Введение к работе
Актуальность проблемы.Задача експериментального исследования устойчивости изделий и конструкций к оисплуатационшш либо технологическим ударным воздействиям приобрела в последние годы особую значимость и актуальность и является частью общей задачи надежности в машиностроении. Ударные процессы находят полезное применение в технологических процессах штамповки, получения искусственных алмазов, бурения и многих других.В то же время проявляется и вредное действие удара, например при транспортировке изделий и их случайном падениии, при посадке и старте летательных аппаратов авиационной и космической техники, при сейсмических воздействиях и т. д. Обеспечение требуемое уровней устойчивости изделий и конст-, рукций при испытаниях ліїбо в реальных условиях эксплуатации непосредственно связано с необходимостью измерения и контроля определённых параметров ударных процессов.
В настоящей работе ударные процессы исследуются с точки зрения максимальной ответной реакции испытываемых механических конструкций, которая характеризуется функцией» называемой "ударный спектр" и определяемой следующим образом:
,, . 'макс "*п п\
А(соп) = g , CD
где умакс - максимальное значение отклика, о* - собственная частота, g - ускорение свободного падения.
На сегодняшний день практически любое механическое изделие представляется (аппроксимируется) одномассовой моделью, движение которой под действием ударногр процесса х(t), имеющего конечную
длительность ти, описывается обыкновенным дифференциальным уравне-'нием (ОДУ) с постоянными коэффициентакт и нулевыми начальными условиями следующего вида:
у"Ш + 2?«ny'(t) + y(t)w* = x(t), (2)
(Где X - коэффициент демпфирования.
Для уравнения (2) решается задача Коши, определяется iy^xd) щ.іщзтя действия удара и строятся положительный и отрицательный .текуще ударные спектры ( іУСТ) , а также ударный спектр последействия (УСП) для t > ти. Именно такую характеристику (ударный спектр) широко используют при ударных испытаниях на прочность и устойчивость различных механических конструкций и изделий.
Выделим три проблемы, с которыми приходится сталкиваться при ударных испытаниях:
необходимость решать задачу Коши с явно нестационарной и нерегулярной правой частью в достаточно широком диапазоне частот (до 20 кГц) и добротностей (до 100) накладывает значительные ограничения на сходимость, устойчивость и точность решения;
аппроксимация сложных механических конструкций одномассовой моделью является только первым и весьма грубым приближением, а многомассовые модели при реальных ударных воздействиях до сих пор не рассматривались в силу сложности решения описывающих их систем обыкновенных дифференциальных уравнений;
еуществуицая до настоящего времени методика измерения ударных спектров не позволяет построить специализированный анализатор, работающий в широком диапазоне частот и добротностей.
Пель работы состояла в разработке методов вычисления ударных спектров одно- и многомассовых механических систем и епециализиро-
ванного цифрового анализатора ударных спектров. Исходя из общей цели исследований, в работе поставлены следующие задачи:
исследовать и разработать, методы вычисления ударных спектров одномассовых механических систем и оценить их вычислительную эффективность;
провести анализ существующих моделей линейных многомассовых ме-галических систем и математических методов описания их движения три ударном нагружении с целью определения ударных спектров ;
ввести определение ударного спектра многомассовых механических зистем и разработать метод его измерения;
разработать принципы построения и создать анализатор ударных :пектров, позволяющий проводить измерения в широком диапазоне час-гот и добротностей для лрсїтавольнцх ударных воздействий;
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Предложен и разработан метод цифровой фильтрации для вычис-іения ударных спектров одно- и многомассовых механических систем, іаиболее.приспособленный для построения специализированного анали-атора и позволяющий проводить расчеты с минимальными вычисли-ельными затратами.
-
Введено определение ударного спектра многомассовых механи-еских систем. Получены передаточные характеристики таких систем и азработаны алгоритмы нахождения нулей и полюсов этих характерис-ик, что позволяет представить сложные многомассовые модели в виде аскадного соединения звеньев второго порядка.
-
Синтезированы цифровые рекурсивные фильтры, ашроксимирукоде; дно- и многомассовые механические системы и наилучшим обрдоом. риспособленкые для аппаратурной реалгозации в специапизированом
анализаторе ударных спектров.Такие фильтры обеспечивают максимальное быстродействие анализатора при минимуме аппаратурных затрат.' Практическая значимость работа состоит в следующем.
-
Разработана методика исследования одно- и многомассовых механических систем при ударном нагрухении.
-
Разработан и построен анализатор ударных спектров, обладаю-Ойй гибкой архитектурой и позволяющий производить вычисления ударних спектров в широком диапазоне частот и добротностей при произ-' вольных ударных воздействиях.
-
С помощью разработанной методики и анализатора вычислены ударные спектры реальных механических конструкций при использовании одно- и многомассовой моделей, определена устойчивость механических изделий ракетно-космической техники к эксплуатационным ударным воздействиям.
Реализация и внедрение результатов исследований. Диссертационная работа является самостоятельной, законченной частью общей проблемы создания новых методов и средств анализа быстро меняющихся параметров сложных механических изделий, разрабатываемой в Бел-госуниверситете в рамках хоздоговорных НИР "Мишень-2","Градиент" и "Лозняк", выполненных по Постановлению правительства в 1981 - 1989 годах, а такхе госбюджетной НИР "Разработка методов построения и исследование прецизионных измерительных систем характеристик случайных процессов для оценки состояния технических объектов" по программе БГУ "Нанотехнология". Результаты диссертационной работы внедреннн на предприятиях: КБ Іимавтоматики и КБ "Южное", что подтверждено соответствующей справкой.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Методика вычисления ударных спектров одно- и многомассовых механических систем при произвольном ударном нагружении.
-
Цифровые рекурсивные фильтры, аппроксимирущие передаточные характеристики одно- и многомассовых механических систем.
-
Специализированный цифровой анализатор ударных спектров,поз-волящий производить измерения в широком диапазоне частот и добротностей.
-
Результаты экспериментальных исследований посредством разработанной методики и при помощи анализатора ударных спектров реальных механических конструкций, испытываемых на удар.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации" (Москва, 1982), "Вибродиагностика. Оценка технического состояния механизмов и разделение источников шумов. Проблемы стандартизации" (Горький, 1984), "Современное состояние и перспективы развития виброметрии" (Запорожье, 1985), "Вибрация и вибродиагностика. Цроблемы стандартизации" (Горький, 1988), "Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и вибродиагностики" (Минск, 1989); межреспубликанском научном семинаре "Использование ЭВМ в виброакустичаской диагностике" (Рига, 1990); научной конференции, посвященной 70-летию университета, "Актуальные проблемы социально-гуманитарнкг и естественных наук" (Минск, I99D.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 9 научных статьях и тезисах докладов, получено 4 авторских свидетельст-
?
ва СССР на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объем работы составляет 154 страницы. Она содержит 106 страниц основного текста,. 41 рисунок, 3 таблицы и 12 страниц приложения. Список литературы содержит 127 наименований.
