CC BY
54
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
УДК 621.398.67.019.3
Р. Ш. Мусаев, М. А. Фролов, А. С. Баранов
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ ПОСРЕДСТВОМ ПРОВЕДЕНИЯ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО УДАРА
R. Sh. Musaev, M. A. Frolov, A. S. Baranov
RISING OF DURABILITY AND OPERATIONAL CHARACTERISTIC OF TELEMETRY SYSTEM BY MEANS OF CARRYING OUT OF IMITATING MODELING OF MECHANICAL BLOW
Аннотация. Рассмотрено имитационное моделирование системы телеметрии при воздействии механического удара в процессе эксплуатации с применением специализированного расчетного модуля Simulation программного обеспечения SolidWorks. Результаты расчета позволили повысить надежность системы на ранних стадиях проектирования.
Abstract. Imitating modeling of the telemetry systemat influence of mechanical blowin operation process with application of specialized calculate module Simulation as a part of software SolidWorks is considered. The results of calculation have allowed to raise reliability of the system at early design stages.
Ключевые слова: прочность, надежность, эксплуатационные характеристики, имитационное моделирование, механический удар, система телеметрии, метод конечных элементов, граничные условия, CALS-технологии, SolidWorks Simulation.
Key words: durability, reliability, operation characteristic, imitating modeling, mechanical blow, telemetry system, finite element method, boundaries conditions, CALS-technology, SolidWorks Simulation.
Одной из актуальных проблем при проектировании датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА), применяемой в ракетно-космической или военной технике, является обеспечение ее надежности. Это обуславливается тем, что она эксплуатируется в особо жестких условиях, испытывая воздействие значительных вибрационных и ударных нагрузок, изменений температуры окружающей среды в широких интервалах и т.д. [1]. Исследование возможностей повышения надежности и улучшения эксплуатационных характеристик ДПА на ранних стадиях проектирования стало достижимым за счет применения систем автоматизированного проектирования (СЛЬ8-технологий).
Одной из последних разработок ОАО НИИФИ с применением СЛЬ8-технологий является система телеметрии (СТ) (рис. 1), предназначенная для удаленного мониторинга динамических процессов в труднодоступных местах, таких как подвижные части машин и устройств, и применяемая на объектах с высокой степенью опасности для жизни человека при непосредственном измерении (термические и радиоактивные системы).
2014,№1(7)
89
СТ состоит из автономных блоков (АБ), которые предназначены для первичного преобразования физических величин в аналоговую форму сигнала с приведением их к норме в соответствии со шкалой аналого-цифрового преобразователя (АЦП), последующего аналогоцифрового преобразования и сохранения в энергонезависимой памяти [2].
Рис. 1. Макетный образец системы телеметрии
Одним из основных автономных блоков СТ, испытывающих воздействие больших вибрационных нагрузок, имеющим наибольшие габаритные размеры и массу относительно других модулей, является дополнительный аккумуляторный модуль (ДАМ). Большая масса и габаритные размеры могут привести к возникновению различных дефектов при длительном воздействии вибрационной нагрузки в процессе эксплуатации. Учитывая специфику геометрии конструкции ДАМ, в целях обеспечения безопасной работы в жестких условиях эксплуатации необходимо обязательное проведение расчета динамического воздействия механического удара. Рассчитать аналитическими методами динамическое воздействие механического удара на ДАМ - сложная и трудоемкая задача, вследствие чего наиболее эффективным методом расчета признан метод инженерного анализа, а именно численный метод (метод конечных элементов). Такой метод позволяет определить оптимальные конструктивные и схематические параметры будущего изделия.
Для проведения расчета методом конечных элементов проводилось имитационное моделирование воздействия на ДАМ ударных ускорений на раннем этапе разработки с помощью модуля Simulation программного обеспечения SolidWorks [3, 4], отвечающего передовым требованиям современных САПР. Имитационное моделирование позволяет учитывать как статическое, так и динамическое влияние различных внешних воздействующих факторов, таких как давление, температура, скорость, электрический ток и т.д., что позволяет комплексно оценивать работу изделия.
Для проведения имитационного моделирования была создана твердотельная модель (рис. 2,а) изготовленного макетного образца ДАМ (рис. 2,6), состоящая из корпуса, печатной платы, прокладок, крышек, аккумуляторов, амортизаторов и крепежных винтов. Для проведения расчета, осуществляемого с применением метода конечных элементов на базе модуля Simulation [5], использовались следующие физико-механические характеристики материала: плотность р, модуль упругости 2-го рода E, предел текучести ов и коэффициент Пуассона ц [6].
а) б)
Рис. 2. Твердотельная модель ДАМ (а) и макетный образец ДАМ (б)
Получение достоверного результата расчета возможно только в том случае, если граничные условия для моделирования заданы корректно, т.е. идентично условиям реальной работы. Приняты следующие граничные условия, соответствующие реальным условиям работы (рис. 3):
- «жесткая заделка» на резьбе крепежного винта, посредством которой ДАМ устанавливается на реальном объекте;
- воздействие пикового ударного ускорения 4000 м/с2 длительностью 5 мс вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей координат;
- «распределенная масса» для соответствия массы расчетной модели с массой реального изделия.
Жесткая фиксация
Рис. 3. Схема граничных условий
Условие «распределенная масса» необходимо, так как из расчета исключены второстепенные детали, которые из-за сложной формы или малых геометрических размеров увеличивают погрешность и время расчета, но не влияют на точность результатов.
Критерием оценки влияния механического удара на элемент системы телеметрии является условие прочности (1):
к = [О] / Ошах > 1,5, (1)
где к - коэффициент запаса прочности; ошах - максимальное напряжение, возникающее при воздействии механического удара, МПа; [о] - предел текучести материала, МПа.
В результате имитационного моделирования воздействия на ДАМ пикового ударного ускорения 4000 м/с2 длительностью 5 мс вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей координат получены эпюры максимальных напряжений, представленные на рис. 4.
Из рис. 4 видно, что в элементе системы ДАМ максимальные напряжения, возникающие при воздействии ускорения 4000 м/с2 в направлениях вдоль осей Х и У, составляют 448,5 и 462,78 МПа соответственно и возникают на крепежных винтах, изготовленных из материала Сталь 20, предел текучести которого составляет 250 МПа. Следовательно, условие прочности (1) не выполняется, так как к = 250 МПа / 462,78 МПа = 0,54 > 1,5.
Для обеспечения надежной работы при воздействии на ДАМ механического удара материал крепежных винтов был изменен на Сталь 40Х, удовлетворяющий требованиям ТЗ и имеющий близкие физико-механические и химические свойства с материалом Сталь 20, но отличающийся большим пределом текучести, равным 780 МПа.
Для подтверждения работоспособности измененной конструкции ДАМ был проведен подобный расчет методом конечных элементов.
Результаты моделирования, представленные на рис. 5, свидетельствуют о том, что максимальные напряжения на винтах составили 451,06 и 468,48 МПа по оси Х и У соответственно. Данные значения удовлетворяют требованиям надежной работы элемента системы ДАМ, так как коэффициенты запаса прочности к, рассчитанные по направлениям вдоль осей Х и У, составляют 1,73 и 1,66 соответственно и удовлетворяют условию прочности (1). По результатам имитационного моделирования произведена корректировка конструкторской документации в части замены материала винтов. По завершении этапа разработки проводились испытания всех модулей системы СТ, в том числе и модуля ДАМ. Испытания модуля ДАМ показали, что конструкция с замененным материалом винтов удовлетворяет условию надежности изделия. Проведение имитационного моделирования на раннем этапе разработки предотвратило возникновение разрушения крепежных винтов системы во время проведения натурных испытаний системы.
2014,№1(7)
Рис. 4. Эпюра максимальных напряжений при воздействии ускорения 4000 м/с направленного вдоль оси X (а), оси У (б) и оси 2 (в)
б)
Рис. 5. Эпюра максимальных напряжений при воздействии ускорения 4000 м/с2, направленного вдоль оси X (а) и оси У (б), с измененным материалом винтов
Используемый в ОАО НИИФИ современный подход к проектированию ДПА с применением СЛЬ8-технологий позволяет увеличить качество и надежность разрабатываемой продукции, снизить затраты на проводимые испытания. Проведенный на ранней стадии проектирования расчет конструкции СТ с применением имитационного моделирования позволил значительно повысить надежность макетного образца за счет изменения материала крепежных винтов, а также избежать дополнительных временных и финансовых затрат.
Список литературы
1. Трофимов, А. Н. Взаимоиндуктивные датчики перемещений : моногр. / А. Н. Трофимов, А. А. Трофимов. - Пенза, 2009. - 260 с.
2. Плаксин, И. М. Реализация автономной беспроводной перспективной системы телеметрии для широкого спектра применения / И. М. Плаксин, А. В. Фомичев, Д. Д. Вязьмитинов // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Датчики и системы - 2012) : тр. Междунар. науч.-техн. конф. с элементами научной школы для молодых ученых (г. Пенза, 22-26 октября 2012 г.) / под ред. Е. А. Лом-тева, А. Г. Дмитриенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - С. 188-190.
3. Мусаев, Р. Ш. Имитационное моделирование чувствительного элемента тензорезистив-ного датчика абсолютного давления / Р. Ш. Мусаев, А. А. Трофимов, М. А. Фролов // Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. - № 2. - 108 с.
4. Алямовский, А. А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks / А. А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2011. - 784 с.
5. Алямовский, А. А. SolidWorks компьютерное моделирование в современной технике /
А. А. Алямовский // SolidWorks компьютерное моделирование в современной практике /
А. А. Алямовский, А. А. Собачкин, Е. В. Одинцова, А. И. Харитонович, Н. Б. Пономарев. - СПб. : БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.
6. Тихонов, Л. В. Механические свойства металлов и сплавов / Л. В. Тихонов, В. А. Коно-ненко. - Киев : Наукова Думка, 1986. - 567 с.
Мусаев Руслан Шабанович
кандидат технических наук, начальник научно-исследовательского конструкторского комплекса, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: [email protected]
Фролов Михаил Алексеевич
аспирант,
начальник научно-исследовательской лаборатории информационных технологий, Научно-исследовательский институт физических измерений,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Баранов Александр Сергеевич
магистрант,
инженер-конструктор 3 категории, Научно-исследовательский институт физических измерений,
Пензенский государственный университет E-mail:[email protected]
Musaev Ruslan Shabanovich
candidate of technical sciences, head of the research design complex, Scientific-research Institute of physical measurements
Frolov Mikhail Alekseevich
postgraduate student, head of the research laboratory of information technologies, Scientific-research Institute of physical measurements,
Penza State University
Baranov Aleksandr Sergeevich
undergraduate student, engineer 3 categories, Scientific-research Institute of physical measurements,
Penza State University
УДК 621.398.67.019.3 Мусаев, Р. Ш.
Повышение прочностных и эксплуатационных характеристик системы телеметрии посредством проведения имитационного моделирования механического удара / Р. Ш. Мусаев, М. А Фролов, А. С. Баранов / / Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 1 (7). - С. 88-92.
