Введение к работе
Актуальность проблемы.
Важное место в создании современных автоматизированных систем управления (АСУ) теплоэнергетическими установками, двигателями наземных, плавающих и летательных аппаратов играет топливорегулирующая аппаратура (ТРА), в состав которой входят один или несколько взаимосвязанных друг с другом датчиков давления, температуры и объемного расхода горючих жидкостей или газов.
Развитие современной и перспективной ТРА требует создания и исследования новых датчиков, обладающих линейной функцией преобразования, т.е. имеющих линейную характеристику и отличающихся большой чувствительностью и разрешающей способностью, быстродействием и малыми габаритами, позволяющими размещать их в труднодоступных зонах двигателя. Следует также отметить особенность применения этих датчиков в системе управления ТРА, которая заключается в удовлетворении требований абсолютной искро-, взрыво-, пожаробе-зопасности и работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. Датчики на основе волоконной оптики в отличие от традиционных электрических, электронных и электромеханических датчиков позволяют решить эти задачи.
Рабочие процессы в ТРА характеризуются мгновенным изменением давления, а температура и объемный расход горючих жидкостей и газов, наоборот, медленно изменяются. Кроме того, измерения давления в ТРА имеют свою специфику и резко отличаются от промышленных измерений тем, что первостепенное значение здесь имеют не столько метрологические характеристики, сколько надежность в течение всего срока эксплуатации. Основными требованиями, предъявляемыми к этим датчикам давления, являются:
высокая точность (допустимая погрешность измерения 0,1-^0,5 %) при широком изменении температуры окружающей среды;
высокое быстродействие (400-^1000 измерений в секунду) при одновременном исключении появления помех к протеканию горючих жидкостей и газов;
высокая надежность в течение всего срока эксплуатации и высокая помехозащищенность в реальных условиях эксплуатации;
простая и удобная для регулировок и обслуживания конструкция при минимальных габаритах и массе.
Среди известных на данный момент датчиков давления наиболее перспективны для ТРА волоконно-оптические датчики давления (ВОДД) амплитудного типа, позволяющие осуществлять непрерывный и высокоточный контроль давления в реальном масштабе времени. Достоинствами этих датчиков являются: естественная искро-, взрыво-, пожаробезопасность вследствие электрической нейтральности носителей информации, инвариантность к воздействию электромагнитных полей, устойчивость к агрессивным средам, широкий диапазон рабочих температур и давлений, возможность обеспечения миниатюризации, высокое быстродействие, малое энергопотребление.
Сочетание таких требований, как высокая точность, линейность выходной характеристики, минимальность размеров, малый гистерезис и высокая цикло-
прочность, малая температурная погрешность, широкий диапазон, в том числе способность выдерживать значительные кратковременные перегрузочные давления делают задачи проектирования и исследования ВОДД амплитудного типа весьма сложными. Экспериментальный путь проектирования занимает много времени и не дает уверенности в том, что задача решена наилучшим образом.
Несмотря на большое количество публикаций, посвященных проектированию ВОДД, не рассмотрена в необходимом для решения практических задач объеме теория проектирования упруго-чувствительных элементов (УЧЭ) с многослойным композитным покрытием для них, что ограничивает применение новых конструкций измерительных преобразователей в этих датчиках давления. Следовательно, создание математической модели УЧЭ с многослойным композитным покрытием для ВОДД, разработка методов расчета на ЭВМ параметров и характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) УЧЭ по выбранной модели являются в настоящее время необходимыми элементами проектирования этих датчиков давления.
Отработка методов решения прямых задач расчета НДС в УЧЭ ВОДД позволяет переходить на их основе к задачам оптимизации характеристик ВОДД, выбора оптимальных геометрических параметров. Одним из основных результатов моделирования является ускорение проектирования УЧЭ с многослойным композитным покрытием, удовлетворяющим требованиям технического задания ВОДД за счет замены на первом этапе эксперимента математической моделью, позволяющей определять статическую характеристику, зоны концентрации напряжений и максимальные эквивалентные напряжения в них. Отсюда вытекает и удешевление проектирования, и улучшение характеристик ВОДД за счет подбора наилучшей формы и размеров УЧЭ с целью снижения нелинейности статической характеристики и увеличения чувствительности УЧЭ. Необходимость комплексного решения вышеперечисленных задач определяет целесообразность и актуальность научных исследований в данном направлении.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование малогабаритных и высокочувствительных волоконно-оптических датчиков давления с многослойным композитным упруго чувствительным элементом для автоматизированных систем управления топливорегули-рующей аппаратуры теплоэнергетических установок.
Для достижения этой цели требуется решение следующих задач:
Разработать малогабаритные и высокочувствительные волоконно-оптические датчики давления для автоматизированных систем управления топли-ворегулирующей аппаратуры теплоэнергетических установок и двигателей внутреннего сгорания.
Разработать математические модели для исследования характеристик напряженно-деформированного состояния новых упругих высокочувствительных элементов ВОДД для заданных осесимметричных сосредоточенных нагрузок.
Разработать методику расчета на ЭВМ параметров и характеристик напряженно-деформированного состояния новых упругих высокочувствительных элементов ВОДД для заданных осесимметричных сосредоточенных нагрузок.
Исследовать влияние конструктивно-технологических изгибов укладки в
приемо-передающих световодах на светопропускание оптического канала волоконно-оптического преобразователя ВОДД.
5. Создать ВОДД и выполнить экспериментальную проверку научных выводов и положений.
Методы исследований. Методы исследований основываются на разделах вычислительной математики, относящихся к решению дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов в сочетании с итерационной процедурой Ньютона-Канторовича. При разработке математических моделей для расчета параметров и характеристик напряженно-деформированного состояния упругих чувствительных элементов ВОДД использовались методы теории упругости тонких оболочек вращения при осесимметричных сосредоточенных нагрузках без учета изменения напряжений во времени. Проверка результатов исследований и выводов проводилась путем натурных испытаний и экспериментов.
Достоверность и обоснованность результатов диссертации.
Основные теоретические положения и результаты расчётов подтверждены экспериментальными исследованиями, а также созданием действующих макетных образцов ВОДД с многослойным композитным упругим чувствительным элементом и проведением их испытаний в реальных условиях эксплуатации. При проведении экспериментальных исследований реализовывались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных положений и методов исследования, согласовании новых результатов с известными теоретическими положениями и корректном применении математического аппарата.
Достоверность теоретических результатов обеспечивается в рамках общепринятых математических моделей теории упругости тонких многослойных оболочек вращения, применением строгих методов при выборе вида искомых функций, учета их особенностей, а также комплексом мер контроля численных результатов, системностью и последовательностью исследований. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением аттестованной измерительной аппаратуры в соответствии с действующими российскими и международными стандартами.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
Методика проектирования малогабаритных и высокочувствительных ВОДД для АСУ ТРА теплоэнергетических установок и двигателей внутреннего сгорания, обеспечивающая долговременную стабильность статических характеристик ВОДД в присутствии горючих жидкостей и газов, особенно агрессивных.
Математические модели для расчета параметров и характеристик напряженно-деформированного состояния упругих тонких оболочек вращения с многослойным композитным покрытием с одной стороны и зеркальным отражателем с другой для случая, когда исследуемая оболочка вращения нагружена заданной осесимметричной сосредоточенной нагрузкой, а по краю закреплена к корпусу датчика с постоянным кольцевым натяжением.
Методика расчета на ЭВМ параметров и характеристик напряженно-деформированного состояния упругих тонких оболочек вращения с многослойным
композитным покрытием с одной стороны и зеркальным отражателем с другой для случая, когда исследуемая тонкая оболочка вращения нагружена заданной осе-симметричной сосредоточенной нагрузкой, а по краю закреплена к корпусу датчика с постоянным кольцевым натяжением.
Методика расчета и результаты исследования светопропускания излучения полупроводникового лазера в изогнутых участках приемо-передающих световодов ВОДД.
Результаты экспериментальных исследований и промышленного использования разработанных ВОДД в АСУ ТРА теплоэнергетических установок.
Научная новизна решения поставленных задач:
Впервые поставлена и решена задача создания малогабаритных и высокочувствительных волоконно-оптических датчиков давления с многослойными композитными упруго чувствительными элементами для АСУ ТРА двигателей внутреннего сгорания и теплоэнергетических установок. Разработана методика проектирования высокочувствительных ВОДД, обеспечивающая долговременную стабильность статической характеристики ВОДД в присутствии горючих жидкостей или газов, особенно агрессивных.
Разработаны математические модели для расчета напряженно-деформированного состояния упругих тонких оболочек вращения с многослойным композитным покрытием, которые позволяют по геометрии профиля упругих оболочек вращения рассчитывать чувствительность первичного преобразователя, зоны концентрации напряжений и их максимальные значения, расстояние между зеркальным отражателем и объединенным торцом приемо-передающих световодов, соответствующее рабочему давлению. Впервые нелинейная краевая задача расчета напряженно-деформированного состояния упругих тонких оболочек вращения с многослойным композитным покрытием решается методом конечных элементов, а аппроксимация меридиональных сечений проводится как гладко сопряженными дугами окружностей, так и отрезками прямых, что позволяет максимально схематизировать запись уравнений сопрягаемых участков в сечениях оболочки.
Разработана методика расчета на ЭВМ параметров и характеристик напряженно-деформированного состояния упругой тонкой оболочки вращения с многослойным композитным покрытием с одной стороны и зеркальным отражателем с другой для случаев, когда исследуемые оболочки вращения, по краю закрепленные к корпусу ВОДД с постоянным кольцевым натяжением, нагружены заданной осесимметричной сосредоточенной нагрузкой. Составлены и отлажены программы для ЭВМ, позволяющие по геометрии профиля оболочки вращения рассчитывать чувствительность упругих тонких оболочек вращения с многослойным композитным покрытием, зоны концентрации напряжений и их максимальные значения, расстояние до торцов световодов, соответствующее рабочему давлению, перераспределение напряжений в зонах расположения упругого кольца и зеркального отражателя.
Разработана методика расчета светопропускания излучения полупроводникового лазера в изогнутых участках приемо-передающих световодов ВОДД. Получены теоретические и экспериментальные зависимости, наиболее точно описывающие светопропускание изогнутых участков световодов ВОДД от соответст-
вующих радиусов изгибов, что позволяет успешно использовать полученные выражения в процессах укладки приемо-передающих световодов в ВОДД. Практическая ценность и внедрение результатов.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается:
в разработке нового класса УЧЭ ВОДД с многослойным упругим композитным покрытием, превосходящего по техническим и эксплуатационным параметрам все известные УЧЭ, используемые для измерения давления горючих жидкостей или газов;
в разработке новой методики проектирования на ЭВМ высокочувствительных упругих чувствительных элементов ВОДД с многослойным упругим композитным покрытием с одной стороны и зеркальным отражателем с другой;
в разработке малогабаритных и высокочувствительных ВОДД для АСУ ТРА теплоэнергетических установок и двигателей внутреннего сгорания, внедренных на ряде машиностроительных предприятий РФ.
Основные результаты диссертации внедрены в НПП «Плазмотрон» (г. Уфа), ОАО «Нефтекамский автозавод» (г. Нефтекамск), ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (г. Уфа) и ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов) при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ по созданию ВОДД для расходомеров массы горючих жидкостей и газов. Результаты выполненных исследований также могут быть использованы при проектировании устройств аналогичного назначения и в других областях техники.
В ходе промышленной эксплуатации внедренных образцов получен фактический экономический эффект в размере более 880 тысяч рублей в год, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Российских научных совещаниях и конференциях. Наиболее значимые из которых: VII Всероссийское совещание с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Москва-Гурзуф, 1995; VII Четаевская научно-техническая конференция «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань, 1997; X Юбилейная международная конференция «Вычислительная механика и современные прикладные программные системы», Переславль-Залесский, 1999; Республиканская конференция «Интеллектуальное управление в сложных системах», Уфа, 1999; Научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии машиностроения», Уфа, 2000; XII Всероссийское совещание с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Москва, 2002; Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий», Уфа, 2006-2007; Всероссийская научно-техническая конференция «Машиностроительные технологии», Москва, 2008; Всероссийская научно-техническая конференция «Научно - исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения», Уфа, 2010.
Связь исследований с научными программами.
Исследования в данном направлении выполнялись в Уфимском государст-
венном авиационном техническом университете в рамках федеральной целевой программы «Интеграция» (1998-^2002 г, направление «Математическое моделирование энергетических систем») и связаны с выполнением ряда хоздоговорных научно-исследовательских работ с НПП «Плазмотрон» (г. Уфа), ОАО «Нефтекам-ский автозавод», ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» и ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов).
Публикации.
Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 3 статьях в рецензируемых центральных журналах, входящих в перечень ВАК, 2 положительных решениях о выдаче патента и 1-ом свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и содержит 148 страниц основного текста, 48 рисунков и 2 таблиц. Список литературы включает 106 наименований.
