Механизмы возможных реализаций физических воздействий и учет прочностных характеристик сложных конструкций Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.182.8: 539:620.179.16

МЕХАНИЗМЫ ВОЗМОЖНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И УЧЕТ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Г. В. Зибров, В. Н. Старов, Е. В. Смоленцев, А. В. Попов

Представлены исследования технологий нового поколения, которыми являются комбинированные методы обработки и неразрушающие методы диагностики с применением акустико-эмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов.

Ключевые слова: новые технологии, механизмы физических воздействий, технологическая наследственность, комбинированные методы обработки, неразрушающие методы диагностики, акустическая эмиссия.

Введение. Достижения последних лет и раскрытие возможностей научно-технического прогресса, в том числе при применении в сфере производства новых технологий создания, диагностики и контроля объектов сложных и специальных производств (ракетно-космических систем и их двигателей, ядерных, энергетических объектов и реакторов, энергетических турбин, систем перекачки и переработки нефти, газа и других) требуют пристального внимания и дальнейшего изучения и развития.

При эксплуатации силовых элементов изделий ответственного назначения и изделий специального машиностроения актуальным вопросом является оценка их прочностных характеристик исходя из степени опасности дефектов и учет технологической наследственности объекта (ТНО) на этапах жизненного цикла продукции (ЖЦИ). В этих условиях важно учитывать изначальные физические воздействия, заложенные в объект ещё при его проектировании, а также технологические воздействия процессов изготовления, особенно базирующихся на современных высокоэффективных комбинированных методах обработки (КМО).

Зибров Геннадий Васильевич, д-р пед. наук, проф., Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж);

Россия, г. Воронеж, тел.: (473)236-90-18, e-mail: academy-vvs.ru

Старов Виталий Николаевич, д-р техн. наук, проф., Воронежский институт ГПС МЧС России;

Россия, г. Воронеж, e-mail: [email protected] Смоленцев Евгений Владиславович, д-р техн. наук, проф., Воронежский государственный технический университет; Россия, г. Воронеж, тел.: (473)246-27-72 Попов Алексей Владимирович, д-р техн. наук, доц., Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж);

Россия, г. Воронеж, тел.: (473)236-90-18

© Зибров Г. В., Старов В. Н., Смоленцев Е. В., Попов А. В., 2014

Известна работа [1], в которой исследована общая методология создания технологий нового поколения, включая комбинированные методы обработки и неразрушающие методы диагностики. Однако в последние годы расширилось применение в оценке прочностных характеристик конструкций акустико-эмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов (АЭКИ), позволяющих проводить высоко достоверную оценку прочностных характеристик ответственных конструкций с учётом степени опасности дефектов вне зависимости от их формы, размеров и предыстории эксплуатации [6, 7].

Цель работы — исследовать механизмы реализаций физических воздействий в новых технологиях, основанных на реализации современных требований к качеству продукции, учета высокой конкуренции на рынках при внедрении в производство прогрессивных технологий изготовления продукции и особенности эксплуатации, а также учета прочностных характеристик сложных изделий ответственного назначения.

1. Создание прогрессивной технологии является сложной проблемой, которая базируется на начальных условиях, задаваемых при проектировании и определяющих направления развития технологий. При этом начальные условия основываются на следующем:

- принятых общих идеологии, концепциях, принципах;

- используемых методологиях и системах описания объекта проектирования и конструкторского обеспечения;

- определении целей, задач, систем принятия решений по объектам;

- определении, выборе и описании технологического обеспечения производства изделия, начиная от технологической подготовки производства с выбором заготовок с заданными свойствами и уровнями контроля;

- базовых этапах преобразования заготовок-деталей в готовое изделие с требуемыми свойствами (качеством);

- определении, выборе и описании полного технологического обеспечения со всеми средствами контроля и многом другом.

Целями создания подобных технологий являются:

- достижение требуемых показателей качества объекта или технического обеспечения выпускаемых изделий;

- удовлетворение требованиям высокой работоспособности и повышенных эксплуатационных показателей изделия;

- снижение ресурсопотребления как производства, так и созданной на нем продукции, в том числе энергетической направленности;

- обеспечение требуемого алгоритма функционирования или технологических воздействий на заготовки при их превращении в детали;

- создание конкурентоспособной продукции на национальном или глобальном уровнях и приемлемых цен изделий;

- удовлетворение требований дальнейшего развития, модернизации и перспективности объекта и прочее.

2. Пример математического описания объекта производства. Основываясь на указанном подходе, рассмотрим пример математического описания в общем виде какого-то объекта производства. Примем, что исходное состояние объекта (ответственной детали или узла изделия, например сопла двигателя ракеты) С0 задается набором параметров, характеризующих его материал (физико-механические свойства), форму и размеры заготовки, обозначим его как Сп1-. Тогда в общем виде получим запись:

С0 = .[(Сп1, Сп2, • ••, Спя).

Конечное состояние объекта СгЛ определяется формой, размерами, точностью изготовления, физико-механическими свойствами, включая напряженное состояние, и другими параметрами, в том числе контролируемыми средствами неразрушающего контроля.

Введем функцию преобразования щ свойств потока деталей из исходного состояния (заготовки) в конечное состояние (изделие), которую представим следующим образом [3]:

(1)

где ф0 — функция технологического преобразования свойств изделия — деталей, т. е. предмета обработки (создания); СпЯ — г-е-элементарное свойство заготовки; С^ — /-е-элементарное свойство изделия; Я — общее число свойств заготовки; Т — общее число свойств изделия.

Любой объект есть совокупность материального 50, энергетического Е0 и информационного 10

■ С/ Си ’

С 2 Ск 2

с т

потоков [2]. В процессе производства технологические преобразования заготовки в изделие достигаются целенаправленными совокупными технологическими воздействиями (обозначим их как N(4)) материального 50(4), энергетического Е0(4) и информационного 10(4) типов потоков. Получим следующую запись модели процесса:

N &) = ад) и Е0^) У /„(/*).

(2)

В настоящее время признанного единого решения данных уравнений для подавляющего числа комбинированных методов обработки и контроля до сих пор не найдено. Исключениями являются лишь несколько хорошо изученных и давно применяемых в производстве электрохимических способов [3]. Таким образом, механизмы реализации при комбинации различных воздействий на объекты обработки и неразрушающего контроля либо не изучены, либо существуют только для частных случаев [3, 4].

Описание многих процессов можно выполнять на базе формализованных подходов. Однако не все конструкторские и технологические идеи и обеспечения процессов можно формализовать, поэтому в ряде случаев требуется параллельное рассмотрение значительного числа разнонаправленных задач или подзадач. В этом случае принято использовать специальное математическое и программное компьютерное обеспечение из области САПР, хотя процесс построения САПР технологических процессов комбинированных методов обработки до сих пор слабо реализован и охватывает лишь частные вопросы, что не позволяет широко и эффективно их использовать.

3. Жизненный цикл объекта. У различных изделий разный жизненный цикл. Он может длиться от нескольких дней до десятков лет. Любые технические системы, вступая в строй, предназначены выполнять поставленные задачи. Одним из важных этапов жизненного цикла является период эксплуатации. В дальнейшем будем говорить о сложных технологических объектах, особенностях их работы, эксплуатации, обеспечении повышенной или ранее не достижимой работоспособности на этапах жизненного цикла изделия.

При исследованиях работоспособности ответственных конструкций машиностроения нами [5] предложены некоторые поправки в методические основы: понятие «жизненный цикл продукции» включает этапы — стадии жизни, на каждой из которых производится оценка и обеспечивается качество.

Укажем эти этапы:

- маркетинг, поиск и изучение рынка (МР);

- проектирование и разработка требований продукции (РТП);

- материально-техническое снабжение (МТС);

- технологическая подготовка производственных процессов с учетом технологической наследственности (ТПП-ТНО-КМО);

Ф

0

- производство продукции с учетом технологической наследственности (ПР-ТНО);

- диагностика (контроль);

- проведение испытаний и обследований (ДИ-АЭКИ);

- упаковка и хранение (УХ);

- реализация и распределение продукции

(РР);

- монтаж и эксплуатация (МЭ);

- техническая помощь и обслуживание, сервис (ТС);

- утилизация (УТ).

В нашем представлении схема взаимосвязей управления объектами при применении новых технологий и пути выполнения поставленных целей для новых технологий на этапах ЖЦИ показана на рис. 1. Она дана с учетом взаимосвязей обеспечения качества на этапах ЖЦИ [5].

Цели Политика качества службы * Поведенческая среда

Устав -* Система качества объекта <— Требования

Совершенствование качества Наивыспше результаты

V

П МР .. Учет

Р / УТ РТП X \ Контроль -диагностика

О / тс \ мто\

ЖЦИ (АЭКИ)

Ц МЭ |шп-тнр * \

Анализ

Е V рр БАЗА ' ПР-ТНС/ и

С С УХ ДИ-АЭКИу J Принятие решении

А.

Обеспечение

качества

Управление качеством исполнения

Рис. 1. Схема взаимосвязей управления объектами при реализации новых технологий и качества выполнения поставленных целей для новых технологий на этапах ЖЦИ

С учетом современных требований к качеству продукции, высокой конкуренции на рынках прогрессивные технологии должны иметь итерационный характер выполнения всех их стадиях. Схемы, показывающие упрощенное этапное представление жизненного цикла технологии, представлены на рис. 2 [1].

Обычно схема 2а считается традиционной, но для комбинированных методов отсутствие обратной связи, итерационной составляющей, является неприемлемым фактором. Кроме того, такая схема не позволяет выполнять отдельные этапы параллельно, а не последовательно, внедрять современные информационные технологии, например CALS-технологии. Известные упрощенные схемы, позволяющие проводить итеративное проектирование (рис. 2б, в), в некоторой степени лишены недостатков традиционного способа, при этом с точки зрения оптимальности их последовательность может быть изменена.

Схема с направленными шагами через анализ (рис. 2в) для разработки методики проекти-

рования новых технологий с использованием комбинированных методов обработки и систем диагностики (контроля) АЭКИ нами признана оптимальной.

4. Анализ и синтез объектов. На рис. 3 представлена предложенная авторами работы [4] гипотетическая диаграмма проектирования технологии нового поколения Она основывается на определении системы принципов и методов обеспечения качественно новых свойств и возможностей технологий, а также на разработке системы проектирования новой технологии.

Последняя должна обеспечивать возможность эффективного использования на этапах ЖЦИ наукоемких процессов, в нашем случае это новая технологическая подготовка производственных процессов с учетом технологической наследственности (ТПП-ТНО); собственно КМО; производство продукции с учетом технологической наследственности (ПР-ТНО); диагностика (контроль); проведение испытаний и обследований (ДИ-АЭКИ).

Рис. 2. Этапы жизненного цикла технологии: а) традиционного цикла; б) при итеративном проектировании; в) при итеративном проектировании через анализ

Рис. 3. Система принципов проектирования технологии в новой оболочке [4]

Принципы проектирования новой технологии основаны на широком компьютерном обеспечении, они позволяют обрабатывать, накапливать и рационально использовать постоянно пополняемые базы данных.

Система принципов и методов обеспечения качественно новых свойств и возможностей базируется на композициях множеств известных и новых принципов и методов обеспечения свойств и возможностей технологии.

Проведенный анализ показывает, что важнейшим является анализ и синтез объектов систем. С учетом представлений, приведенных в работе [4], исследуем общее описание алгоритма синтеза методов обработки и диагностики, имея в виду, что есть два базовых вектора — комбинированная обработка КМО и методы диагностики, с применением акустико-эмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов АЭКИ [6, 7].

Этапы общего описание алгоритма синтеза методов обработки и диагностики таковы:

1. Во-первых, создается открытый набор единичных процессов с базовой основой в качестве КМО и АЭКИ, обеспечивающих заданное изменение свойств объекта обработки и своевременную оценку состояния элементов или объектов изделия. В нашем случае речь идет о процессах формирования требуемого объекта какими-то методами обработки, приводящими к управляемому локальному и дозированному разрушению (созданию) формы и поверхности твердого тела с целью изменения его макро- и микроразмеров и свойств поверхности (поверхностно-приповерхностного слоёв). Причем эта база является открытой, то есть при необходимости может расширяться и включать в себя новые элементы и новые возможности. Также учитываются, а при необходимости создаются системы ограничений, основанные учете особенностей используемых принципов, причем учитывают неприемлемые отношения между парциальными процессами, свойствами этих процессов и возможными результатами.

2. Для данного класса технологических задач формируются функция F цели.

Так, при синтезе комбинированных методов отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей машин функция цели может быть представлена выражением вида

F = f (Д а, р, т, у, q) = Д(х) А Д(у) Б, (3)

где R, а — обобщенные характеристики микро- и макрогеометрии поверхности; т — обобщенные показатели напряженного состояния; р — показатели металло-физических свойств поверхно-приповерхностного слоев; у — показатель прочности связи поверхностного слоя с основой; q — показатель, отражающий особенности формирования (разрушения) поверхностного (обрабатываемого) слоя; А — множество воздействий, отражающих

структуру процесса КМО; Д(х)— оператор выбора необходимой структуры методов обработки; Д(у) — оператор выбора необходимой структуры диагностики; Б — множество, отражающее структуру процесса диагностики с использованием АЭКИ.

3. Средствами комбинаторики выявляется множество для процессов обработки К и диагностики Д в виде возможных сочетаний единичных процессов или их обобщенных представителей.

4. Осуществляется формирование подмножества методов обработки, элементы которых удовлетворяют принятым ранее ограничениям: К е К.

5. Осуществляется формирование подмножества Д методов диагностики, элементы которых удовлетворяют принятым ранее ограничениям, т. е. Д*е Д.

6. Разрабатываются способы реализации конкретного метода обработки КеК и технологии на основе этих способов.

7. Разрабатываются способы реализации конкретного метода диагностики Д е Д и технологии (в данном случае АЭКИ) на основе этих способов.

8. Выполняется экспериментальная оценка эффективности таких технологий, делается заключение о целесообразности использования данного метода обработки и диагностики в конкретной области техники (предметной области), выявляется подобласть его эффективного применения, оцениваются диапазоны достигаемых этими методами технологических (эксплуатационных) результатов.

Выводы

1. Большую научную ценность при исследовании и разработке процессов на основе комбинированных методов обработки и диагностики представляют данные об отношениях между парциальными процессами. Они проявляются через специфические эффекты взаимовлияния: например, при обработке труднообрабатываемых материалов используют целый ряд методов — механохимиче-ский, термохимический, механоэлектрический и другие.

2. Для неразрушающих методов диагностики следует применять высокоточные акустикоэмиссионные критерии оценки состояния (разрушения) объекта на основе инвариантов, которые позволяют оценивать прочностные характеристики конструкций с учётом степени опасности дефектов вне зависимости от их формы, размеров и предыстории эксплуатации.

3. Указанные эффекты взаимовлияния лежат в основе синергетических, компенсационных, фильтрационных и иных явлений, свойственных комбинированным методами формирования поверхностей и диагностики состояния объекта, представляющих технологический интерес и обеспечивающих конкурентоспособность соответствующих технологий, используемых в производстве продукции и эксплуатации изделий специального машиностроения.

Библиографический список References

1. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения /

A. Н. Михайлов. — Донецк: ДонНТУ, 2009. — 346 с.

2. Хубка, В. Теория технических систем /

B. Хубка. — М.: Мир, 1987. — 208 с.

3. Теория электрических и физико-химических методов обработки: в 2 ч. Ч 1: Обработка материалов с применением инструмента / В. П. Смоленцев [и др.]. — Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2008. — 248 с.

4. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / под ред. Б. П. Саушкина. — М.: Дрофа, 2002. — 656 с.

5. Старов, В. Н. Моделирование процессов изменения работоспособности оборудования с учетом технологической наследственности / В. Н. Старов, М. Н. Краснова. — Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010. — 140 с.

6. Попов, А. В. Метод функциональных инвариантов в задачах оценки прочности на основе акустической эмиссии / А. В. Попов // Дефектоскопия. — 2008. — № 2. - С. 23—27.

7. Попов, А. В. Метод регистрации акустикоэмиссионных сигналов и силовых элементах конструкций вооружения и военной техники на основе лазерного голографического интерферометра / А. В. Попов, В. Н. Старов, Д. Е. Барабаш, С. Ю. Жачкин // Вестник ВАИУ. — 2012. — № 1 (15). — С. 18—28.

1. Mixajlov, A. N. Osnovy sinteza funkcional'no-orientirovannyx texnologij mashinostroeniya / A. N. Mixajlov. — Doneck: DonNTU, 2009. — 346 s.

2. Xubka, V. Teoriya texnicheskix sistem / V. Xubka. — M.: Mir, 1987. — 208 s.

3. Teoriya e'lektricheskix i fiziko-ximicheskix metodov obrabotki: v 2 ch. Ch 1: Obrabotka materialov s primeneniem instrumenta / V. P. Smolencev [i dr.]. — Voronezh: Voronezh. gos. texn. un-t, 2008. — 248 s.

4. Fiziko-ximicheskie metody obrabotki v proizvodstve gazoturbinnyx dvigatelej / pod red. B. P. Saushkina. — M.: Drofa, 2002. — 656 s.

5. Starov, V. N. Modelirovanie processov izmeneniya rabotosposobnosti oborudovaniya s uchetom texno-logicheskoj nasledstvennosti / V. N. Starov, M. N. Krasnova. — Voronezh: Voronezh. gos. texn. un-t, 2010. — 140 s.

6. Popov, A. V. Metod funkcional'nyx invariantov v zadachax ocenki prochnosti na osnove akusticheskoj e'missii / A. V. Popov // Defektoskopiya. — 2008. — № 2. —

S. 23—27.

7. Popov, A. V. Metod registracii akustiko-e'missionnyx signalov i silovyx e'lementax konstrukcij vooruzheniya i voennoj texniki na osnove lazernogo golograficheskogo interferometra / A. V. Popov, V. N. Starov, D. E. Barabash, S. Yu. Zhachkin // Vestnik VAIU. — 2012. — № 1 (15). — S. 18—28.

THE MECHANISMS OF POSSIBLE REALIZATIONS OF PHYSICAL EFFECTS AND ACCOUNTING STRENGTH CHARACTERISTICS OF COMPLEX STRUCTURES

Zibrov G. V.,

D. Sc. in Pedagogics, Prof.

Military Educational and Scientific Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin» (Voronezh);

Russia, Voronezh, tel.: (473)236-90-18, e-mail: academy-vvs.ru Starov V. N.,

D. Sc. in Engineering, Prof.

Voronezh Institute of State Fire Service of EMERCOM of Russia;

Russia, Voronezh, e-mail: [email protected] Smolencev E. V.,

D. Sc. in Engineering, Prof.

Voronezh State Technical University;

Russia, Voronezh, tel.: (473)246-27-72, e-mail: vorsty.ru Popov A. V.,

D. Sc. in Engineering, Assoc. Prof.,

Military Educational and Scientific Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin» (Voronezh);

Russia, Voronezh, tel.: (473)236-90-18

The presented technologies of new generation, which are combined methods of treatment and nondestructive methods of diagnostics with the use of acoustic emission criteria offracture on the basis of invariants.

Keywords: technology, machinery physical effects, technological heredity, combined methods of treatment, non-destructive methods of diagnostics, acoustic emission.