Введение к работе
Актуальность темы. В современной электронной промышленности одной из важнейших задач является обеспечение качества контактных соединений (КС). КС в огромных количествах присутствуют в любом оборудовании (бытовые приборы, автомобили, бытовая техника, военная техника, авиация и др.). Плохое КС рано или поздно выведет из строя любое оборудование, где бы оно ни было установлено. Самое простое, что может случиться из-за плохого КС: это перегрев провода и оплавление контактной колодки. В результате, из-за одного некачественного соединения может выйти из строя сложнейший прибор, от которого зависит функционирование огромного комплекса. Последствия этого трудно предсказать, могут быть и человеческие жертвы.
Конечно, производители бытовой техники или несложных приборов могут сказать, что отказ одного-двух изделий не приведет к человеческим жертвам и не нанесут большой вред. Однако это утверждение вряд ли можно применить по отношению к таким направлениям, как авиация или космос, где цена ошибки может быть очень высока.
Авиационные приборы - это широкий класс устройств, предназначенных для измерения, анализа, обработки и представления информации, управления агрегатами и системами летательного аппарата (ЛА). Приборы вырабатывают информацию, которая необходима для управления движением ЛА, контроля и обеспечения безопасности полета. Учет возрастающих требований к точности и надежности решения современных полетных задач ведет к объединению приборов в приборные комплексы.
К приборному оборудованию относятся системы и комплексы высотно-скоростных параметров ЛА, приборные комплексы двигательных установок и топливных агрегатов, электронные системы отображения информации, системы предупреждения критических режимов полета, диагностические системы, системы регистрации аварийных режимов, экспертные системы и др.
Здесь выход из строя практически любого прибора может грозить множеству человеческих жизней и потерей высокостоимостного технологического оборудования. К сожалению, печальная статистика авиакатастроф по причине технической неисправности заставляет задуматься о потенциальной опасности, которую несут приборы, не обладающие достаточной степенью надежности.
В состав контактного устройства помимо контакт-деталей входит много конструктивных элементов, предназначенных для того, чтобы в совокупности создать законченное в конструктивном и технологическом отношении устройство, способное выполнять определенные функции.
На качество контакта влияют следующие факторы: физико-химическое состояние контактирующих поверхностей, т.е. наличие пленок, затрудняющих металлический контакт, и неровность поверхностей; процессы, происходящие при соединении, которые могут быть чисто механическими (при отсутствии тока); износ материала КС; протекающий ток и количество выделяющегося тепла; процессы, происходящие в контакте при замыкании и размыкании при наличии токов и напряжений.
Все вышеперечисленные факторы снижают надежность приборов, поэтому, тема диссертационной работы, посвященная повышению надежности контактных устройств авиационных приборов, является актуальной.
Объектом исследования являются: динамика и прочность КС авиационных приборов, информационно-измерительные средства для определения теп-лофизических характеристик конструкций деталей КС, устройства для виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных, теплофи-зических и магнитно-шумовых характеристик материалов деталей КС.
Предметом исследования являются: математические модели динамики КС, конечноэлементная дискретизация контактирующих деталей КС, алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, задача о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей, алгоритмы и технические средства для измерения температуропроводности, диагностики ресурса и магнитошумовой структуроскопии деталей КС.
Целью работы является проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических и методических решений, способствующих созданию математических моделей динамики КС на основе их конечноэлементной дискретизации, разработке алгоритмов и информационно-измерительных средств виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофизических характеристик КС, что будет способствовать оптимизации конструирования, повышению вибро- и удароустойчи-вости, а также надежности функционирования КС авиационных приборов.
Дія достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
построить математические модели динамики КС, провести их компьютерное моделирование и получить значения колебаний звеньев КС в любой его точке;
осуществить аппроксимацию непрерывной искомой функции перемещения деталей КС, кусочно-непрерывной, определенной на множестве стержневых конечных элементов (КЭ); обеспечить функционирование автоматизированной подготовки топологической информации; определить наиболее подходящие функции формы для аппроксимирующих КЭ;
разработать информационно-измерительные средства для определения коэффициента температуропроводности путем импульсного воздействия лазерного луча в точку поверхности конструкции КС, теплофизические свойства которой исследуются; определить аналитическую зависимость коэффициента температуропроводности от полуамплитуды напряжения на выходе датчика температуры, установленного в контролируемой точке детали конструкции КС;
разработать способы диагностики анизотропии структурной плотности материала деталей конструкции КС в различных направлениях;
создание устройств для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных изделий после их термической или холоднокатанной обработки, а также алгоритма и устройств определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов для выявления внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях КС;
разработка алгоритма для распознавания образов дефектов по спектральным характеристикам деталей КС и устройства преобразования сигналов
датчиков, установленных на деталях КС для контроля их технического состояния и диагностики ресурса в условиях воздействия динамических нагрузок;
- представить алгоритм верификации виброакустических стохастических
сигналов, снимаемых с контактного устройства, описываемых авторегрессион
ной моделью, позволяющей существенно сократить объем вычислений.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования.
Теоретические исследования основаны на решении уравнений математической физики, а также на фундаментальных основах теплофизики. Для построения приближенной исследуемой модели КС применен подход, в основе которого лежит метод сеток, а именно: метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет создавать высококачественные универсальные программные комплексы для ЭВМ.
Определение вектора узловых значений конечно-элементной модели конструкции КС осуществлялось на основе метода, основанного на вариационной постановке задачи, требующей минимизации специально подобранного функционала, и метода Галеркина, сводящего решение уравнения теплопроводности к системе алгебраических уравнений.
Разработка информационно-измерительных средств для верификации те-плофизических и магнитно-шумовых свойств материалов деталей КС осуществлялась на основе теоретических основ информатики, радиоэлектроники и микропроцессорных вычислительных средств, а также с учетом теории измерения электрических и тепловых величин. Оценка погрешностей измерений основана на теории точности измерительных систем.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами системного анализа функционирования контактных устройств авиационных приборов, использованием конечноэлемептных математических моделей КС и основополагающих методов теплофизики, теории дифференциальных уравнений и функционального анализа.
Алгоритмы имитационного моделирования динамики КС основаны на вычислительном эксперименте, теории обработки сигналов и информационных технологиях для определения физических характеристик материалов КС.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений, большим объемом экспериментального материала и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся разработанные автором диссертации математические модели динамики КС, а также информационно-измерительные средства и методики виброакустической диагностики и неразрушающсго контроля материалов деталей КС, в том числе:
алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, совершающих свободные ударные и вынужденные колебания;
расчет колебаний контактной системы при кинематическом возбуждении, получение основных соотношений для вычислений напряжений методом конечных элементов в стержневой контактной системе;
структурные и функциональные схемы технических средств для верифи^
кации теплофизических свойств материалов КС на основе коэффициента температуропроводности; алгоритмы распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры; устройство для определения анизотропии свойств материалов конструкций КС;
конечно-элементная дискретизация деталей конструкции КС; некоторые подходы к разбиению области на КЭ; определение выражений функций формы для стержневых КЭ;
анализ полученных экспериментальных зависимостей температуропроводности от температуры для материалов, широко используемых в конструкциях КС; применение импульсного метода лазерного нагрева для исследования теплофизических свойств материалов КС;
использование метода магнитных шумов, основанного на перемагничи-вании контролируемой поверхности, последующего излучения ей магнитного поля шумоподобного вида, которое преобразовывается в электрический сигнал с помощью зонда - датчика, состоящего из измерительной катушки на ферри-товом сердечнике.
Научная новизна полученных результатов определяется созданием математических моделей динамики КС на основе их конечноэлементной дискретизации, разработке алгоритмов и информационно-измерительных средств виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофизических характеристик КС, в ходе которых:
- представлен алгоритм оптимизации формы звеньев контактных уст
ройств, совершающих свободные ударные и вынужденные колебания. Упругие
звенья дискретизированы на конечные элементы. Оптимизация виброударной
системы, моделируемой при помощи прямого интегрирования Ньюмарка произ
водится методом проекции градиента. Полученные оптимальные конфигурации
звеньев дают возможность сократить переходный режим движения системы,
увеличить ее вибро- и удароустойчивость;
представлена формулировка задачи о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей. Рассмотрены особенности получения реологических моделей контактных пар в соединении с конечноэлементной моделью системы, а также определение зон виброустойчивости и виброударных режимов конечноэлементной модели;
разработаны основополагающие принципы селекции признаков для распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры, установленного в точке детали КС, на расстоянии между которой и точкой воздействия лазерного луча определяется коэффициент температуропроводности;
- имитационное моделирование виртуальных картин напряженно-
деформированного состояния деталей КС осуществлено с помощью разбиения
конструкции КС на КЭ, определения аппроксимирующей функции для каждого
элемента, объединения КЭ в ансамбль, позволяющий составить систему алгеб
раических уравнений, размерность которой определяется суммарным количест
вом узлов всех КЭ, и определения вектора узловых значений перемещений на
поверхности деталей КС;
построен алгоритм распознавания дефектов деталей КС по вибрациям и акустическим шумам, описываемым авторегрессиоными последовательностями на базе полученных в работе выражениях, позволяющих существенно сократить объем вычислений необходимых для принятия решения о состоянии диагностируемого КС;
разработаны алгоритмы и устройства для диагностирования методами неразрушающего контроля внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений, которые приводят к преждевременному старению материала деталей и деформированию КС. В алгоритмах в качестве информативных параметров используются временные характеристики сигналов: длительность фронтов нарастания и спада функции выходного сигнала, соотношение между реперными точками, например время между участками, в которых производные сигнала равны нулю. Также разработаны более сложные устройства виброакустической диагностики, потребовавшие использования временных характеристик сигнала вместо ранее измеряемых амплитудных, что значительно повышает помехоустойчивость алгоритмов преобразования сигнала с сохранением его информативности.
Практическая ценность. Важный для практики результат исследований автора диссертационной работы заключается в применении эффективных технических средств, математических моделей и методов классификации и распознавания акустических сигналов, вибраций и шумов.
Для построения приближенной модели конструкции КС применен подход, в основе которого лежит метод МКЭ, который обеспечивает хорошую точность, он доступен и прост для понимания, применим для задач с произвольной формой области решения и позволяет создавать высококачественные универсальные программные комплексы для ЭВМ.
Разработаны технические средства для диагностирования ресурса материалов КС и других наиболее важных напряженно-деформированных деталей контактных устройств на основе изучения спектральных характеристик.
Созданы методика и устройство, реализующие ее, для преобразования сигналов объектов для контроля их технического состояния, предназначенный для неразрушающего контроля и технической диагностики ресурса материалов КС в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов. Экспериментальные испытания методики показали, что она обладает большей точностью, поскольку процесс распознавания технического состояния объектов осуществляется по всему спектру частот напряжений классифицируемого объекта, а не по одной заведомо установленной гармонике. Введенная новая последовательность операций позволила существенно повысить точность контроля технического состояния объектов.
Получены экспериментальные зависимости коэффициентов температуропроводности с помощью созданных информационно-измерительных средств, обеспечивающих импульсное воздействие лазерного луча в точки поверхности конструкции КС, преобразование тепловой энергии, снимаемой в контролируемой точке конструкции, в электрический сигнал, предварительной обработки сформированного сигнала и вычисления этого коэффициента с помощью компьютера.
Реализации работы в производственных условиях. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке, создании и серийном изготовлении целой гаммы контактных устройств: 2ВНИ, 2ВНИК, 2ППИ, 2ППИК, ВНМ, 2ВНМ, ВНМ-С, КП-С, 2ВНМ-С, ЗППМ-С5, ППНМ, 2ППНМ, ЗППНМ, ПСР, П2Н, ПК4А, ПК4Н, ПНП, РШС1, ТД-70, ТД-70-1, ТД-70-2, ТД-70-3 и др.
Данные изделия разрабатывались при непосредственном участии автора работы в ОАО «КБ Электроизделий XXI века» по заказам предприятий и организаций: ОАО «ОКБ Сухого», ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля», ОАО «Туполев», ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева», ОАО «ОКБ им. АС. Яковлева», ОАО «КА-МОВ», авиационный научно-технический комплекс «Антонов», ОАО «Авиационный комплекс им. СВ. Ильюшина».
Данные изделия были использованы в качестве комплектующих на самолетах и вертолетах следующих марок: Ту-134, Ил-76, Ил-86, Ил-96-30, Ан-38, Бе-200, Ил-76тд, Ил-96-300, Ил-114, Ту-22М, Ту-204-200, Ту-214, Су-21, Су-25, Су-27, Ан-70, Ту-22М, Ту-160, Бе-32, Бе-103, Ми-8, Ми-24, Ка-26, Ка-50 и др.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Российской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2001); Международной НТК, посвящ. 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002); International conference «Vibroingeneering, 2002» (Kaunas, 2002); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003); 6-м Международном конгрессе по мат. моделированию (Н.Новгород, 2004); Международной НТК «Искусственный интеллект-2005» (Таганрог, 2005); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2005,2006); Международной НТК «Интеллектуальные и многопроцессорные системы-2006» (Таганрог, 2006); 33 международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта - Гурзуф, 2006).
Публикации. Результаты работы отражены в 14 научных трудах: 3 статьи в центральной печати, 9 публикаций в сборниках материалов всероссийских и международных научно-технических конференций, 1 депонированная рукопись (объемом 41 страницу).
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 169 с. машинописного текста. В работу включены 69 рис., 2 табл., список литературы из 130 наименований и приложения, в котором представлены результаты испытаний различных контактных соединений и акт об использовании результатов работы.
