Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 8
1.1. Основные задачи модальных динамических испытаний и краткий обзор методов их реализации 8
1.2. Анализ требований к точности измерения параметров отклика конструкции при модальных динамических испытаниях 26
1.3. Анализ влияния погрешности возбуждения на характер отклика конструкции при модальных испытаниях. 32
1.4. Определение и анализ основных составляющих времени проведения модальных динамических испытаний. 36
1.5. Сравнительный анализ существующих технических средств для модальных динамических испытаниях механических конструкций 43
Выводы. Постановка задач исследований 56
Глава II. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОСНОВНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИИ ПРИ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ 58
2.1. Анализ погрешностей измерения основных динамических характеристиу при наличии вектора погрешности возбуждения 58
2.2. Разработка методов повышения точности измерения основных динамических характеристик конструкции.. 69
2.3. Исследование влияния изменения вектора погрешности возбуждения на точность определения амплитудных характеристик собственных тонов колебания конструкции 79
2.4. Исследования влияния аппаратурной погрешности измерительного канала на точность измерения собственных форм колебаний 88
Основные результаты, выводы 97
Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
КОНСТРУКЦИИ ПРИ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ 99
3.1. Предварительные замечания 99
3.2. Анализ влияния переходных процессов в механической конструкции на временные затраты эксперимента. 99
3.3. Исследование режима адаптивного управления частотой при одноточечном возбуждении конструкции 108
3.4. Разработка методов уменьшения временных затрат при выделении собственных режимов вибрации 120
3.5. Анализ требований к метрологическим характеристикам индивидуальных каналов управления возбуждением 127
Основные результаты, выводы 133
Глава ІV. РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 135
4.1. Предварительные замечания 135
4.2. Вопросы структурной организации блока управления силораспределением для автоматизированной системы динамических испытаний 136
4.3. Вопросы разработки аппаратных средств автоматического выбора диапазона измерений для многока-нальной системы частотного анализа 149
4.4. Разработка структур измерительных трактов подсистемы анализа на основе цифроаналоговых методов обработки сигналов 162
4.5. Технические характеристики разработанного блока управления силораспределением для автоматизированной системы динамических испытаний механических конструкции 175
Основные результаты, выводы 178
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
ЛИТЕРАТУРА 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 189
- Основные задачи модальных динамических испытаний и краткий обзор методов их реализации
- Анализ погрешностей измерения основных динамических характеристиу при наличии вектора погрешности возбуждения
- Анализ влияния переходных процессов в механической конструкции на временные затраты эксперимента.
- Вопросы структурной организации блока управления силораспределением для автоматизированной системы динамических испытаний
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается повысить эффективность научных исследований, значительно сократить сроки внедрения достижений науки и техники, углубить связь фундаментальных и прикладных исследований с производством. Совершенствование методов и средств экспериментальных исследований служит базой для выполнения поставленных задач.
Интенсивно развивающуюся область экспериментальных исследований составляют в настоящее время задачи анализа динамических свойств сложных механических конструкций. Решение этих задач создает основу для выполнения работ по обеспечению надежности, долговечности и качества функционирования механических объектов.
Для определения динамических свойств конструкций используются два основных вида вибрационных испытаний. К первому из них относятся испытаний, предполагающие моделирование реальных воздействий на конструкцию. При этом определяются статистические оценки и критические значения параметров колебания конструкции, ее амплитудно-частотные характеристики. Основной целью испытаний является оценка вибропрочности и виброустойчивости изделия и собственных частот изделия. Методы и технические средства испытаний в настоящее время в значительной степени стандартизованы и им посвящено достаточно большое число работ, среди которых можно выделить следующие [1,2,3,4,5].
Ко второму виду вибрационных испытаний относятся модальные динамические испытания [6,7]. Их целью является определение количественных оценок обобщенных динамических параметров конструкций, включающих в себя обобщенную массу (или жесткость), затухание, - б - а также собственные частоты и распределения амплитуд собственных форм колебаний [8,9]. Это позволяет уточнить параметры математической модели конструкции, полученные аналитическим путем.
Модальные динамические испытания получили наибольшее развитие при исследовании динамических свойств изделий в авиационной промышленности, подверженных экстремальным натрузкам при малых запасах по статической и динамической прочности. Методы модальных динамических испытаний обеспечивают исследование сложных механических конструкций, отличающихся близкими и взаимосвязанными формами колебаний. Они основаны на измерении амплитудно-фазочастотных свойств собственных тонов колебания конструкции, выделяемых с использованием специальных способов возбуждения [9,10,11]. Анализ полученных частотных характеристик позволяет определять искомые динамические параметры конструкции.
Комплекс аппаратных средств для проведения модальных динамических испытаний механических объектов включает в себя многоточечную систему возбуждения, многоканальную систему анализа отклика конструкции и средств управления экспериментом и обработки экспериментальных данных. Важное значение имеют используемые методы измерения и алгоритмы проведения эксперимента, определяющие точность, функциональную гибкость и производительность системы в целом.
Постоянное совершенствование конструкций летательных аппаратов приводит к необходимости детализации их математических моделей, что увеличивает объем данных эксперимента и выдвигает повышенные требования к точности его результатов. Необходимость создания и совершенствования технических средств для автоматизированных систем модальных динамических испытаний усиливается отсутствием серийных отечественных приборов, обеспечивающих проведение испытаний данного вида.
Вопросы проектирования технического обеспечения модальных динамических испытаний не получили в настоящее время должного развития, в связи с чем актуально проведение соответствующих исследований и практических разработок.
Диссертация посвящена исследованию методов измерений и разработке технических средств для автоматизированных систем модальных динамических испытаний.
В работе поставлены и решаются следующие задачи: разработка и исследование методов повышения точности определения обобщенных динамических характеристик конструкции при модальных динамических испытаниях; исследование и разработка способов управления возбуждением, сокращающих время реализации модальных динамических испытаний; разработка принципов структурной организации системы управления силораспределением и технических решений ее основных узлов; исследование и разработка принципов технической реализации аппаратных средств измерительного тракта системы модальных динамических испытаний.
Работа выполнена на кафедре Автоматики и процессов управления Ленинградского ордена Ленина электротехнического института имени В.И.Ульянова (Ленина).
class1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ class1
Основные задачи модальных динамических испытаний и краткий обзор методов их реализации
На всех стадиях проектирования и доводки конструкций летательных аппаратов решается задача экспериментальной оценки параметров динамической математической модели разрабатываемых изделий [б]. Целью этих исследований является определение степени пригодности исследуемой конструкции предполагаемым условиям эксплуатации, причем главным из рассматриваемых критериев является запас прочности и динамической устойчивости при всем возможном спектре возмущающих факторов. На рис. I.I показаны основные этапы разработки конструкции с использованием экспериментальных исследований ее динамических свойств. Сопоставление расчетной математической модели, полученной путем анализа конструкторской документации и экспериментальной модели, образованной на основе динамических испытаний позволяет получить окончательную математическую модель конструкции, служащую для исследования поведения системы при возмущениях, соответствующих реальным условиям. Необходимость этапа экспериментального определения динамических свойств конструкции объясняется ограниченными возможностями теоретических методов исследования истинных многосвязных механических систем [12].
В общем случае механическая конструкция представляет собой непрерывную систему, состоящую из множества элементов, связанных между собой упругими диссипативными связями. Движение такой системы описывается уравнением [13]
Исследование поведения конструкции и оценка ее параметров в естественных координатах (I.I) представляет собой сложную задачу, поэтому при описании динамических свойств механических конструкций используют модальное представление. С реальной конструкцией связывают идеальную, так называемую "соответствующую консервативную систему", лишенную всякого внутреннего затухания.
class2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОСНОВНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИИ ПРИ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ class2
Анализ погрешностей измерения основных динамических характеристиу при наличии вектора погрешности возбуждения
Требования к метрологическим характеристикам измерительных средств и объему получаемых экспериментальных данных определяются используемыми методами модальных динамических испытаний, решаемыми в ходе испытаний задачами и свойствами исследуемых объектов. Особенности реализации этих испытаний требуют высокой точности измерения малых фазовых углов отклика конструкции ( 4 0,1).
Наличие в конструкции собственных форм с близкими резонансными частотами приводит к возникновению методической погрешности при измерении обобщенных динамических характеристик. В этой связи целесообразна разработка экспериментально-аналитических методов определения обобщенных динамических характеристик при неидеальном выделении собственных режимов колебания.
Для решения общей задачи повышения производительности эксперимента, зависящей от числа режимов возбуждения на каждом этапе испытаний, необходимо проведение исследований, направленных на:
- разработку структур измерительных трактов автоматизированных систем динамических испытаний, позволяющих сочетать принципы последовательной и параллельной обработки информации в зависимости от свойств объектов исследования;
- отыскание алгоритмов управления частотой и силораспределением, ориентированных на использование экспериментально-аналитических способов, сокращающих избыточность экспериментальных данных.
Требованиям модальных динамических испытаний наиболее полно отвечают технические средства, ориентированные на реализацию эффективных аппаратно-программных методов управления возбуждением и измерением с целью обеспечения функциональной гибкости и высоких метрологических характеристик системы в целом.
Теоретические и практические вопросы разработки технических средств для модальных динамических испытаний механических конструкций не получили в настоящее время должного развития. В этой связи на основании анализа работ, посвященных эти вопросам, содержания настоящего раздела и сделанных выводов в диссертации поставлены и решаются следующие задачи:
- разработка и исследование методов повышения точности определения обобщенных динамических характеристик конструкции при модальных динамических испытаниях;
- исследование и разработка способов управления возбуждением, сокращающих время реализации модальных динамических испытаний;
- разработка принципов структурной организации системы управления силораспределением и технических решений ее основных узлов;
- исследование и разработка принципов технической реализации аппаратных средств измерительного тракта системы модальных динамических испытаний.
class3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
КОНСТРУКЦИИ ПРИ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ class3
Анализ влияния переходных процессов в механической конструкции на временные затраты эксперимента
Таким образом, для минимизации временных затрат необходимо определение момента выполнения условия (З.б), начиная с которого возможно вычисление параметров вынужденной составляющей отклика конструкции. В результате реализации этой процедуры определяется время выдержки -1 bQ(j . При этом следует обеспечивать минимальный уровень свободных составляющих колебания, соответствующих низкочастотным собственным формам конструкции, которые согласно (3.9) имеют значительное время переходных процессов.
Если процесс измерения параметров отклика автоматизирован, то может быть предложен простой алгоритм обработки экспериментальных данных в режиме переходного процесса (рис. 3.1), позволяющий определять время задержки начала измерения вынужденной составляющей t iCiB } при котором выполняется условие (3.7).
Для уменьшения времени задержки необходимо исследовать влияние начальных условий на величину уровня свободных составляющих lic r при скачкообразном изменении параметров возбуждения. Рассмотрим систему с одной степенью свободы, которая описывается уравнением
Вопросы структурной организации блока управления силораспределением для автоматизированной системы динамических испытаний
В разделе 1.5 настоящей работы сформулированы требования к функциональным характеристикам блока управления силораспределением, входящего в состав автоматизированной системы модальных динамических испытаний.
Блок подбора сил, отвечающий перечисленным выше требованиям, в том числе требованиям, предъявляемым к техническим средствам систем автоматизированного эксперимента, может быть представлен укрупненной блок-схемой (рис. 4.1). Узлы блока подбора сил разделены на две группы - система формирования возбуждения и управляющая часть. Система формирования возбуждения включает в себя:
- блок общего управления возбуждением (управляет общим уровнем возбуждения и величиной квадратурной составляющей);
- блок локального управления силами;
- блок управления сигналами обратной связи.
Управляющая часть содержит контроллер и органы управления и обеспечивает возможность включения блока подбора сил в систему автоматизированного эксперимента. Со стороны контроллера система формирования возбуждения представлена многорегистровым портом ввода/вывода. На рис. 4.1 выделены программируемые регистры общего коэффициента передачи ПР0 квадратурной составляющей ПРк& локального управления силами ПРК и регистры каналов обратной связи П Р с .
Контроллер имеет приборный канал Кп для обмена информацией и управляющими сигналами с регистрами ПР0 , ПРк&,ПРс,ПРк и канал связи с внешним контроллером и интерфейсом мини-ЭВМ-Кь, предназначенный для использования в управляющей структуре автоматизированной системы резонасных частотных испытаний. Основной проблемой при построении контроллера системы управления силорас-пределением является необходимость управления относительно большим числом программируемых регистров. Так при натурных испытаниях конструкций летательных аппаратов только число каналов локального управления силой достигает 16-=-32 137].
