Способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования
METHOD OF TESTING FOR HIGH-INTENSITY SHOCK EFFECTS OF DEVICES AND EQUIPMENT

Данное изобретение относится к способам испытаний на ударные воздействия  и может быть использовано при испытаниях на ударные воздействия различных приборов и оборудования.
Существуют различные способы проведения ударных испытаний. Основное их отличие заключается в создании либо одиночного импульса различной формы (как внешнего воздействия), либо в формировании ударного спектра ускорений (УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений с помощью вибрационных электродинамических стендов (синтезирование сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов),  стендов с падающими столами (воспроизводятся простейшие сигналы, которые и обеспечивают необходимый УСУ). Испытания по методу ударных  спектров ускорений проводят, когда неважно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн.2 «Испытательная техника» кн.1 М. Машиностроение 1982г. стр334-335). Использование электродинамических стендов ограничено  как амплитудой воспроизводимых воздействий (как правило, 200-300 g), так и частотой (частотный диапазон воспроизводимых воздействий не превышает 2,5-3кГц).
Для создания ударных воздействий помимо электродинамических стендов существует достаточно разнообразный набор средств, например, всевозможные гидравлические, механические стенды.
.
Эти устройства позволяют  воспроизводить различные способы нагружения объекта испытаний (с уровнями воздействия до десятков тысяч “g”), например, за счет сбрасывания рамы с определенной высоты. Ударное воздействие создают ударом тяжелого маятника по столу, на котором  закреплен объект испытаний. (Вибрации в технике, справочник в 6 томах. Том 5. Измерения и испытания под редакцией М.Д.Генкина М. Машиностроение 1981г. стр.476 - 477). Или решение  (Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков и др. Инженерные методы исследования ударных процессов М. Машиностроение, 1977 г, стр.24-25), где воспроизводятся простейшие сигналы на маятниковом копре, но они значительно увеличивая амплитуду ускорений, также ориентированы на создание “чистого” импульса за счет подавления вторичной вибрации. Как и одиночный импульс, ударный спектр ускорений (от одиночного импульса) реализуется в одном направлении- аналоги
Основным недостатком рассмотренных выше способов испытаний является то, что
при использовании электродинамических стендов для создания ударных воздействий имеются ограничения на  амплитудно – частотный диапазон воспроизводимых нагрузок, т.е. они не годятся для воспроизведения ударных воздействий высокой интенсивности и ориентированы на создание суперпозицией импульсов воздействия в одном направлении. Типовые механические стенды (например, копровые с падающими столами) ориентированы на создание ударного воздействия в виде одиночного импульса, который действует на все элементы объекта испытаний, а не только в точках его крепления. Помимо этого, ударные испытания на подобном оборудовании нарушают “физику” нагружения бортовой аппаратуры (БА), т.к. при реальной эксплуатации нагружение БА проводится проходящей волной деформации в конструкции, а отклик на ударное воздействие имеет сложную форму в виде нестационарной вибрации.
.
Наиболее близким к заявляемому является решение (Круглов Ю.А., Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. - Л. Машиностроение. 1986г. стр.151), когда ударное воздействие маятниковым бойком создают в подпружиненной платформе, на которой устанавливают объект испытаний, в виде одиночного импульса, по которому и вычисляют ударный спектр ускорений – «прототип»
Недостатками этого решения для формирования ударного воздействия является, в первую очередь, создание на объекте испытаний одиночных ударных импульсов, которых при реальной эксплуатации не существует. Это влечет за собой значительное увеличение амплитуды ударного импульса по сравнению с затухающей нестационарной вибрацией (как правило, в 3-4 раза), являющейся откликом на внешнее ударное воздействие в системе, подвергающейся ударному воздействию (например, ударное воздействие на аппаратуру космических аппаратов). Кроме того, в процессе ударного нагружения получается отклик, обеспечивающий необходимый ударный спектр ускорений только в одном направлении. Используемые в подобных стендах программаторы и крешеры ориентированы на создание «чистого» одиночного импульса и подавление возникающей вторичной нестационарной вибрации, что приводит к необходимости проведения испытаний по каждой из заданных осей раздельно в двух противоположных направлениях (положительном и отрицательном).
Технической проблемой настоящего изобретения является создание воздействий, соответствующих реальным условиям эксплуатации аппаратуры и обеспечивающих при проведении испытаний одновременное нагружение объекта испытаний в двух противоположных направлениях (положительном и отрицательном) с целью уменьшения  количества ударов.
Указанная техническая проблема решается за счет того, что для проведения испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия по методу ударных спектров ускорений, заключающемуся в создании импульсов ускорений с помощью ударного стенда,  регистрации ускорений и получении ударного спектра ускорений в точках крепления объекта испытаний, требуемое ударное воздействие в форме ударных спектров ускорений формируют в виде нестационарной вибрации на динамическом макете объекта испытаний, а  ударные спектры ускорений одновременно получают для положительных и отрицательных значений ускорений нестационарной вибрации, при этом формируют необходимый режим, подбирая нужное воздействие за счет того, что в процессе ударного нагружения меняют место приложения ударного воздействия, место крепления динамического макета объекта испытаний к оснастке, параметры ударных воздействий, сами источники ударного воздействия таким образом, что положительные и отрицательные значения ударных спектров ускорений, полученные в точках задания ударного воздействия, отличаются от требуемых ударных спектров ускорений в каждом из частотных диапазонов шириной не более 1/24 октавы во всем заданном частотном диапазоне, на величину меньшую, чем допустимая погрешность, при этом суммарный ударный спектр ускорений отличается от требуемого ударного спектра ускорений во всем заданном частотном диапазоне на величину меньшую, чем допустимая погрешность; затем динамический макет объекта испытаний заменяют на испытуемый объект и проводят ударные испытания на сформированном режиме, причем  количество создаваемых ударных воздействий на объекте испытаний уменьшают вдвое относительно требуемого количества ударных воздействий вдоль каждой из осей, для которых сформированы положительные и отрицательные ударные спектры ускорений,   отличающиеся от требуемых ударных спектров ускорений во всем заданном частотном диапазоне на величину меньшую, чем допустимая погрешность.
Суть заявленного решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема ударных испытаний одной из антенн разработки АО «ИСС». График зависимости ускорения от времени в виде нестационарной вибрации показан на фиг.2. Положительный УСУ показан на фиг.3, отрицательный УСУ на фиг.4, а обобщенный (максимальный спектр) показан на фиг.5.
Цилиндрическая антенна из композиционных материалов 1 через опору 2  крепится к оснастке 3. Основание антенны 4 жестко крепится ко второй опоре 6. Контроль нагружения выполняют с помощью трехосевого акселерометра АР1020 5 (для регистрации и получения УСУ). К опоре 6 с обратной стороны крепят составной стержень 7 (многослойный стержень из слоев стали, текстолита и алюминия) с крешером 8 (мягкий алюминиевый сплав). Ударное воздействие выполняют бойком 9 пиротехнического устройства (ПУ) 10, жестко закрепленного на подвижной опоре 11. Расстояние L между крешером 8 и бойком 9 изменяют в процессе ударного нагружения. Изменяя расстояние L, массу бойка 9, набор слоев  составных стержней 7, мощность газогенераторов ПУ 10, получают различные ударные воздействия (УСУ), воздействующие   на рассматриваемую антенну (фиг.1).
Сущность заявляемого решения может быть пояснена следующим образом.
В настоящее время требования на аппаратуру задаются, как правило, в виде УСУ с указанием количества ударных воздействий. Например, типовые требования на бортовую аппаратуру формулируются так: «Ударные нагрузки задаются в виде трех ударов по каждому направлению вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей».  Требование по созданию ударных воздействий вдоль одной оси  по двум направлениям связано с тем, что часть комплектующих аппаратуры по разному откликается на нагружение в разных направлениях (например, микропереключатели). При этом большинство ударных стендов ориентированы на создание классических одиночных импульсов ускорений, особенно при необходимости создания ударных воздействий повышенной интенсивности (до десятков тысяч “g”), когда применение электродинамических стендов для формирования УСУ невозможно. При получении  необходимого УСУ с помощью одиночного импульса амплитуда ускорений существенно возрастает по сравнению с нестационарной вибрацией, имеющей близкий УСУ (в 3-4 раза). Причем нестационарную вибрацию можно рассматривать как набор положительных и отрицательных импульсов затухающих во времени (уменьшается их амплитуда) и обеспечивающих требуемый УСУ при значительно меньшей амплитуде. Кроме того, создаваемая в месте установки объекта испытаний нестационарная вибрация больше соответствует «физике» нагружения реального оборудования, например, в составе космических аппаратов (после срабатывания пиротехнических устройств отклики в местах установки оборудования фиксируются в виде нестационарной вибрации). При испытаниях  крупногабаритных пространственных конструкций (например, антенн космических аппаратов) создание ударных воздействий в двух направлениях часто становится невозможным из-за сложности оснастки, размеров ударных стендов и т.д. В этом случае корректное ударное нагружение объекта испытаний возможно только по рассмотренной выше процедуре. При этом источником ударных воздействий могут быть как механические (для небольшой по массе и габаритам аппаратуры), так и пиротехнические стенды с локальным ударным воздействием.
Главное – это создание в месте установки объекта испытаний регулируемой нестационарной вибрации.
Так как по определению «ударный спектр ускорений – это зависимость максимального отклика на ударное воздействие ансамбля колебательных систем с одной степенью свободы и одинаковым демпфированием от собственных частот этих систем», то положительные и отрицательные значения УСУ показывают максимальную реакцию в этих направлениях. Т.е. при других испытаниях с заданным УСУ большего отклика не будет, и проводить еще дополнительные испытания не требуется (необходимые режимы нагружения уже реализованы). Таким образом, количество ударных воздействий по оси можно уменьшить вдвое. Для расчета ударных спектров ускорений наибольшее распространение получил алгоритм Смолвуда (D.O. Smallwood, "An Improved Recursive Formula for Calculating Shock Response Spectra", Sandia  National  Laboratories,  Albuquerque,  New Mexico). Для успешной работы данного алгоритма рекомендуют расчет УСУ проводить с шагом по частоте не более 1/24 октавы, поэтому и усреднение по частоте  должно быть не шире, чем 1/24 октавы не зависимо от алгоритма вычисления УСУ. Формирование УСУ при ударных испытаниях проводят с заранее оговоренной погрешностью. Эта погрешность может быть разной для различных частотных диапазонов. Типовые требования по погрешностям приведены в таблице 1 (фиг.6).
Т.е. положительные или отрицательные УСУ могут иметь допустимую погрешность в разных частотных диапазонах, а суммарная погрешность выйдет из допустимого диапазона.
Следует также отметить, что формирование требуемого УСУ для испытаний проводят в несколько этапов, т.к. сразу получить необходимый УСУ, как правило, не удается. Применение различных источников ударных воздействий, изменение точек приложения этих воздействий, различных крешеров и т.д. позволяет подобрать нужное воздействие. Поэтому отработку нужного режима испытаний проводят на динамическом макете прибора, и только после сформирования необходимого режима испытаний переходят к испытаниям штатного прибора.
Пример практического исполнения.
В качестве примера рассмотрим создание УСУ по направлению вдоль оси антенны, показанной на фиг.1 (ось Y-Y антенны), в соответствии с требованиями, приведенными в таблице 2 (фиг.7).
С помощью ПУ 10 боек  9 выполняет ударное нагружение антенны 1. В процессе нагружения происходит трансформация ударного воздействия, и в месте крепления антенны акселерометром 5 фиксируют нестационарную вибрацию. График зависимости ускорения от времени в виде нестационарной вибрации показан на фиг.2. Положительный УСУ показан на фиг.3, отрицательный УСУ на фиг.4, а обобщенный (максимальный спектр) показан на фиг.5.   Как видно из рисунков (фиг.3-5) требования по точности, приведенные в таблице 1, выполнены.  На рисунках (фиг.3-5) показаны следующие графики: 1- это требуемый УСУ, 2 – сформированный УСУ, 3 - допуски ±3дБ, 4 - допуски ±6дБ, 5 - допуск +9дБ.
Для положительного УСУ более 85% спектра находится в диапазоне от  -3дБ    до +3дБ и 100% в диапазоне от -3дБ    до +6дБ (фиг.3). Для отрицательного УСУ более 80% спектра находится в диапазоне от  -3дБ    до +3дБ и 100% в диапазоне от -3дБ    до +6дБ (фиг.4). Для обобщенного УСУ более 70% спектра находится в диапазоне от  -3дБ    до +3дБ и 100% в диапазоне от -3дБ    до +6дБ (фиг.5).
Таким образом, при реализации заявляемого изобретения достигается следующий технический результат: создаваемая в месте установки объекта испытаний нестационарная вибрация больше соответствует «физике» нагружения реального оборудования, например, в составе космических аппаратов; за счет созданной нестационарной вибрации воспроизведены требуемые ударные спектры ускорений одновременно в положительном и отрицательном направлениях,  за счет чего количество ударов уменьшено по этой оси в два раза.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.