INSTALLATION FOR RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF STRUCTURES WITH THE SURFACE RAYLEIGH WAVE

Затылкин А.В.

кандидат технических наук, Пензенский государственный университет

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН РЕЛЕЯ

Аннотация

Предложена новая конструкция установки для исследования спектральных колебательных характеристик стержневых, пластинчатых и прочих конструктивных элементов радиоэлектронных средств (РЭС) различного сечения. Установка достаточно проста, надежна. Принцип работы ее основан на измерении поверхностных волн (волны Релея), распространяющихся по граничной плоскости упругой среды.

Ключевые слова: динамические характеристики, конструктивные элементы, измерения, поверхностные волны.

Zatylkin A.V.

PhD in Engineering, Penza State University

INSTALLATION FOR RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF STRUCTURES WITH THE SURFACE RAYLEIGH WAVE

Abstract

A new design of systems for the study of the spectral characteristics of the oscillatory rod, plate and other structural elements of radio-electronic means (REM) of various sections. Installation is quite simple, reliable. Its working principle is based on measurement of surface waves (Rayleigh waves), propagating along the boundary plane elastic medium.

Keywords: dynamic characteristics, structural elements, testing, surface wave

Известно, что условия эксплуатации радиоэлектронных средств (РЭС) существенно влияют на электрические, конструктивные и другие параметры [1, 2]. Поэтому еще на этапах проектирования необходимо учесть влияние негативных факторов. Одним из наиболее опасных видов внешнего воздействия, согласно [3] являются вибрационные воздействия (них приходится до 40% всех отказов).

Для защиты РЭС от внешних вибрационных воздействий используются различные средства: повышение прочности конструкции, использование вибропоглащающих покрытий, применение пассивных и активных систем амортизации и т.д.

Для оценки эффективности принятых защитных мер необходимо проводить испытания на виброустойчивость и вибропрочность, для проведения которых необходимо знать спектр резонансных частот изделия, входящих в рабочий диапазон частот. Для этого проводят определительные испытания. Результатом испытаний является определение динамических характеристик (деформаций, напряжений, перемещений, ускорений) РЭС, позволяющих определить резонансные частоты (наиболее разрушительные) и проводить испытаний на виброустойчивость и вибропрочность изделия именно на этих частотах. Ошибки в определении резонансных частот приводят к тому, что изделие не проходит дальнейшие испытания в нормальном режиме, а значит время, потрачено напрасно. Поэтому оценка конструктивных параметров разрабатываемых изделий является актуальной задачей.

Все существующие методы определения динамических характеристик РЭС имеют общий недостаток – они существенно снижают ресурс объекта испытаний, что является критическим недостатком в серийном и, особенно, в единичном производстве. Поэтому разработка методов исследования динамических характеристик РЭС, позволяющих не значительно снижать остаточный ресурс объекта испытаний является важной научно-практической проблемой.

В основу данной работы положен волновой метод исследования упругих конструкций [3], отличающийся от известных тем, что распространение волны (от источника вибрации) проходит не по всему объекту, а только по его поверхностному слою за счет распространения так называемых волн Релея. Резонанс волн Релея на поверхности объекта исследования совпадает с собственными частотами объекта исследований. Поэтому их фиксация (волн Релея) позволяет с высокой точностью определять и частотный спектр конструкции РЭС.

Объект  исследований 4должен быть виброизолирован, т.е. закреплен на мягких упругих опорах 3 (рис. 1).   Вибрация передается на поверхность изделия посредством точечного контакта от источника 1 и передаются на измерительный элемент так же точечно посредством игл 5 (см. рис. 1). При этом и источники и измерительные элементы виброизолированы от объекта исследования.

 

Рис. 1 – Схема эксперимента

Источники вибровозбуждения 1 и измерительные элементы 2 являются электромеханическими преобразователями [4], что позволяет осуществлять точечное силовое воздействие на объект исследования. В результате в конструкции изделия распространяется как волна расширения, так и другая волна, называемая сдвиговой.

Появление сдвиговой волны вызывает появление волн Релея, перемещающихся по свободной поверхности объекта исследования. При совпадении скорости переменной внешней силы с фазовой и групповой скоростями распространяющихся волн, возникает явление резонанса [5], которое фиксируется измерительными элементами 2 (см. рис. 1).

Таким образом, при появлении в исследуемом объекте резонансных явлений, вызванных волнами Релея можно определить частотный спектр конструкции РЭС.

В современном виброиспытательном оборудовании применяются конструкции вибровозбудителей, в которых вибрационные воздействия передаются в объект исследования через расширитель вибрационного стола, на который крепится объект исследования. Такой способ передачи вибраций ограничивает исследователей, поскольку крепление объекта и расширителя вибростола жесткое, а значит будет обязательное проникновение посторонних сигналов в исследуемый образец и, как следствие наличие «лишних» частот в полученном спектре. В предлагаемой установке объект исследования виброизолирован от его основания, на котором расположены источники вибрации, что является ее несомненным достоинством.

Структурная схема предлагаемой установки приведена на рисунке 2 и состоит из измерительного звена 1, эталонного звена 2 и сравнительного 3.

Измерительное и эталонное звенья состоят из усилителя мощности 4,5, который осуществляет передачу сигнала на возбуждающую обмотку 6,7; измерительной обмотки 8,9; цепи электромеханический обратной связи (ЭМОС) 10,11, применяемой с целью уменьшения воздействия объекта исследования на передаточную функцию источника испытательного сигнала; объекта исследования 12 и вибропреобразователя 13, 14.

Рис. 2 – Структура предложенной системы

Сравнительное звено установки состоит из аналого-цифрового преобразователя 15, служащего для преобразования аналогового сигнала. Сюда же входит цифроаналоговый преобразователь 17 необходимый для преобразования генерируемого сигнала из цифровой формы в аналоговую.

При измерении уровня вибрации используются датчики, предложенные в [4], отличительной особенностью которых является виброизоляция относительно объекта исследования, что позволяет избавиться от влияния массы измерительного элемента на точность измерения. Целесообразно применение сравнительного метода измерения, основанного на оценке изменения значения параметра вибрации по сравнению с эталонным значением [6].

Внешний вид лабораторного стенда, используемого в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» показан на рис. 3.

Во время анализа частотного спектра РЭС искажения, вызываемые особенность конструкции и схем самих измерительных элементов следует вычитать. Разработанная установка позволяет проводить исследования в ручном режиме и автоматизировано. В случае необходимости установления формы колебания изделия на конкретной резонансной частоте следует перемещать измерительный элемент по поверхности исследуемого образца, устанавливая его последовательно во все необходимые контрольные точки.

Рис. 3 – Внешний вид макета предложенной установки

Для практической апробации разработанной установки  экспериментально исследован спектр частот стержневого элемента (классический конструктивный элемент) и построены его собственные формы на полученных частотах. Погрешность экспериментальных данных по отношению к аналитическому решению составила 15 … 23 % в частотном диапазоне от 20 до 1500 Гц соответственно, что является хорошим практическим результатом.

Полученные данные дают основание считать, что предложенная установка позволяет определять спектральные динамические характеристики конструкций (стержней, пластин), на основе которых можно проводить оценку вибропрочности и виброустойчивости разрабатываемого изделия. Особенностью данной установки является проведение анализа вибрации в точках крепления конструкции РЭС, что дает возможность исследовать частотный спектр изделия, а также оценить демпфирующие свойства элементов крепления.

Тем не менее, разработанный действующий макет устройства приспособлен для исследования динамических параметров простых элементов конструкций – типа стержни. Для проведения дальнейшей работы следует провести эксперименты по анализу частотных характеристик пластин и оболочечных конструкций. При этом следует заметить, что необходимо разработать систему управления, которая обеспечит согласование испытательного вибрационного сигнала с генератора и системы датчиков, что позволит снять такое ограничение измерительных элементов как отсутствие данных о текущей частоте.

Результат проведения работ направлен на разработку единой информационно-измерительной и управляющей системы, которая в автоматическом режиме позволит снять динамические характеристики исследуемой конструкции во всех требуемых контрольных точках изделия. При этом остаточный ресурс изделия должен остаться на высоком (требуемом) уровне, за счет применения щадящего режима испытаний, заключающегося в том, что резонансные частоты объекта определяются не по возникновению резонанса во всей конструкции а лишь по резонансу поверхностных волн (волн Релея) возникающих во внешних областях конструкции.

Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Разработка методов и средств создания высоконадежных компонентов и систем бортовой радиоэлектронной аппаратуры ракетно-космической и транспортной техники нового поколения» (Соглашение № 15-19-10037 от 20 мая 2015г.) при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Литература

1. Рекач, В. Г. Руководство к решению задач по теории упругости. / В. Г. Рекач. – М.: Высш.школа. – 1977. – 215 с.
2. Пригоровский, Н. И. Методы и средства определения полей деформации и напряжений: Справочник / Н. И. Пригоровский. – М. : Машиностроение. – – 248 с.
3. Таньков, Г. В. Волновой метод исследования динамических характеристик упругих конструкций радиоэлектронных средств при нестационарном нагружении / Г. В. Таньков, А. В. Затылкин, Д. А. Рындин // Вестник Пенз.гос.университета. – 2013. - № 2. – С. 101-107.
4. Горшков, А. А. Метод экспериментального исследования колебаний упругих систем / А. А. Горшков – М., 1975. – 16 с. – Деп. В ВИНИТИ, № 1136-75.
5. Слепян, Л. И. Нестационарные упругие волны / Л. И. Слепян. – Л. : Судостроение. – 1972. – 373 с.
6. Патент на изобретение № 2536325 Способ определения спектральных колебательных характеристик конструктивных элементов РЭС и установка для его реализации / Г. Д. Голушко, А. В. Затылкин, А. В. Лысенко, Г. В. Таньков, Н. К. Юрков. – Опубл. 20.12.2014, Бюл. № 35.

References

1. Rekach, V. G. Rukovodstvo k resheniyu zadach po teorii uprugosti. / V. G. Rekach. – M.: Vyssh.shkola. – 1977. – 215 s.
2. Prigorovskiy, N. I. Metody i sredstva opredeleniya poley deformatsii i napryazheniy: Spravochnik / N. I. Prigorovskiy. – M. : Mashinostroenie. – 1983. – 248 s.
3. Tan'kov, G. V. Volnovoy metod issledovaniya dinamicheskikh kharakteristik uprugikh konstruktsiy radioelektronnykh sredstv pri nestatsionarnom nagruzhenii / G. V. Tan'kov, A. V. Zatylkin, D. A. Ryndin // Vestnik Penz.gos.universiteta. – 2013. - № 2. – S. 101-107.
4. Gorshkov, A. A. Metod eksperimental'nogo issledovaniya kolebaniy uprugikh sistem / A. A. Gorshkov – M., 1975. – 16 s. – Dep. V VINITI, № 1136-75.
5. Slepyan, L. I. Nestatsionarnye uprugie volny / L. I. Slepyan. – L. : Sudostroenie. – 1972. – 373 s.
6. Patent na izobretenie № 2536325 Sposob opredeleniya spektral'nykh kolebatel'nykh kharakteristik konstruktivnykh elementov RES i ustanovka dlya ego realizatsii / G. D. Golushko, A. V. Zatylkin, A. V. Lysenko, G. V. Tan'kov, N. K. Yurkov. – Opubl. 20.12.2014, Byul. № 35.