Введение к работе
Актуальность темы н постановка задачи. Современный летательный аппарат (ЛА) имеет чрезвычайно сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью при большом разнообразии характерных для него эксплуатационных режимов. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий в большом числе точек конструкции. Сейчас такие исследования невозможны без использования автоматизированных систем управления экспериментом,, измерительных информационных систем (ИИС) и мощной вычислительной техники (ВТ). Экспериментальные исследования прочности ЛА - завершающий этап испытаний на статическую прочность и выносливость. Цель испытаний - получение действительных данных о напряженно-деформированном состоянии (НДС) и фактической прочности конструкции. Испытания сводятся к заданию воздействий (нагрузок) и анализу НДС. Объем и достоверность информации о состоянии конструкции, а, следовательно, и надежность окончательного суждения о прочности летательного аппарата, во многом определяются степенью совершенства и эффективностью используемых ИИС.
Наиболее распространенным и универсальным видом измерений при исследованиях конструкций летательных аппаратов и большого ряда других объектов науки и техники является электротензометрия, позволяющая измерять множество неэлектрических величин: перемещения, деформации, механические напряжения, силы, моменты сил, ускорения, давления, температуры, тепловые потоки и др. Массовое использование тензорезисторов обусловлено целым рядом известных существенных их достоинств. Положительные качества именно тензорезисторов обуславливают их широкое применение в качестве первичного измерительного преобразователя {датчика).
Однако при создании вторичного измерительного оборудования (измерительные преобразователи, тензометрическая аппаратура (ТА), приборы, системы и комплексы) приходится сталкиваться со специфическим набором сложных, труднорешаемых проблем. Из-за малости относительного диапазона рабочих приращений сопротивлений тензорезисторов (1...0,1%) даже при сравнительно невысокой требуемой точности получения результатов относительно диапазона приращений сопротивлений (погрешности порядка 1...0,1%), абсолютная требуемая точность выполнения всего измерительного процесса (включая элементы измерительного оборудования) оказывается весьма высокой ( 0,01...0,0001% ).
Положение усугубляет наличие при измерениях целого ряда характерных мешающих факторов: электромагнитные наводки, сопротивления соединительных линий и их вариации (при теплопрочностных испытаниях), утечки токов измерительных цепей, термо-э.д.с, температура и др. Кроме того, растут энергоемкость испытательных установок и размеры испытуемых конструкций, расширяются диапазоны исследований, усложняются программы испытаний.
Особое место среди мешающих факторов в реальных условиях прочностного эксперимента занимают электромагнитные помехи (наводки). Приходится оперировать с очень малыми полезными сигналами на фоне промышленных помех высокого уровня. Мероприятия по изоляции источников этих помех уже исчерпаны или невозможны; экранирование измерительных цепей, хотя и дает эффект, в ряде случаев - не достаточный; увеличение отношения сигнал/шум увеличением тока тепзорезистора ограничено погрешностями от его перегрева, и также практически исчерпано.
С точки зрения влияния сопротивлений входных соединительных линий и утечек в измерительных цепях элёктротензометрля охватывает проблемы измерения как малых, так и больших сопротивлений. Реактивности длинных измерительных линий ограничивают быстродействие измерений и практически определяют его. Разветвленная многоступенчатая коммутация датчиков и большая протяженность измерительных линий усугубляют проблемы.
ИИС прочностного эксперимента должны обеспечивать получение, сбор, обработку и представление цифровой измерительной информации с различных датчиков. Основные измеряемые величины: деформация, перемещение, усилие, давление, температура, тепловой поток. Основные типы датчиков: одиночный тензорезистор, тензорезисторный мост и полумост, термометр сопротивления. Основные особенности: массовость, разбросанность и удаленность точек измерения, высокий уровень помех, нестационарность нагружения, динамичная картина деформированного состояния конструкций (при текучести и разрушении).
Характеристики ИИС и ТА весьма специфичны: общее число точек измерения, типы датчиков, допустимая удаленность датчиков, быстродействие, общее время опроса всех точек измерения, погрешность измерения, диапазон измерения, разрешающая способность, время прогрева, объем оборудования; наличие входного коммутатора и его тип, число точек измерения на один коммутатор, число независимых каналов измерения, число точек измерения на один измерительный канал, тип используемой ВТ, тип входного измерительного преобразователя, число единиц шкалы, степень помехоустойчивости, ток питания датчика, размеры (габариты), вес (масса).
Степень совершенства и эффективности современных прочностных ИИС почти полностью определяется основной совокупностью показателей:
ТОЧНОСТЬ - БЫСТРОДЕЙСТВИЕ - ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ, естественная принципиальная противоречивость которых определяет сложность решаемой научно-технической проблемы.
Несмотря на множество отечественных и зарубежных ИИС, по совокупности этих характеристик они не удовлетворяли требованиям прочностного эксперимента ЛА.
Поэтому создание эффективных ИИС для работы в тяжелых условиях исследований конструкций ЛА на прочность является весьма актуальной задачей, имеющей важное научное и народно-хозяйственное значение.
Характеристики ИИС определяются методами и средствами их построения. Главными . являются: 1) используемый способ измерения, 2) измерительные преобразователи сигналов датчиков, 3) структурно-функциональное построение, 4) метрологическое обеспечение. Комплексному рассмотрению именно этой совокупности и посвящена настоящая работа.
Цель работы: Разработка и исследование методов и средств построения эффективных ИИС и ТА для экспериментальных исследований прочности конструкций ЛА; создание на их основе и введение в эксплуатацию новых типов ИИС и ТА с высокими совокупными характеристиками, отвечающими современным и перспективным требованиям прочностного эксперимента.
Основные задачи исследования: Разработка способа измерения, способного при высоком быстродействии обеспечить высокую точность и помехоустойчивость при аддитивных помехах прочностного эксперимента и оптимизация его характерных вариантов: максимальное быстродействие, минимальные энергетические затраты, максимальное помехоподавление, интегрирующие принципы измерения. Техническая реализация способа. Разработка высокоточных быстродействующих преобразователей приращения сопротивления удаленных тензорезисторных датчиков в напряжение. Структурно-функциональное построение ИИС. Разработка образцовых и методических средств. Создание и введение в эксплуатацию новых ИИС и ТА.
Научная новизна:
Создан, исследован и реализован новый быстродействующий способ измерения, эффективно подавляющий аддитивные помехи с характерными его вариантами: минимальное время измерения, минимальные энергозатраты, синтез частотной характеристикой подавления, интегрирующий вариант, температурная автокомпенсация тензорезисторных датчиков.
Предложены и реализованы новые быстродействующие прецизионные преобразователи приращения сопротивления в напряжение для удаленных одиночных и полумостовых тензорезисторных датчиков.
Разработаны эффективные принципы структурно-функционального построения быстродействующих ИИС.
Разработаны новые имитаторы сигналов одиночных и полумостовых тензорезисторных датчиков и способ градуировки стационарной ИИС стенда, не имеющего силозадающего оборудования.
і Создан ряд новых эффективных образцов ИИС и ТА для прочностных испытаний конструкций летательных аппаратов.
Практическая ценность: Разработанный способ измерения, совместно с методикой, позволяет создавать быстродействующие ИИС и ТА с заданной степенью помехоустойчивости. Способ подавляет и собственные шумы и погрешности усилительно-преобразовательного тракта, повышая разрешающую способность и точность измерений. Комплекс методик по оптимизации способа позволяет реализовать оптимальный его вариант для конкретных задач. Методика синтеза частотной характеристики подавления оптимизирует способ при помехах с сосредоточенными частотами. Созданные быстродействующие преобразователи приращения сопротивления тензорезисторных датчиков в напряжение и рекомендации позволяют обеспечить высокую точность измерения сигналов удаленных датчиков. Принципы оптимального системного структурно-функционального построения ИИС позволяют реализовать максимальное быстродействие її повышают точность. Имитаторы сигналов тензорезисторных датчиков улучшают достоверность метрологических характеристик ИИС и ТА. Способ градуировки стационарной ИИС стенда, не оснащенного силозадаю-шим оборудованием, повышает точность измерения сил и сокращает затраты по эксплуатации ИИС. Созданные и внедренные ТА и ИИС удовлетворяет современным и перспективным требованиям прочностного эксперимента. Возможно использование результатов и в других отраслях науки и техники.
Личный вклад автора: Все основные положения диссертации предложены и обоснованы лично автором. Под руководством и при непосредственном участии автора разработаны, сконструированы и введены в эксплуатацию созданные новые ИИС типа «Прочность-Л» и ТА типа «ІбДельта».
Основные результаты внедрения: Созданы 24 модификации ИИС типа «Ресурс-23», «ИС-АС», «Прочность-Л», а также 7 модификаций тензо-метрической аппаратуры типа «16 Дельта» и др. и внедрены в 18 организациях, включая: ЦАГИ им. Жуковского, ОКБ им. Сухого, ОКБ им. Микояна, АНТК им. Туполева, ММЗ им. Ильюшина, ОКБ им. Яковлева, АНТК им. Бериева, ЛИИ им. Громова, ЭМЗ им. Мясищева,' завод РОСТВЕРТОЛ, ГРЦ им.Макеева, РЭЦ ГосНИИ ЭРАТ ГА и др.
На базе созданных измерительных средств выполнены следующие основные виды работ: Ресурсные испытания самолета МиГ-23 (ИИС«Ресурс-23», 1000 точек, 197 8-1979гг.); Ресурсные испытания самолета Ту-144 (ИИС «Ресурс-23», 2000 точек, 1978-1980гг.); Ресурсные испытания самолета МиГ-25 (ИИС«Ресурс-23», 1000 точек, 1979-1980гп); Ресурсные испытания самолета Ил-86 (ИИС «Ресурс-23», 16 000 точек; 1980-1986гг.); Ресурсные испытания самолетов ІІк-40, Ил-18, Ту-134 и шасси Ту-154 (ТА «16Дельта-3» (г.Рига, РЭЦ ГосНИИ ЭРАТ ГА, 1980г.); Ресурсные испытания самолета Як-42 (ИИС «Ресурс-23/27», 10 000 точек, 1980-1991гт.); Серийное производство в составе АСУ ТП «ЛИУС-ТЕСТ» и «ЛИУС-ТЕМП» на базе НП «ПН-4» (г.Киев, ПКБ АСУ ВНО «СоюзПромАвтоматика», 1981г.); Серийный выпуск НП «КС25.30» (г.Харьков, СКБ САУ ВПО «СоюзПромАвтоматика», 1984г.); Создание серийной ИИС «Прочность-С» (г.Краснодар, завод «Тензоприбор», 1990г.); Тензометрия разрушения льда опор морских нефтяных вышек Сахалинского шельфа (ИИС «Прочность-Л», МАИ, о.Сахалин, 1990г.); Испытания самолета ТУ-204 (ИИС«Прочность-КН/Д», 1990-1993гг.); Ресурсные испытания самолета Ил-96 (ИИС «Ресурс-23/27», 9 000 точек, 1990-2000гг.); Ресурсные испытания лопастей вертолетов на частоте 30 Гц (ИИС«ИС-АСд», 128 точек, г.Ростов-на-Дону, «РостВертол», 1991г.); Контроль нагрузок и измерения перемещений при испытаниях самолета ИЛ-114 (ИИС«Прочность-КН», 64 точек, 1991-1995гг.); Ресурсные испытания самолета Ил-114 (ИИС «Ресурс-23/27», 3000 точек, 1992-2000гг.); Натурные испытания ЛА (ИИС «ИС-АСти», 2000 точек, г.Таганрог, АНТК им. Г.М.Бериева, 1993г.); Натурные прочностные испытания самолетов («VAX-780» + ИИС.«Прочность-ЛЕ», 2000 точек, 1993г.); Контроль нагрузок при натурных прочностных испытаниях конструкций самолетов (ИИС«ИС-АСтн», 128 точек, г.Таганрог, АНТК им. Г.М. Бериева, 1994г.); Натурные прочностные испытания истребителя С-37 «Беркут» (ИИС «Прочность-ЛПЗ», 2000 точек, г.Москва, ОКБ им. Сухого, 1996г.); Исследования алюминиево-литиевого сплава для КНР (Китай) (ИИС«Прочность-Л», 1996г.); Исследования прочности при сжатии профилей алюминиевого сплава для фирмы «БОИНГ» (США) (ИИС «Прочность-Л», 1998г.); Статические испытания самолета М-101Т «Гжель» и контроль сил и перемещений (ИИС «Прочность-ЛП2», 1500+64 точек, г.Жуков-ский, ЭМЗ им. В.М.Мясищева, 1998-2000гг.); Статические испытания самолета Т-411 "Аист" (ИИС «Прочность-Л», 500 точек, 2000г.); Сертификационные испытания отсеков гидросамолета для ООО «ГИДРОПЛАН» (г.Самара) (ИИС «Прочность-Л», 2001г.); Прочностные испытания узлов самолета ТУ-334 (ИИС «Прочность-Л», 2001г. Неуказанное место - г.Жуковский, ЦАГИ.
Апробация работы. Положения диссертации публично доложены и обсуждены на 20-ти конференциях и семинарах, включая: ВНТК «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (г. Кишинев, 1979г.). ВНТС «Измерение, контроль и управление в прочностном эксперименте» (г. Новосибирск, СибНИА, 1980г.). Республиканский НТС «Состояние и основные-направления развития электротензометрии и ее применение в народном хозяйстве» (г. Киев, РДЭНТП, 1980г.). Отраслевой НТС «Информационно-измерительные системы для исследования напряженного состояния конструкций» (г.Москва, ИМаш, 1980г.). Специализированный НТС «Методы и средства повышения эффективности тензометрических приборов и систем для прочностных испытаний конструкций» (г. Рига, ГосНИИ ЭРАТ ГА, 1981г.). Специалгои-рованный НТС «Методы и средства повышения эффективности тензометрических приборов и систем для прочностных испытаний конструкций» (г.Киев, ИПП АН УССР, 1981г.). ВНТК «Тензометрия-83» - «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (г.Свердловск, ВНИИМ, 1983г.). ВНТК «Перспективы развития и практическое применение методов тензометрии при исследовании прочности конструкций» (г. Фергана, 1983 г.). ВНТК «Тензомет-рия-86» - «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (г. Кишинев, 1986г.). Отраслевой НТЭС «Научно-технические достижения авиационной промышленности» (г. Москва, МинАвиаПром, 1987г.). ВНТК «ИИС-87» - «Информационно-измерительные системы» (г. Ташкент, 1987п). ВНТК «Тензомётрия-89» - «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (г. Свердловск, ВНИИМСО, 1989г.). Международная НТК по измерительной технике и приборостроению (ИМЕКО) «Испытательное оборудование для экспериментальных исследований механических свойств материалов и конструкций» (г. Москва, Совинцентр, 1989г.).
Демонстрации на выставках; Результаты работы демонстрировались на 11-ти выставках, включая: «36-й Авиасалон» (Франция, Париж, 1985г.); «Прогресс-86» (г. Москва, ВИЛС, 1986г.); «Метрология-86» {СпецДиплом} (г. Москва, ВЦ, 1986г.); «Наука-88» (г. Москва, ВЦ, 1988г.); «Автоматизация-89» (г. Москва, ВЦ, 1989г.); «Авиация-90» (г. Москва, ВЦ, 1990г.).
Публикации: опубликовано 83 печатных работ; в том числе: 52 авторских свидетельств на 58 технических решений, 5 патентов России, 6 иностранных патентов США, Англии, Франции, Канады, Австралии, ФРГ, 5 авторских свидетельств и патентов на способы; написано 97 научно-технических отчетов и методик; сделано 23 доклада.
На защиту выносятся: Методика и принципы разработки и построения эффективного измерительного оборудования для исследования прочности конструкций ЛА и реализация их в форме образцов новых типов ИИС и ТА.
Структура и объем работы: Введение, 7 глав, Выводы, Литература, Приложение; 491 страниц машинописного текста, 203 рисунка, 26 таблиц, 379 наименований списка литературы, 35 (из них) на иностранных языках.
