Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ и систематизация датчиков давления для информационно-измерительных и управляющих систем изделий ракетно-космической техники
1.1 Анализ основных технических требований, предъявляемых к датчикам давления для информационно-измерительных и управляющих систем изделий ракетно-космической техники 15
1.2 Систематизация датчиков давления информационно-измерительных управляющих систем для изделий ракетно-космической техники 18
1.3 Анализ технического уровня и тенденций развития емкостных датчиков давления информационно-измерительных и управляющих систем для изделий ракетно-космической техники 23
1.4 Общие принципы проектирования емкостных датчиков давления информационно-измерительных и управляющих систем для изделий ракетно-космической техники 32
1.5 Основные результаты и выводы по главе 1 41
ГЛАВА 2. Основы теории составления математической и имитационной моделей, метрологический анализ погрешностей емкостных датчиков давления для информационно-измерительных и управляющих систем для изделий ракетно-космической техники
2.1 Математическая модель емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 42
2.2 Имитационная модель емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 54
2.3 Метрологический анализ датчика давления информационно измерительной и управляющей системы двигательной установки 65
2.3.1 Функция преобразования емкостного датчика давления информа
ционно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 65
2.3.2 Оценка основной погрешности емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 70
2.3.3 Оценка дополнительной погрешности емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 75
2.4 Основные результаты и выводы по главе 2 82
ГЛАВА 3. Методика расчета надежности емкостных датчиков давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
3.1 Структурно-функциональный анализ надежности конструкции емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 84
3.2 Расчет коэффициентов запаса несущей способности и гауссовского уровня надежности каждого элемента емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
3.2.1 Расчет на прочность сварного соединения кожуха с элементом чувствительным конструкции емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 90
3.2.2 Расчет на прочность сварного соединения кожуха с вилкой емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 91
3.2.3 Расчет на прочность кожуха емкостного датчика давления ин
формационно-измерительной системы двигательной установки 91
3.2.3.1 Расчет цилиндра в зоне его соединения с элементом чувствительным емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 93
3.2.3.2 Расчет цилиндра (кожуха) в зоне его соединения с вилкой емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 95
3.2.4 Расчет на прочность резьбового штуцерного соединения датчика с трубопроводом емкостного датчика давления информационно измерительной и управляющей системы двигательной установки 96
3.2.4.1 Расчет резьбового соединения штуцера емкостного датчика давления с трубопроводом информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки в части прочности резьбы на срез 99
3.2.4.2 Расчет резьбового соединения штуцера емкостного датчика давления с трубопроводом информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки в части прочности резьбы на смятие 1 3.2.5 Расчет на прочность сварного шва гайки с наконечником и с штуцером емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 100
3.2.6 Расчет на прочность сварного шва мембраны со штуцером емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 101
3.2.7 Расчет на прочность мембраны емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 102
3.2.8 Расчет гауссовского уровня надежности элементов конструкции
емкостного датчика давления информационно-измерительной и управ
ляющей системы двигательной установки 104
3.3 Оценка вероятности безотказной работы емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 106
3.4 Основные результаты и выводы по главе 3 116
4 Анализ результатов экспериментальных исследований, физического моделирования и оценка технического уровня разработанных емкостных датчиков давления информационно-измерительных и управляющих систем ракетно-космической техники
4.1 Анализ результатов экспериментальных исследований емкостного датчика давления информационно-измерительных и управляющих систем ракетной и космической техники 120
4.2 Оценка технического уровня разработанного емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки 127
4.3 Основные результаты и выводы по главе 4 135
Заключение 137
Список сокращений и условных обозначений 141
Список литературы 142
- Систематизация датчиков давления информационно-измерительных управляющих систем для изделий ракетно-космической техники
- Имитационная модель емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
- Расчет коэффициентов запаса несущей способности и гауссовского уровня надежности каждого элемента емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
- Оценка технического уровня разработанного емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие специальной техники, к которой относят ракетно-космическую технику (РКТ), вооружение и военную технику, авиацию, двигателестроение, изделия для атомной энергетики и т.п., во многом зависит от технического уровня информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), качество и технико-экономические показатели которых определяются использованной в них датчико-преобразующей аппаратурой (ДПА). В специальной технике ДПА эксплуатируется при воздействии большого количества дестабилизирующих факторов: ударов, вибраций, линейных ускорений, акустического шума, широкого диапазона воздействующих температур. При создании сложных комплексов в настоящее время широко используются датчики давления (ДД). Они применяются во многих ИИУС специальной техники.
Практика использования ДД специального назначения в двигательных установках выдвигает перед разработчиками многообразные, зачастую противоречивые требования: точность, надежность, помехозащищенность, быстродействие, малые габаритные размеры, технологичность изготовления. Дальнейшее развитие ДД диктует необходимость повышения их надежности, точности и одновременного уменьшения габаритных размеров. Это связано, в первую очередь, с широким использованием датчиков на подвижных объектах, где уменьшение габаритов и массы оборудования позволяет увеличить общий коэффициент полезного действия объекта и объем формируемой информации. Особенно важно это при работе датчиков в ограниченных пространствах: во внутренних полостях агрегатов, двигателей, гидроцилиндров, под обшивками летательных аппаратов, в переносных устройствах, где ограничения в габаритных размерах играют решающую роль при выборе датчика. Кроме того, снижение габаритно-весовых показателей ведет к уменьшению энергопотребления и материалоемкости, однако при этом должны сохраняться метрологические характеристики датчиков.
В настоящее время разработано большое количество ДД, которые отличаются по структуре построения и методу обработки сигналов с чувствительных элементов (ЧЭ). Наибольшее распространение среди ДД получили емкостные датчики давления (ЕДД) с цифровым выходом, отличающиеся стабильностью метрологических характеристик и относительно малыми габаритами.
Большой вклад в развитие теории, проектирования и промышленного освоения ЕДД внесли приборостроительные фирмы, как отечественные (МГТУ им. Н. Баумана; Самарский государственный аэрокосмический университет; Ульяновский авиационный институт; ПГ «Метран» (г. Челябинск); АО «НИИФИ» (г. Пенза); ГК «ПРОМПРИБОР»; Всероссийский научно-производственный институт автоматики им. Н. Л. Духова; НПО «Измерительная техника» (г. Королев Московской обл.), так и зарубежные (Honeywell International, Inc, Ficher-Rоsemount, Inc, Denso Corporation
(США); Yokogawa Electric Corporation, Motorola, Ins, Matsusihita Electronic Ind Co, Hitachi Ltd, Alpselectric Co Ltd (Япония). Современные методы и средства проектирования ЕДД сформировались на базе исследовательских работ и изобретений известных ученых: Д. И. Агейкина, Е. П. Осадчего, А. С. Левицкого, Л. В. Ларионова, А. И. Новикова, Е. А. Мокрова, В. П. Бух-гольца, Э. Г. Тисевича, Г. П. Нуберта, Б. М. Тареева, В. А. Ацюковского, А. И. Тихонова, В. А. Тихоненкова и др.
Тем не менее существующие ЕДД не свободны от ряда недостатков, таких как:
изменение параметров датчика от температуры окружающей среды, ударов, вибраций и линейных ускорений;
недостаточная механическая надежность при воздействии дестабилизирующих факторов.
Для этого возникла необходимость разработки теоретических и конструктивных решений по созданию методик расчета надежности ЕДД с цифровым выходом, отличающихся стабильностью метрологических характеристик, относительно малыми габаритами и повышенной надежностью.
В связи с отсутствием расчетной и компьютерной моделей ЕДД с цифровым выходом необходимо разработать математическую и имитационную модели ЕДД с повышенной надежностью, обеспечивающие формирование и передачу параметров измеряемого давления в виде цифрового последовательного кода по интерфейсу І-Wire с основной и дополнительной погрешностями измерения давления до 34,3 МПа, не превышающими ±0,15 и ±1,5 % соответственно.
Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы, посвященная проблеме повышения надежности, стойкости к внешним воздействующим факторам и улучшения метрологических характеристик элементов ИИУС при измерении давления в двигательной установке изделий РКТ.
Целью диссертационной работы являются исследование и разработка научно обоснованных технических решений емкостных датчиков давления повышенной надежности с улучшенными техническими и метрологическими характеристиками и информационно-измерительной управляющей системы двигательной установки РКТ.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
-
анализ способов проектирования и систематизация ДД, адаптированных для задач РКТ;
-
разработка структурной схемы ДД на основе емкостного ЧЭ, обеспечивающего стабильные выходные характеристики при воздействии на ИИУС двигательной установки давления перегрузки и температуры;
-
разработка математической и имитационной моделей ЕДД повышенной надежности, позволяющих определить выходной код, поступающий от датчика к модулю обработки информации ИИУС двигательной установки при изменении геометрических параметров чувствительного элемента датчика;
-
оценка влияния температуры и давления на параметры выходного кода ЕДД ИИУС и выработка технических решений по повышению метрологических характеристик ЕДД ИИУС;
-
разработка способа повышения надежности ЕДД, позволяющего обеспечить вероятность безотказной работы ЕДД ИИУС двигательной установки не менее 0,995;
-
проведение стендовых и натурных испытаний изготовленных опытных образцов ЕДД для подтверждения основных расчетных технических характеристик;
-
разработка и внедрение методики расчета надежности, программного обеспечения расчета выходных характеристик и настройки ЕДД для ИИУС двигательной установки на предприятии АО «НИИФИ».
Объектом исследования являются ЕДД и ИИУС двигательной установки.
Предметом исследования являются метрологические и технические характеристики ЕДД и ИИУС двигательной установки.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, математического моделирования, метод конечных элементов, теории механики деформируемого тела. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD и алгоритмического языка С Sharp (Visual Studio). При проектировании конструкции датчиков применялись системы автоматизированного проектирования КОМПАС, SolidWorks Simulation и Ansys.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований опытных образцов ЕДД, разработанных при выполнении научно-исследовательских опытно-конструкторских работ «Луна-Глоб» и «Луна-Ресурс» по государственной программе и прямому договору с АО «НИИФИ» (г. Пенза), результатами стендовых и натурных испытаний ИИУС двигательной установки изделий РКТ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель ЕДД, обеспечивающая возможность корректировки выходного сигнала, поступающего к модулю обработки информации ИИУС двигательной установки за счет изменения геометрических параметров ЧЭ ЕДД.
-
Выведена функция преобразования ЕДД, позволяющая оценить влияние температуры и давления на параметры выходного кода датчика ИИУС, выработать решения по снижению основной (с ± 0,5 % до ± 0,15 %) и дополнительной (с ± 2,5 % до ± 1,5 %) погрешностей выходного кода при воздействии на ИИУС двигательной установки температуры и давления перегрузки.
-
Разработана имитационная модель ЕДД в составе ИИУС, позволяющая оценить воздействие рабочих температур, виброускорений, механических ударов, давлений перегрузки, отличающаяся возможностью подбо-
ра геометрических размеров и материалов емкостного ЧЭ ДД в зависимости от полученного значения выходного кода.
-
Разработана ИИУС двигательной установки, в узлах которой используется ЕДД повышенной надежности с улучшенными метрологическими характеристиками, что позволяет измерять давление в узлах двигательной установки до 34,3 МПа с погрешностью измерения в нормальных климатических условиях ± 0,15 % (вместо ± 0,5 % существующей ИИУС), в условиях воздействия температуры от минус 40 до 60 С ± 1,5 % (вместо ± 2,5 % существующей ИИУС).
-
Предложен способ повышения надежности ИИУС двигательной установки на основе разработанных алгоритма и методики расчета надежности ЕДД, который в отличие от ранее известных обеспечивает получение вероятности безотказной работы элементов ИИУС до 0,995 и позволяет установить основные критерии отказа ЕДД, оценить степени нагруженно-сти и функциональной значимости каждого элемента датчика с учетом длительного воздействия на ИИУС двигательной установки температуры и давления перегрузки.
Практическая ценность работы определяется внедрением основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследовании и разработке ЕДД ИИУС двигательной установки. Практическую ценность работы представляют:
-
программное обеспечение (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617805) в среде программирования Delphi, позволяющее проводить испытания датчиков давления ДАЕ 002, производства АО «НИФИИ»;
-
программное обеспечение (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014616447, № 2013660559, № 2014662918, № 2015617478, № 2015617432) и базы данных (свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621441, № 2014621265, № 2015620519 и № 2015621109) в среде программирования С Sharp, позволяющие проводить анализ и расчеты разрабатываемых конструкций ЕДД и осуществлять хранение полученных результатов;
-
результаты математического и имитационного моделирования нормализованного последовательного цифрового кода ЕДД в условиях эксплуатации и режимов его работы, позволившие получить зависимость выходного кода ЕДД от изменения давления в узлах ИИУС;
-
способ повышения надежности ЕДД для ИИУС двигательной установки, позволяющий повысить вероятность безотказной работы ЕДД до 0,995;
-
разработанные базовые конструкции датчиков абсолютного давления ДАЕ 002 для ИИУС двигательной установки изделия РКТ и разности давления ДРЕ 003 для ИИУС атомной электростанции;
-
результаты стендовых и натурных испытаний разработанных в АО «НИИФИ» унифицированных конструкций датчиков давления ДАЕ 002 и ДРЕ 003, подтвердившие практическую значимость разработанных матема-
тической и имитационной моделей и способа повышения надежности при конструировании ЕДД для ИИУС двигательной установки.
На защиту выносятся:
-
структура ИИУС двигательной установки, отличающаяся наличием ЕДД повышенной надежности с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками, позволяющая измерять в широком диапазоне давление составных частей двигательной установки при воздействии температуры и давления перегрузки;
-
математическая модель ЕДД для ИИУС двигательной установки, которая позволяет корректировать выходной сигнал, поступающий к модулю обработки информации ИИУС двигательной установки за счет изменения геометрических параметров ЧЭ ЕДД;
-
функция преобразования ЕДД, позволяющая оценить влияние температуры и давления на параметры выходного кода ЕДД ИИУС и выработать технические решения по повышению метрологических характеристик ИИУС двигательной установки;
-
имитационная модель ЕДД, позволяющая оценить воздействие рабочих температур, виброускорений, механических ударов, давлений перегрузки, отличающаяся функцией подбора геометрических размеров и материалов емкостного ЧЭ ДД в зависимости от полученного значения выходного кода;
-
способ повышения надежности ИИУС двигательной установки, который в отличие от ранее известных обеспечивает получение вероятности безотказной работы элементов ИИУС двигательной установки до 0,995 и позволяет оценить степени нагруженности и функциональной значимости каждого элемента ЕДД ИИУС с учетом воздействия на ИИУС двигательной установки температуры и давления перегрузки;
-
конструкция ЕДД ИИУС двигательной установки, позволяющая повысить надежность ИИУС двигательной установки на 4 %, снизить массу системы на 3,9 кг и повысить точность измерения давления за счет снижения основной погрешности измерения до ±0,15 % (±0,5 % у аналога) и дополнительной погрешности от воздействия температуры и давлений перегрузки до ±1,5 % (±2,5 % у аналога).
Реализация и внедрение результатов исследований. На основе теоретических исследований и разработок в ходе выполнения работ с 2009 по 2015 г. по договорам с ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина» внедрен в опытное производство АО «НИИФИ» ЕДД с цифровым выходом ДАЕ 002, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационной работы на предприятии АО «НИИФИ». Опытные образцы ЕДД используются в составе системы двигательной установки огневых и холодных испытаний двигателей РКТ, что подтверждено актом использования ЕДД в системе двигательной установки ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях, семи-
нарах и симпозиумах: «Датчики и системы» (Пенза, 2011-2013); «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2012); ХХХХШ Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления (Москва, 2013); «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2013» (Королев, 2013); «Стой-кость-2014» (Москва, 2014); «Надежность и качество» (Пенза, 2014), «Университетское образование» (Пенза, 2015), «Метрологическое обеспечение измерительных систем - 2015» (Пенза, 2015).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 13 статьях и докладах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК РФ, а также 10 свидетельств о государственной регистрации программ ЭВМ и баз данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и одного приложения. Она изложена на 165 страницах, включает 31 рисунок, 32 таблицы. Список литературы содержит 104 наименования. Приложение представлено на 13 страницах.
Систематизация датчиков давления информационно-измерительных управляющих систем для изделий ракетно-космической техники
Непрерывное усложнение создаваемых космических аппаратов и космических объектов и вс возрастающие требования к безопасности их эксплуатации и продлению ресурса требуют использования специализированных ИИУС и во многом зависят от их технического уровня, в свою очередь, качество и технико-экономические показатели ИИУС определяются использованной в них ДПА [3]. В специальной технике ДПА эксплуатируется при воздействии большого количества дестабилизирующих факторов: ударов, вибраций, линейных ускорений, акустического шума, широкого диапазона воздействующих температур. При создании сложных аппаратных комплексов в настоящее время широко используются датчики давления [4]. Они применяются во многих ИИУС специальной техники [2].
Большинство ИИУС функционально состоят из трх основных частей (рисунок 1.1): измерительной, вычислительной и исполнительной.
Блок-схема информационно-измерительной управляющей системы двигательной установки для изделий РКТ Измерительная часть включает в себя многофункциональные измерительные модули с набором различных диагностических и параметрических датчиков. Вычислительная часть реализуется в промежуточных и центральной вычислительной станциях. Исполнительная часть включает в себя функции управления внешними исполнительным оборудованием и сигнальными устройствами. Для реализации задач по достоверному и надежному диагностирова нию объектов РКТ необходимо развитие ИИУС в следующих направлениях [2]: - повышение надежности работы и достоверности получаемой информации; - повышение точности в 3-5 раз; - расширение функциональных возможностей; - расширение диапазона измерения давления; - повышение быстродействия; - снижение габаритно-массовых характеристик, особенно для изделий РКТ; - снижение стоимости и др. Повышение надежности диагностирования ИИУС напрямую зависит от входящих в ее состав ДПА, многоядерных компьютеров и надежных линий связи для контроля состояния объектов, принятия решений о дальнейшей эксплуатации объектов на базе физической модели повреждения конструкций под действием нагрузок и дополнительных факторов в процессе эксплуатации [4].
Одним из основных элементов, влияющих на надежность и эксплуатационные характеристики ИИУС для изделий РКТ, входящих в состав модуля сбора и обработки информации, являются датчики давления и средства цифровой обработки сигналов с улучшенными метрологическими характеристиками, а также стойкостью к внешним воздействиям и высокой наджностью [5].
Основной принцип подхода к созданию исполнительных механизмов нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от ме ханических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новые задачи [5]. При использовании новых технологий и методов обработки сигналов на хорошо известных принципах измерения создаются датчики со значительно лучшими свойствами.
Развитие датчиков давления для ИИУС изделий РКТ, осуществляется одновременно по двум направлениям: совершенствование измерительных блоков и совершенствование электронных устройств [1,6].
ЧЭ является основой измерительного блока любого датчика. Наиболее важными его качествами являются чувствительность, стабильность, малый гистерезис, выдерживание перегрузок без ощутимых последствий и минимальное влияние температуры на его характеристики [6].
Использование микропроцессоров и однокристальных микроЭВМ непосредственно в составе датчика давления ИИУС обеспечивает возможность улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик, а именно позволяет получать точные результаты при линеаризации, улучшении температурных характеристик, увеличении сервисных функций, повышения надежности [7]. Кроме процесса измерения, преобразования измеряемых сигналов в типовые аналоговые и цифровые значения датчики давления ИИУС выполняют самодиагностику своей работы, дистанционную настройку диапазона измерений, первичную обработку измерительной информации. Такие датчики давления имеют интерфейсы к стандартным типовым сетям, что делает их совместимыми с практически любыми современными средствами автоматизации и позволяет информационно общаться с этими средствами и получать питание от блоков питания этих средств.
Имитационная модель емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
В предлагаемой работе проводится инженерный анализ с целью разра ботки конструкции чувствительного элемента емкостного датчика, обеспечи вающей повышенную вибрационную стойкость. Задача разработки датчика новой конструкции разделена на две составляющие: механическую и элек трическую. Для решения задачи механики используется программное обес печение SolidWorks Simulation [52-53]. Для решения электрической состав ляющей создана математическая модель, реализованная в программе MathCAD. С физической точки зрения, мкостный датчик давления представляет собой конденсатор, состоящий из двух обкладок. При изменении зазора между обкладками (под действием давления, создаваемого происходит девиация мкости. На практике наиболее просто реализуется изменение зазора, которое постоянно во всех точках относительно обкладок (плоскопараллельное перемещение). Достигается это путм установки дополнительного элемента конструкции на воспринимающую мембрану. Данная конструкция имеет один существенный недостаток – малую вибростойкость. Для увеличения вибростойкости предлагается другая, более устойчивая конструкция – мембрана с напылением из сэндвича проводящих и диэлектрических слов.
Проведение имитационного моделирования датчика давления с целью оптимизации его работы и повышения надежности обуславливает создание методики имитационного моделирования. Достижение требуемого качества и надежности возможно путем создания имитационной модели ЕДД, позволяющей повысить прочностные и эксплуатационные характеристики изделия. Статический анализ дает возможность осуществить пределообразование упругого чувствительного элемента и определить наиболее эффективную схему передачи на него усилия, и при этом возможно найти поля распределения напряжений в элементе и определить наиболее опасные сечения, после чего возможна оптимизация его конфигурации [52-53].
Перемещение, возможное разрушение элементов модели, а также напряжения в них вычисляются для элементов и их узлов на основании дискретных уравнений движения конструкции в матричном виде [52-53]: где {и} - вектор узловых перемещений для всего тела; {}, {} - векторы ускорений и скоростей точек тела; [К], [С], [М] - «глобальные» матрицы жесткости, демпфирования и масс для всего тела соответственно; {F} - вектор эквивалентных узловых сил для всего тела.
Деформация связана с перемещениями узлов соотношением [52-53] { } [ ] { } (2.15) где {е} - результирующий вектор деформаций элемента; [В] - матрица деформаций-перемещений, обусловленная функциями формы элемента. В свою очередь напряжения могут быть найдены на основании уравнения [52-53] { } [ ]{ } (2.16) где {} - результирующий вектор напряжений элемента. К модели с наложенными ограничениями перемещения прикладывалась варьируемая на каждом шаге нагрузка в соответствии со схемой. Изменение нагрузки на каждом шаге нагружения было обеспечено за счет задания табличного массива, отражающего зависимость величины нагрузки от времени, при этом каждый шаг нагружения задавался фиктивной протяженностью в 1 секунду. Для создания методики имитационного моделирования [55] была раз работана последовательность действий с выделенными основными этапами – алгоритм проведения имитационного моделирования ЕДД ИИУС двигательной установки (рисунок 2.5): - построение имитационной модели; - верификация имитационной модели; - уточненный расчет методом конечных элементов параметров чувствительного элемента и их оптимизация; - имитационное моделирование в программной среде Ansys влияния дестабилизирующих факторов. Рисунок 2.5 – Алгоритм проведения имитационного моделирования ЕДД Для построения имитационной модели необходимо построить твердотельную модель исследуемого объекта. Исходя из принципа работы датчика на твердотельную модель задаются граничные условия. В нашем случае для реализации поставленной цели в результате имитационного моделирования должны быть определены: - прогиб жсткого центра мембраны воспринимающего элемента при воздействии тной модели, на которой в реальной конструкции имеется резьба. Давление, давления, равному верхнему пределу диапазона измерений; - собственные частоты датчика; - выходные параметры мкостного элемента датчика при воздействии давления, равному верхнему пределу измерения и при воздействии температуры окружающей среды от минус 40 С до +60 С. Граничными условиями в методе конечных элементов являются ограничения на перемещения элементов, нагрузки, прикладываемые к ним и узлам их соединений, а также свойства используемых при расчете материалов. Используя метод конечных элементов, дискретные уравнения движения конструкции можно представить в виде матричного уравнения [52-53] где для однозначного определения «глобальных» матриц уравнения [К], [С], [М] достаточно задать геометрические параметры и свойства материала или материалов модели [56-58]. Граничное условие «Жсткая заделка» задается, исходя из схемы установки датчика на объекте, на ту грань расчдействующее со стороны измеряемой среды, задатся на всю внутреннюю полость датчика. Влияние температуры окружающей среды на выходные параметры мкостного элемента датчика моделируется в несколько этапов: на первом этапе решается стационарная задача теплопроводности, в результате которой определяется температурное поле для всех деталей расчтной модели; на втором этапе решается статическая задача по определению температурных полей [59-62].
Граничные условия [63] для определения изображены на рисунке 2.6: 1) прогиба жсткого центра мембраны; 2) выходных параметров мкостного элемента датчика при воздействии температуры окружающей среды от минус 40 С до +60 С; 3) собственных частот датчика изображены. Рисунок 2.6 – Схема граничных условий Неотъемлемой частью создания имитационной модели ЕДД ИИУС является построение сетки конечных элементов [64]. В качестве базового конечного элемента сетки был выбран элемент тетраэдр с десятью узлами (рисунок 2.7). Рисунок 2.7 – Десятиузловой тетраэдр Данный элемент позволяет использовать нерегулярную форму сетки без потери точности, а также имеет совместные формы перемещений и в состоянии описывать модели с искривленными границами [65]. Он определяется двадцатью узлами, имеющими 3 степени свободы в направлении осей X, Y, Z узловой системы координат. Элемент может иметь различную ориентацию в пространстве и обладает специальными свойствами пластичности, упругости, гиперупругости, вязкоупругости, ползучести, больших деформаций, «рождения» и смерти, а также радиационного набухания, из которых в работе будут задействованы только первые два. Автор использовал автоматическое разбиение с приоритетом гексагональной опции элементов и максимальным размером ребра каждого элемента не более 0,5 мм (таблица 2.3). Таблица 2.3 – Свойства сетки конечных элементов предварительный расчет методом конечных элементов с применением модуля Simulation [52] в программной среде SolidWorks [53] и делается вывод об адекватности построенной имитационной модели. Модель представляет собой сварную конструкцию штуцера и воспринимающего элемента. Для расчета напряженно-деформированного состояния и определения прогиба мембраны воспринимающего элемента использовались следующие физико-механические свойства прецизионного немагнитного коррозионностойкого сплава на железохромоникелевой основе: плотность р, коэффициент линейного теплового расширения а, модуль упругости E, предел текучести ав, коэффициент Пуассона \i [56-58].
Расчет коэффициентов запаса несущей способности и гауссовского уровня надежности каждого элемента емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
Решая уравнения (3.15) и (3.16) с подстановкой числовых значений, получим: М0 = Мх =0,190105 кгс/мм2; Му = juMx = 0,057032 кгс/мм2. Осевые и окружные напряжения в точке у заделки определяются по формулам [86-91]: .=2; (3.18) 6-М t о=— ; (3.19) h2 аг=-р. (3.20) Подставляя в формулы (18), (19) и (20) значения Мх, M, получим: ах =1,14063 кгс/мм2; at = 0,342192 кгс/мм2; аг = - 0,01 кгс/мм2. Эквивалентное напряжение в местах заделки цилиндра определяется по формуле (3.12), и его значение составляет аэ = 1,02115 кгс/мм2. Коэффициент запаса прочности цилиндра в местах заделки определяется по формуле (3.13) и имеет значение К4 = 44,07.
Расчет на прочность резьбового штуцерного соединения датчика с трубопроводом емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
Проведем расчет момента затяжки, обеспечивающего герметичность резьбового соединения штуцера с трубопроводом, в рабочих условиях, для штуцерного стяжного соединения закрытых затворов с плоской металлической (алюминиевой) прокладкой [86]. Необходимое усилие затяжки gзн, Н (кгс) определяем по следующей формуле: Qзн=QS-K+(1J)-QP, (3.21) где Qs - минимальное усилие на прокладку, обеспечивающее максимальное затекание материала прокладки в микронеровности уплотнительных поверхностей, Н (кгс); К = 1,25 - коэффициент запаса по прочности; т] - относительная податливость деталей соединения. Для упрощения расчетов допускается принимать 7] = 0; Qp - усилие от давления рабочей среды, Н (кгс). Усилие от давления рабочей среды Qр определялось по формуле [86-91]: ар=РЖ , (3.22) где Р - максимальное значение предельно допустимого давления перегрузки. Для случая (наиболее тяжелый), когда Ртах = 40-106 Н/м2 (400 кгс/см2), dl = 0,0058 м - внутренний диаметр прокладки усилие от давления рабочей среды Qр согласно формуле (3.22) Qp = 1033,9 Н (105,429 кгс).
Минимальное усилие на прокладку Qs, обеспечивающее максимальное затекание материала прокладки в микронеровности уплотнительных поверхностей, определялось по формуле: l_ где dcp= 0,00715 м - средний диаметр прокладки; S - текущая толщина прокладки, м; /л - коэффициент трения между поверхностями прокладки и закрытого затвора при сжатии прокладки. Для алюминиевой прокладки без смазки //=0,25; as - предел текучести материала прокладки с учетом упрочнения при сжатии, МПа (кгс/см2); Ъ = 0,00135 м - ширина прокладки. Текущую толщину прокладки S вычисляем по формуле [86-91]: S = S0 -2-Rz, (3.24) где S0 = 0,0015 м - толщина прокладки до сжатия; Rz = 2,5-10" м - высота микронеровностей уплотнительных поверхностей. Значение текущей толщины прокладки S, определено по формуле (3.24) и составило S = 0,001495 м.
Предел текучести материала прокладки с учетом упрочнения при сжатии as определялся по формуле GS = GSO+0,7SQ 6, (3.25) где crso - предел текучести материала прокладки. Для алюминиевой прокладки asо = 33,4 МПа (340 кгс/см2); є– относительная деформация, %. Относительная деформация определялась по формуле [86-91]: деформация прокладки є, определенная по формуле (3.26), равна: є= 0,333 %. Предел текучести материала прокладки as с учетом упрочнения при сжатии, определенный по формуле (3.25), равен CJS =33,76 МПа (331,186 кгс/см2). Минимальное усилие на прокладку Qs, обеспечивающее максимальное затекание материала прокладки в микронеровности уплотнительных поверхностей, определенное по формуле (3.23), равно ,=3045,78 Н (310,79 кгс). Необходимое усилие затяжки gзн, определенное по формуле (3.21), составило g3H=4841,12 (Н) (493,99 кгс).
Необходимый момент затяжки соединения штуцера с трубопроводом Мзн (Н-м), обеспечивающий герметичность соединения в рабочих условиях находится по следующей формуле:
Расчет на прочность сварного шва гайки с наконечником и с штуцером емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки Усилие от воздействия предельно допустимого давления перегрузки в сварном шве определяем по формуле [86,87]: ж/2 где Ртах - предельно допустимое давление перегрузки, кгс/мм2; dсш= 12 мм -диаметр сварного шва;
Оценка технического уровня разработанного емкостного датчика давления информационно-измерительной и управляющей системы двигательной установки
Полученные градуировочные характеристики свидетельствуют о том, что используемые в составе ЕДД №1-5 блоки ПЕК и МК, выполненные на базе микросхем АD7746 ARUZ и С8051 F350-GQ соответственно, реализуют функцию преобразования выходного кода ПЕК в последовательный двоичный выходной код датчика с его нормализацией в пределах заданной шкалы и аппроксимацией градуировочной характеристики кусочно-линейными функциями на участке [Кпi (Рi); Кпi+1 (Рi+1], при (Рi+1 - Рi)=Pв/20 - длине участка аппроксимации – по формуле 2.12, обеспечивая тем самым выравнивание градуировочной характеристики и температурную компенсацию ЕДД с минимальными основной и дополнительной погрешностями, о чем свидетельствуют графики.
Значения основной и дополнительной погрешностей в условиях эксплуатации от воздействия температуры (рисунок 4.5), синусоидальной вибрации, линейного ускорения, акустического шума составили ±0,15 % и
Анализ составляющих дополнительной погрешностей проводился по результатам обсчета дополнительных погрешностей от воздействия синусоидальной вибрации, температуры, линейного ускорения, акустического шума, пониженного атмосферного давления, входящих в дополнительную погрешность в условиях эксплуатации. Значения составляющих дополнительной погрешности в условиях эксплуатации сведены в таблицу 4.8.
Из таблицы 4.8 видно, что максимальные значения дополнительной погрешности получены на исследуемых образцах №1 и №2 и составили 0,775 % и 0,737 % соответственно. Это связано с тем, что конструктивно чувствительный элемент данных образцов имеет мембрану наименьшей толщины, что делает конструкцию менее жесткой. Полученные результаты дополнительной погрешности с индивидуальной функцией преобразования и функцией влияния от температуры приведены в таблице 4.9 и находятся в пределах требуемых значений ±1,5%. Таблица 4.9 – Результаты оценки метрологических характеристик Проверяемый параметр Результаты проверок 1 Индивидуальная функция преобразования К(Р) = а0+а1Р + а2Р2+а3Р3 2 Функция влияния от температуры if/(t,P) = Qo+Ql + Q22 + Q3-P + Q42-P 3 Дополнительные погрешности от воздействия ВВФ Уэ = + уі + у t2 + уі + у2 = 0,824862% maxув= 0,202 % max; ул = 0,711 % max; yt = 0,382 % max; уд = 0,202 % max; уа = 0,303 % max. Результаты испытаний подтвердили преимущества опытного образца ЕДД ИИУС двигательной установки с повышенной надежностью, разработанного посредством математического и имитационного моделирования, в сравнении с известными аналогами. Полученные технические характеристики опытного образца в сравнении с аналогами представлены в таблице 4.10. где pj - значение 7-го единичного показателя оцениваемого датчика; pju - значение j-го единичного показателя «идеального образца». Формула (4.2) применяется для определения значений стимуляторов-показателей датчиков, увеличение значений которых приводит к росту технического уровня, а формула (4.3) - для определения значений дестимулято-ров, увеличение значений которых приводит к снижению технического уровня датчиков.
Если наибольшее изменение какого-либо единичного показателя приводит к значительному улучшению технического уровня, вместо формул (4.2) и (4.3) используем формулы (4.4) и (4.5) [104]:
Состав единичных показателей качества для сравнения представленного ЕДД ИИУС двигательной установки с существующими отечественными и зарубежными аналогами в виде циклограммы приведен на рисунке 4.6.
Представленная сравнительная циклограмма свидетельствует о преимуществах разработанного посредством математического и имитационного моделирования для ИИУС двигательной установки опытного образца ЕДД с повышенной надежностью.
Разработанная конструкция ЕДД позволяет повысить надежность ИИУС двигательной установки в 1,04 раза, снизить массу двигательной установки на 3,9 кг за счет снижения массы емкостного датчика давления с 0,25 кг до 0,12 кг, повысить точность измерения давления за счет снижения основной погрешности измерения до ±0,15 % (±0,5 % у аналога) и дополнительной погрешности до ±1,5 % (±2,5% у аналога). На рисунке 4.7 представлена блок-схема ИИУС двигательной установки с повышенными техническими характеристиками. Рисунок 4.7 – Блок-схема ИИУС двигательной установки Приведенная структура ИИУС двигательной установки отличается наличием ЕДД повышенной надежности с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и позволяет измерять в широком диапазоне давление в двигательной установке холодных и огневых испытаний при воздействии температуры, вибрации, ударов и линейных ускорений. В приложении приводятся, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и баз данных, используемых при разработке имитационной и математической моделей, акт о внедрении разработанных ЕДД ИИУС на предприятии АО «НИИФИ» и акт об использовании результатов работы системе двигательной установки ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина».