационных и ударных испытаний, не решает проблему их оптимального проведения.
При формировании режимов отработочных испытаний на случай авиационного транспортирования таких специальных грузов, как КА, необходимо учитывать следующие параметры: условия транспортирования (тип самолета, его загруженность, типы аэродромов взлета и посадки, погодные условия и т. д.), дальность транспортирования, количество взлетов и посадок за время транспортирования. Если условия транспортирования определяют, в первую очередь, амплитудные величины нагрузок, то дальность транспортирования и количество взлетов и посадок определяют время воздействия этих нагрузок. Создание оптимальных режимов отработки грузов представляет собой нетривиальную задачу. С одной стороны испытания на повышенных режимах могут привести к отказу КА, а с другой - стоимость часа работы испытательного центра очень велика, так как приходится использовать уникальное оборудование. Поэтому испытания на режимах, не представляющих опасности для КА, необходимо обоснованно сокращать, заменяя их эквивалентными испытаниями на более жестких режимах нагружения.
Наиболее распространенным на сегодняшний день является подход к формированию эквивалентных режи-
разработки по приоритетным направлениям развития науки и
мов испытаний, основанный на гипотезе линейного/нелинейного суммирования (накопления) повреждений [3].
Как известно, уравнение кривой усталости наиболее часто записывается в виде [4]
omN = A = const, (1)
где m - показатель наклона кривой усталости материала исследуемой конструкции; о - напряжение в материале; N - число циклов перемен напряжений в материале до разрушения.
Очевидно, что путем простых преобразований можно получить следующую формулу:
m = lg N2 - lg N, ,
lg Oi - lg о 2
где m - показатель наклона кривой усталости материала исследуемой конструкции; N1 и N2 - число циклов до разрушения материала при уровне напряжений ot и
о2 соответственно.
Тогда время испытаний Т можно связать со временем транспортирования Tt на основе гипотезы суммирования повреждений через коэффициент пропорциональности K и показатель наклона кривой усталости материала m:
Tp = KmTt.
Так как при выводе формул используется гипотеза линейных повреждений, то, очевидно, что коэффициент K для ударного спектра ускорений равен
к=А.,
max
так как ударный спектр ускорений функция линейная по g.
Рассмотрим теперь следующий алгоритм формирования режимов испытаний. Полученный по результатам натурных измерений для каждой точки контроля транспортируемого груза псевдоисходный процесс с длительностью, равной общей длительности всех измерений, разделяем на стационарную и нестационарные составляющие.
Максимальные значения ударных спектров ускорений (УСУ) получаем по методу огибающих по данным обо всех случаях авиационного транспортирования для всех заранее определенных амплитудных диапазонов, а количество ударов определяем по формуле
j=п
M 3=s
N =-
M,
г j=l ?=1
где Ыр - количество ударов при испытаниях; - количе-
ство ударов на у-ом режиме транспортирования в д-ом амплитудном диапазоне (общее количество ударов за время транспортирования N = ^^Уд); 5- - текущее значение ударного спектра ускорений при транспортировании в амплитудном диапазоне; 5 - максимальное значе-
ние ударного спектра ускорений, полученное при транспортировании; М - необходимое количество взлетов и посадок; М( - количество взлетов и посадок, для которых был сформирован режим ударных испытаний; в - коэффициент эквивалентности ударных испытаний; а - количество амплитудных диапазонов; п - количество режимов транспортирования.
Количество ударов форсируется относительно максимальному значению УСУ. Кроме того, при определении количества ударов максимальные значения ударно-
го спектра ускорений, полученные по методу огибающих для всех амплитудных диапазонов по данным обо всех случаях авиационного транспортирования, заменяем ударными спектрами ускорений от их импульсов. Такие УСУ должны отличаться от огибающих УСУ на величину, меньшую, чем погрешность определения ударных спектров ускорений.
Проведение испытаний по методу ударных спектров ускорений приводит к замене временной зависимости ее частотным представлением, так как при таких испытаниях не важен вид воздействия, а важна вызванная этим воздействием реакция объекта испытаний. Так как у одного и того же УСУ может быть бесконечное множество временных реализаций, то его воспроизведение возможно воздействиями, не отражающими физику реального нагружения. Чтобы этого избежать, необходимо формировать режимы испытаний с учетом частотных составляющих как внешнего воздействия, так и объекта испытаний.
Для замены ударных спектров ускорений одиночными импульсами воспользуемся подходом, предложенным в работе [5], где при формировании ударного импульса предлагается использовать частоты, на которых переносится основная энергия ударного воздействия. При совпадении частот воздействия и собственных частот конструкции возникают резонансы. Очевидно, что эти частоты всегда будут переносить основную часть энергии ударного воздействия, т. е. достаточно формальная характеристика (УСУ) дополняется содержащим физический смысл набором частот.
Будем искать внешнее воздействие в классе функций вида
т
Ч (') = X 5Іп(ю,' + Ф),
і
где Ч(') - ударный импульс ускорения; Аі - амплитуда ускорения при і частоте; “ = 2п/і - круговая частота колебаний; / - собственная частота колебаний; ф, - фазовый сдвиг; а, = 5“, 5,. = 1п £,, 5,. - логарифмичес-' п
кий декремент колебаний; £,■ - коэффициент затухания;
і - номер текущей частоты; т - количество частот; г -время действия ударного импульса.
Это объясняется, в первую очередь, реальным набором сигналов, воспроизводимых системами управления электродинамическими стендами, которые наиболее часто применяются при вибрационных и ударных испытаниях.
После выделения массива частот ю. (а эта процедура плохо формализуется и требует определенного опыта) можно построить различные достаточно легко формализуемые алгоритмы получения необходимого воздействия.
Рассмотрим один из них, основанный на методе кол-локации [6], в котором требуется обеспечить совпадение эталонного сигнала (ударного спектра V* (ю)) с ударным спектром от воздействия (ударного импульса) А (г) только в заданном наборе точек юк ,(к = 1, 2,..., Ы) .
Пусть имеется некоторый набор воздействий Ат('),т = 1,2,...,М, равный
M
A(t) = £аmAm (t) .
m=1
Для каждого из воздействий строится свой ударный спектр, например, с использованием алгоритма, предложенного в работе [7]. Таким образом, получается зависимость ускорения от частоты, имеющая вид v(rn) = max |am (t, ю)|.
Получаем нелинейную систему уравнений
£ ЛЛ.т =V*(®k X
■v(t) .
M
£a
a
j ,km j+1,m
= v (®k)
ные значения УСУ-1 и аппроксимирующие их УСУ-2 от ударных импульсов: 3g sin (p/3)t + 6g sin(p/10)t в направлении X, 6g sin(p/3)t в направлении Y, 9g sin(p/3)t в направлении Z показаны на рис. 1-3.
Отличие полученных ударных спектров от экспериментальных не превышают погрешности измерений.
max
где k = 1, ..., М.
Решить данную систему можно итерационным способом. Для каждого воздействия А^(£) определяем дискретную последовательность а(юк), где і - параметр времени, юк - частота в методе коллокаций. Для каждой частоты юк выбираем тах; |ат.(юк)| получаем выражение вида
Акт = тах\аті (“к )|.
г 1 1
Начальное приближение вычисляем как решение системы вида
где к = 1, 2, ..., т.
Система уравнений может быть вырожденной. В этом случае в качестве решения выбирается то решение, которое имеет наименьшее начальное |а0|. Если система несовместна, то от ряда уравнений можно отказаться, пожертвовав несколькими точками юк в методе коллокаций. Дальнейшее построение итерационной последовательности а0, а1, ., а ведется следующим образом. По приближению ау определяется номер точки во времени, в которой отклик резонатора с частотой юк достигает своего пикового значения при воздействии
м
Aj (г) = ^а,
Пусть этот номер будет |М, тогда определяем таблицу
Aj,km = % (% )Sign [Ей j,mamM (®k ) ] ,
по которой составляем систему линейных алгебраических уравнений
для вычисления нового приближения ау = 1. Сходимость итерационного процесса не является обязательной, поэтому целесообразно вести контроль последовательности а с целью выявления сходимости. В случае неудовлетворительной сходимости необходимо изменить выбор точек юк на графике ударного спектра. Возможен вариант, в котором несколько различных наборов вектора а дают одинаковый или близкие друг другу ударные спектры. Итерационный процесс в этом случае может перескакивать с одного набора на другой. Это не является плохой сходимостью метода, а означает, что любое решение является приемлемым.
В качестве примера по рассмотренному алгоритму для этапа «взлет-посадка» выполнена замена ударных спектров ускорений, полученных при транспортировке космических аппаратов самолетами Ил-76, УСУ от одиночных импульсов по направлениям X, Y, 2. Максималь-
Рис
Частота, Гц
1. Максимальный УСУ-1 по направлению Z и УСУ-2 его аппроксимирующий
— — — Нвмтееажьй УС
Частота, Гц
Рис. 2. Максимальный УСУ-1 по направлению Y и УСУ-2 его аппроксимирующий
Частота, Гц
Рис. 3. Максимальный УСУ-1 по направлению X и УСУ-2 его аппроксимирующий
Формирование испытательного воздействия, имеющего требуемый УСУ и включающий в себя частоты, несущие основную энергию ударного воздействия, позволит более качественно проводить данный вид испытаний.
m=1
Библиографический список
1. Орлов, В. С. Об одном статистическом алгоритме анализа нестационарных процессов / В. С. Орлов, В. X. Ханов // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева : сб. науч. тр. / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. Вып. 6. С. 80-82.
2. Пат. 2293958 Российской Федерации, МПК^01М7/ 00 Способ испытаний специальных грузов на случай авиационного транспортирования / В. С. Орлов, С. А. Орлов //; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение прикладной механики им. М. Ф. Решетнева». № 2005114552/28(016693) ; заявл. 12.09.2006 ; опубл. 20.02.2007. Бюл. N° 5. 8 с. : ил.
3. Гудков, А. И. Внешние нагрузки и прочность летательных аппаратов / А. И. Гудков, П. С. Лешаков. М. : Машиностроение 1968. 471 с.
4. Яценко, Н. Н. Колебания, прочность и форсированные испытания грузовых автомобилей / Н. Н. Яценко. М. : Машиностроение, 1972. 372 с.
5. Орлов, А. С. Анализ ударного нагружения космических аппаратов при высокоинтенсивных импульсных воздействиях / А. С. Орлов // Научный вестник НГТУ. Новосибирск, 2004. Вып. 3(18). С. 115-129.
6. Волков, Е. А. Численные методы / Е. А. Волков. М. : Наука, 1987. 248 с.
7. Дояр, О. П. Алгоритм расчета ударного спектра / О. П. Дояр // Динамика систем. Численные методы исследования динамических систем : сб. Нистру ; Кишинев, 1982. С. 126-128.
V. S. Orlov
AN ALGORITHM FOR GENERATION OF THE SPACECRAFT ENVIRONMENT LEVELS BASED ON THE FLIGHT DATA TO PERFORM THE ACCELERATED MECHANICAL TESTS
Augmentation of shock levels tests regimes that is obtained as the full-scale measurement results based on the flight data occurring during spacecraft transportation by Il-76 is presented. Augmentation is carried out relatively acceleration shock levels maximum values, registered during full-scale transportation.
УДК 629.783.08.018:525:527
В. Е. Патраев, Ю. В. Максимов, В. В. Ильиных
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НАВИГАЦИИ И СВЯЗИ
Предложен метод оценки эффективности оптимизации отработочных и производственных испытаний космических аппаратов навигации и связи, необходимых для обеспечения их работоспособности, надежности и длительногоресурса при снижении затрат на средства и времени на экспериментальную отработку и контроль штатных изделий.
В условиях повышения требований к показателям качества перспективных космических аппаратов (КА) навигации и связи со сроками активного существования 10 лет и более, а также ужесточения требований к срокам и стоимости создания КА оптимальное планирование наземной экспериментальной отработки (НЭО) является важным фактором обеспечения качества отработки. Длительное время в НПО ПМ реализуются перспективные подходы к оптимизации объемов отработки КА с использованием таких направлений оптимизации, как [1; 2]:
- сокращение номенклатуры изготавливаемой материальной части для отработки КА и составных частей за счет комплексирования различных видов испытаний на одной материальной части;
- снижение стоимости разработки за счет замены физических отработочных моделей КА программными моделями и использования оборудования и программного обеспечения, разработанных по различным проектам (межпроектная унификация);
- снижение стоимости и сокращение сроков разработки за счет сокращения этапов автономной отработки оборудования (например, этапа лабораторных отработочных испытаний оборудования, специальных и ресурсных испытаний оборудования, если это подтверждено расчетами);
- совмещение части отработочных испытаний с контрольными испытаниями штатных образцов.
В связи с этим актуальна задача разработки методов количественной оценки эффективности различных вариантов оптимизации (комплексирования) испытаний КА на различных уровнях отработки и при различных видах испытаний в целях сравнения е с базовым или допустимым уровнем эффективности.
Известно, что при оптимизации процесса создания КА, включая оптимизацию объемов НЭО за счет комп-лексирования, рассматриваются три критерия: показатели качества, обеспечиваемые при отработке, стоимость отработки, сроки отработки.
Варианты оптимизации объемов НЭО по критериям «требуемые показатели качества-стоимость отработки-
