Введение к работе
Актуальность темы. Современные транспортные системы (ТС) различного назначения, включая двигатели летательных аппаратов (ДЛА) и ракетно-космический техники (РКТ), подвержены воздействию интенсивных динамических нагрузок в широком спектре частот и ускорений, высоких и низких температур, солнечной радиации, повышенной влажности, агрессивных сред и других неблагоприятных факторов. В связи с этим разработка высококачественных ТС неразрывно связана с решениями проблем обеспечения повышенной стойкости, вибрационной прочности и функциональной надёжности их агрегатов, систем управления, входящих в них узлов и деталей. Одним из основных путей решения указанных проблем является создание вибро-и ударозащитных систем (ВС) на основе цельнометаллических виброизоляторов с конструкционным демпфированием. Упруго демпфирующие элементы (УДЭ) таких виброизоляторов изготавливаются из отрезков тросов, многослойных пластин, тканых и нетканых волокновых (проволочных) материалов.
В России, наряду с другими цельнометаллическими виброизоляторами, широкое применение получили виброизоляторы из нетканого проволочного материала «металлорезины» (MP), разработанного в Куйбышевском авиационном институте (ныне Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королёва). Материал MP, обладая двойственной структурой, как материала и как сложной системы конструкционного демпфирования (СКД), состоящей из множества контактирующих витков проволочных спиралей, позволяет получать большое разнообразие конструктивных форм виброизоляторов под различные эксплуатационные требования. Последнее явилось решающим фактором при создании высокоэффективных многокомпонентных виброизоляторов, включающих наборы УДЭ из различных модификаций материала MP или других СКД, а также один или несколько пружинных узлов.
Однако, несмотря на богатый опыт применения виброизоляторов с конструкционным демпфированием, теоретические основы их проектирования недостаточно развиты. Это связано, во-первых, с недостаточной развитостью и систематизацией аналитических методов изучения особенностей поведения ВС с конструкционным демпфированием при различных видах их возбуждения (гармоническое и случайное вибровозбуждение, ударное нагружение с учётом постоянно действующей нагрузки и т.п.).
Во-вторых - с ограниченными возможностями существующих методов моделирования и расчёта механических характеристик многокомпонентных виброизоляторов, в том числе, и на основе материала MP.
Совокупность указанных выше проблем и обуславливает актуальность темы диссертационной работы.
Цель диссертационной работы - развитие научных основ и инструментальных средств проектирования цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов с конструкционным демпфированием для современных транспортных средств, машин, приборов и аппаратуры при широком спектре внешних воздействующих факторов.
Задачи исследования
Провести обзор состояния научных исследований по конструкционному демпфированию и результатов разработки цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов.
Разработать метод построения полуэмпирических математических моделей деформирования многокомпонентных цельнометаллических виброизоляторов с конструкционным демпфированием, включающих в себя виброизолятор-прототип и отдельные упругие и упругодемпфирующие компоненты конструкции, соединённые между собой последовательно и параллельно.
Создать более совершенные приближённые аналитические методы исследования нелинейных колебаний систем вибро- и ударозащиты с конструкционным демпфированием при существенной нелинейности упругогистерезисных характеристик (УГХ) их виброизоляторов, реализующейся по-разному в зависимости от вида динамического нагружения.
Создать методы расчёта упругопластических и прочностных свойств материала MP при статическом нагружении.
Создать методы проектирования многокомпонентных цельнометаллических виброизоляторов, включающие расчёт их упругогистерезисных и динамических характеристик, а также конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих заданные динамические характеристики, прочность и несущую способность проектируемых виброизоляторов.
Апробировать созданные методы расчёта и проектирования путём разработки метода проектирования низкочастотных многокомпонентных виброизоляторов с высокой несущей способностью на основе виброизолятора-прототипа ДКУ из материала MP.
Разработать новые высокоэффективные конструкции виброизоляторов на основе материала MP и передовых производственных технологий, обеспечивающих повышенную работоспособность и эксплуатационные характеристики систем вибро- и ударозащиты современных транспортных средств.
Объект исследования - процессы нелинейных колебаний при
вибрационном и ударном возбуждении систем вибро- и ударозащиты и
процессы произвольного нагружения многокомпонентных
цельнометаллических виброизоляторов с конструкционным демпфированием;
механические характеристики многокомпонентных виброизоляторов и процессы упругопластического деформирования УДЭ на основе материала MP.
Предмет исследования - методы расчёта нелинейных (квазигармонических) колебаний ВС с конструкционным демпфированием, динамических, упругогистерезисных, упругопластических, прочностных характеристик виброизоляторов и создаваемые на их основе методы проектирования многокомпонентных цельнометаллических виброизоляторов.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись на базе классической нелинейной теории колебаний точными и приближёнными аналитическими методами решения нелинейного дифференциального уравнения движения ВС. При построении математических моделей деформирования многокомпонентных цельнометаллических виброизоляторов использовались основные положения теории конструкционного демпфирования, методы эквивалентного математического моделирования, теории подобия, сплайн-аппроксимации и методов аппроксимации ортогональными полиномами Чебышева и Лежандра в пространстве нескольких переменных.
Основные теоретические положения упругопластического
деформирования материала MP устанавливались на базе широко апробированных теорий прессования пористых тел.
Экспериментальные исследования выполнялись стандартными методами на серийно выпускаемом оборудовании с привлечением статистических методов обработки получаемых данных и вычислительной техники.
Достоверность результатов достигается путём научно обоснованной постановки задач исследования, принятых теоретических методов и зависимостей, используемых гипотез, допущений и ограничений, что подтверждается количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, в том числе полученными другими авторами.
Полученные в работе теоретические и практические результаты подтверждаются положительным опытом их применения при разработке высокоэффективных систем вибро- и ударозащиты, а также организацией серийного производства многокомпонентных «металлорезиновых» виброизоляторов на ряде предприятий.
Научная новизна.
1. Создана обобщённая математическая модель деформирования
цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов с
конструкционным демпфированием с упругодемпфирующими, пружинными и противоударными элементами, соединёнными между собой по схеме, позволяющей каждой компоненте реализовать в полной мере свои упругодемпфирующие и прочностные свойства.
Установлены новые, важные для практики, закономерности формообразования процессов деформирования в зависимости от упругогистерезисных характеристик компонент виброизоляторов; разработаны методы и алгоритмы математического описания исходных семейств петель гистерезиса, включая их гармоническую и квазигармоническую линеаризацию, как результаты взаимодействия отдельных компонент.
Созданы новые приближённые аналитические методы малого параметра для получения непрерывных и кусочно-непрерывных квазигармонических решений нелинейного дифференциального уравнения движения ВС с конструкционным демпфированием, учитывающих особенности поведения упругих и неупругих составляющих реакции виброизоляторов ВС. В отличие от существующих, предлагаемые методы основаны на построении дополнительных разложений по переменным предыстории деформирования, характерных для виброизоляторов с конструкционным демпфированием, а также на выделении математически строго оптимальной величины малого параметра с помощью гармонических непрерывных и кусочно-непрерывных решений уравнения движения ВС.
Разработаны новые приближённые аналитические методы изучения колебаний ВС при гармоническом и случайном вибровозбуждении на основе квазигармонической и гармонической, а также статистической линеаризации для случая несимметричных упругогистерезисных характеристик многокомпонентных виброизоляторов конструкционного демпфирования.
Разработаны общие теоретические положения упругопластического деформирования материала MP при его формовании в УДЭ различных форм с учётом полной системы внешних силовых факторов, дополненных условиями деформирования витков спиралей в MP на основе детерминистской модели их уплотнения.
Выработан новый подход к определению статической прочности MP на растяжение и сжатие по величинам внутренних и внешних сил трения (предел текучести) и по наименьшему давлению по высоте прессовки (временное сопротивление на сжатие).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методология построения полуэмпирических обобщённых
математических моделей деформирования многокомпонентных
виброизоляторов с конструкционным демпфированием, включающая в себе методы построения процессов деформирования виброизоляторов-прототипов, новых УДЭ, с учётом пружинных разгрузочных и противоударных устройств, объединённых рациональной схемой их взаимодействия; методы математического описания исходных совокупностей семейств петель гистерезиса многокомпонентных виброизоляторов и их компонент, включая
гармоническую и квазигармоническую линеаризацию УГХ; алгоритмы построения процессов произвольного деформирования с учётом предыстории нагружения многокомпонентных виброизоляторов.
Методы малого параметра для исследования установившихся и неустановившихся квазигармонических колебаний ВС с учётом переменных предыстории нагружения виброизоляторов и выделения малых членов в уравнении движения с помощью его гармонического решения для случаев гармонического и ударного нагружения ВС.
Методы проектировочных расчётов динамических и потребных упругогистерезисных характеристик виброизоляторов при гармоническом и случайном вибровозбуждении, а также ударном нагружении ВС с применением гармонической и квазигармонической линеаризации несимметричных УГХ полиномами Чебышева и Лежандра.
Выявленные закономерности упругих, упругопластических и прочностных характеристик материала MP при медленном (статическом) нагружении получаемых из него изделий.
Методы расчёта конструктивно-технологических параметров УДЭ из материала MP, пружинных разгрузочных и противоударных устройств, обеспечивающих потребные динамические, прочностные характеристики и несущую способность многокомпонентных виброизоляторов.
Метод проектирования низкочастотных многокомпонентных виброизоляторов из MP с высокой несущей способностью, создаваемых на базе прототипа ДКУ.
Предложенные конструктивные и технологические решения для многокомпонентных виброизоляторов на основе материала MP.
Практическая значимость. Созданные методы расчёта динамических, упругогистерезисных и прочностных характеристик многокомпонентных виброизоляторов, в том числе на основе материала MP, существенно расширяют практические диапазоны использования этих виброизоляторов для решения многих современных задач. Они позволяют выполнять проектировочные и поверочные расчёты в соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к системам вибро- и ударозащиты. В частности, определять амплитудно-частотные характеристики ВС, анализировать динамическую напряженность работы многокомпонентных виброизоляторов и их элементов, выбирать наиболее рациональные конструкторские параметры и технологические процессы производства УДЭ из MP, а также устанавливать необходимость в разработке новых конструкций многокомпонентных виброизоляторов или новых типоразмеров их прототипов.
Созданные и запатентованные конструкции многокомпонентных виброизоляторов обладают широким диапазоном полезных свойств, что позволяет повышать работоспособность и эксплуатационные характеристики
систем вибро- и ударозащиты, сокращать сроки и затраты на освоение новой техники.
Реализация результатов работы. Методология проектирования многокомпонентных виброизоляторов типа ДКУ и двухкомпонентных виброизоляторов втулочного типа внедрены в ФГУП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) и использовались при создании термоплат на основе высокочастотных втулочных виброизоляторов типа ВП-5, при разработке виброизоляторов типа ДКУ для систем управления бортовыми двигателями. Методы исследования колебаний ВС с конструкционным демпфированием применялись для анализа вибрационной напряжённости конструктивных элементов приборов при их гармоническом и случайном вибровозбуждении.
В ФГУП «Прикладной механики им. М.Ф. Решетнёва» (г. Красноярск) результаты работы использовались при создании систем виброзащиты бортовой аппаратуры, противоударных устройств солнечных батарей, средств вибро- и ударозащиты космического аппарата, размещаемых в узлах крепления его ферм к носителю.
Методы расчёта упругогистерезисных и динамических характеристик и метод проектирования многокомпонентных низкочастотных виброизоляторов ДКУ с пружинными разгрузочными устройствами и созданные с их помощью виброизоляторы внедрены в ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» (г. Красногорск, Московская обл.) при создании комплекса аэрофотосъёмочной аппаратуры в рамках международной программы «ОН» и наземной транспортной техники в рамках общероссийской программы «Совершенствование 88».
Разработанная при участии автора комплексная техническая документация позволила организовать серийное производство виброизоляторов из MP в СГАУ (г. Самара) и ОАО «Томский приборный завод» (г. Томск). Результаты работы используются в учебных процессах ФГБОУ ВПО СГАУ и СамГУПС.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили поддержку на следующих научных конференциях и совещаниях: Х-ХШ Всесоюзных конференциях по конструкционной прочности и надёжности двигателей, г. Самара, 1985, 1988, 1990, 1991 гг.; Международной конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» г. Самара, 1997 г.; Международной конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы решения» г. Орел, 2007 г.; XXXVII Уральском семинаре, г. Екатеринбург, 2007 г.; международных конференциях «Современные проблемы математики, механики, информатики» г. Тула, 2007, 2008 гг.; международной конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидроавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» г. Санкт-Петербург, 2008 г.; IV Международной конференции «Проблемы исследования
и проектирования машин», г. Пенза, 2008 г.; IV-VI Международных конференциях «Актуальные проблемы транспортного комплекса» г. Самара, 2008, 2009, 2010 гг; Международных конференциях «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара, 2009, 2011 гг.; Международной конференции «Актуальные проблемы машиностроения», г. Самара, 2009 г.; региональной конференции «Инжиниринг - 2009» г. Орёл, 2009 г.; XI Международной научно-технической конференции «Вибрация 2010. Управляемые вибрационные технологии и машины», г. Курск, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 117 работ, в том числе 20 в ведущих рецензируемых журналах и научных изданиях, рекомендованных ВАК, 2 монографии, получено 9 патентов РФ и 22 авторских свидетельства.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 165 наименований, изложена на 309 страницах и содержит 102 рисунка и 15 таблиц.
