Механизмы реализаций физических воздействий и учета прочностных характеристик конструкций и изделий

УДК621.182.8: 539:620.179.16

МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И УЧЕТА ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИЙ И ИЗДЕЛИЙ

Г.В. Зибров, В.Н. Старов, Е.В. Смоленцев, А.В. Попов

Представлены особенности создания технологий нового поколения, к которым отнесены комбинированные методы обработки и неразрушающие методы диагностики с применением акустико-эмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов

Ключевые слова: технологии, наследственность, комбинированные методы, диагностика

Оптимальное управление жизненным циклом изделия (ЖЦИ) может быть достигнуто, если эксплуатация

высоконагруженных конструктивных

элементов ведется с учетом технологической наследственности объекта (ТНО) при учете оценки прочностных характеристик, основанной на диагностике дефектов. При этом необходимо еще на стадии конструкторско-технологической подготовки производства учитывать физические воздействия на будущий объект и с их учетом выбирать способы формообразования . Для расширения возможностей технологов здесь важно рационально использовать современные комбинированные методы обработки (КМО) с интенсифицирующим воздействием

электрических полей. Применение

прогрессивных способов обработки позволяет реализовать достижения и возможности научно-технического прогресса особенно в сфере производства, диагностики и контроля объектов наукоемких и специальных производств (ракетно-космическая техника, двигателестроение, ядерные энергетические объекты и реакторы, турбины энергетических машин, системы транспортировки и переработки нефти, газа и другие).

Таким образом исследование механизма реализации физических воздействий и учета прочностных характеристик

высоконагруженных конструкций

специального назначения, исходя из современных требований к качеству

Зибров Геннадий Васильевич - ВУНЦ ВВС «ВВА им.

профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», д-р пед.

наук, начальник, тел. 8(473)2369018

Старов Виталий Николаевич - ГПС МЧС России, д-р техн.

наук, профессор, e-mail: vigps_onirio@mail.ru

Смоленцев Евгений Владиславович - ВГТУ, д-р техн.

наук, профессор, тел. 8-4732348145

Попов Алексей Владимирович - ВУНЦ ВВС «ВВА им.

профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», д-р техн.

наук, доцент, тел. 8(473) 2369018

продукции, срокам и стоимости внедрения в производство и ввод в эксплуатацию прогрессивных технологий является важной и актуальной задачей в машиностроении.

Обобщенная методология создания технологий нового поколения показана в работе [1]. Она включает использование комбинированных методов обработки и неразрушающих методов диагностики с применением акустико-эмиссионных

критериев разрушения на основе инвариантов (АЭКИ). Последние дают возможность оценить прочностные характеристики конструкций специального назначения с учётом ранжирование величины опасности дефектов вне зависимости от их типоразмеров и предыстории эксплуатации [6, 7].

Актуальные характеристики объекта СК определяются его формой, размерами, точностью изготовления, физико-

механическими свойствами, включая напряженное состояние и другими параметрами, в том числе, контролируемыми средствами неразрушающего контроля.

Если ввести функцию преобразования ф0 свойств номенклатуры деталей из некоторого исходного состояния (например, заготовки) в конечное состояние (изделие), то ее можно представить следующим образом [3]:

си1] ск11

C 2 •  • с к 2

C ^ nr , Ckt „

где (0 - функция преобразования свойств изделия (детали) с помощью технологических воздействий, т.е. предмета обработки (создания);

Спг - г-й элементарный параметр заготовки;

СИ - 1-й элементарный параметр изделия;

Я - общее число параметров заготовки;

Т- общее число параметров изделия.

Известно [2], что любой объект можно представить как совокупность потоков: энергетического Е0, материального и

информационного 10. Соответственно, в производственном процессе преобразования заготовки в конечное изделие осуществляется целенаправленным комбинированным

технологическим воздействием (Ы^к)) совокупности материального

энергетического Е0((к) и информационного 1(К) типов потоков. Тогда получается модель процесса вида:

N

По мнению большого числа ученых, признанного единого решения данных уравнений для подавляющего числа комбинированных методов обработки и контроля до сих пор не найдено. Исключениями можно считать только несколько достаточно хорошо изученных и в течении длительного времени применяемых в производстве способов [3].

Таким образом, механизмы реализации с комбинированным воздействием на объекты обработки и неразрушающим контролем либо не изучены, либо существуют только для частных случаев [3, 4].

Описание многих процессов можно выполнять на основе формализации. Однако, как известно, далеко не всегда конструкторские и технологические идеи и методы формализуются, поэтому в ряде случаев требуется параллельное рассмотрение и решение значительного числа

разнонаправленных задач и подзадач. В этом случае можно попытаться использовать специальное математическое и программное обеспечение существующих САПР, хотя в последних построение САПР технологических процессов комбинированных методов обработки до сих пор практически не реализован и позволяет решить лишь частные задачи, что резко снижает область рационального использования программного обеспечения.

Идея концепции жизненного цикла товара была предложена в 1965 г. Т. Левиттом. Согласно ей, товар, попадая на рынок, живет своей особой товарной жизнью, называемой в маркетинге жизненный цикл товара. У различных товаров, соответственно, разный жизненный цикл. Он может длиться от нескольких дней до десятков лет. Любые технические системы, попадая на рынок, предназначены выполнять поставленные

задачи. Таким образом, их жизненный цикл определяется периодом эксплуатации.

При исследованиях работоспособности конструкций специального назначения в машиностроении нами [5] предложены некоторые поправки в методические основы, понятия «жизненный цикл продукции», включают этапы - стадии жизни, причем на каждом из них производится оценка и обеспечивается качество изделий. Этапы таковы: маркетинг, выявление потребностей и изучение рынка (МР); проектирование продукции и разработка требований к ней (РТП); материально - техническое снабжение и поставки (МТС); технологическая подготовка производственных процессов с учетом технологической наследственности и обоснованным использованием возможностей КМО (ТПП-ТНО-КМО); производство изделий с учетом технологической наследственности (ПР-ТНО); диагностика (контроль); проведение испытаний и обследований (ДИ-АЭКИ); упаковка, и хранение на складе (УХ); реализация и логистика продукции (РР); монтажные работы и эксплуатация (МЭ); техническая поддержка и обслуживание, сервис (ТС); утилизация (УТ).

Обновленная схема взаимосвязей для управления объектами при применении новых технологий и пути реализации поставленных целей на этапах ЖЦИ показана на рис. 1.

Рис.1. Схема взаимосвязей управления объектами при реализации новых технологий и достижения качества выполнения

поставленных целей на этапах ЖЦИ

Данная схема приведена с учетом информационной структуры обеспечения качества на этапах ЖЦИ [5]. Обязательным условием, для соблюдения современных жестких требований к качеству продукции, высокой конкуренции на внешних и внутренних рынках, является то, что прогрессивные технологии имеют

итерационный характер выполнения всех их стадий. Схемы, показывающие развитие поэтапного представления жизненного цикла технологии, представлены на рис. 2 [1].

При этом, хотя схема 2, а считается традиционной, но она не подходит для комбинированных методов, где отсутствие обратной связи, итерационной составляющей, является неприемлемым фактором. Кроме того, такая схема не позволяет выполнять отдельные этапы параллельно, а не последовательно, использовать современные информационные технологии, например, CALS-технологии.

Схема с направленными шагами через анализ (рис. 2, в), может быть признана оптимальной для разработки методики проектирования новых технологий с использованием комбинированных методов обработки и систем диагностики (контроля) АЭКИ.

Известные схемы, позволяющие проводить проектирование с необходимыми итерациями, (рис. 2 б, в), в некоторой степени лишены недостатков традиционного способа, при этом с точки зрения оптимальности их последовательность может быть нарушена.

На рис. 3 представлена предложенная авторами работы [4] гипотетическая диаграмма проектирования технологии нового поколения.

Рис. 2 - Этапы жизненного цикла технологии: а) традиционного цикла, б) итеративное проектирование, в) при итеративном проектировании через анализ

Рис. 3. Система принципов проектирования технологии в новой оболочке [4]

Данная диаграмма основывается на определении системы принципов и способов обеспечения качественно новых свойств и возможностей технологий, а также на проектировании системы разработки новой технологии. Последняя должна обеспечивать возможность рационального использования на этапах ЖЦИ наукоемких процессов. В рассматриваемом случае это современная технологическая подготовка производственных процессов с учетом технологической наследственности (ТПП-ТНО); сами КМО; производство продукции с учетом технологической наследственности (ПР-ТНО); диагностика (контроль), проведение испытаний и обследований (ДИ-АЭКИ).

Система принципов и методов обеспечения качественно новых свойств и возможностей базируется на сочетаниях множеств известных и проектируемых принципов и методов достижения свойств и возможностей технологии.

Принципы проектирования современной технологии основаны на инновационном компьютерном обеспечении, они позволяют собирать, обрабатывать, хранить и эффективно использовать постоянно пополняемые базы знаний.

Накопленный опыт показывает, что важнейшими факторами являются анализ и синтез объектов систем. С учетом представлений, показанных в работе [4], исследуем общее описание алгоритма синтеза новых методов обработки и диагностики, имея в виду, что есть два базовых вектора -комбинированная обработка КМО и методы диагностики, с применением акустико-эмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов АЭКИ [6,7]:

1. Изначально создается некий набор единичных процессов с базовой основой в качестве КМО и АЭКИ, обеспечивающих заданное воздействие на свойства объекта обработки и своевременную оценку состояния элементов или объектов изделия. В данном случае речь идет о процессах формообразования заданного объекта какими-то методами обработки, приводящих к управляемому локальному и дозированному разрушению (или созданию) формы и поверхности заготовки с целью изменения ее геометрии, размеров и свойств поверхности (поверхностно-приповерхностного слоёв). База процессов является открытой, то есть при необходимости может расширяться и включать в себя новые элементы и новые возможности.

Также здесь важно учитывать или искусственно вводить системы ограничений, основанные на знаниях об особенностях используемых принципов, в том числе о неприемлемых отношениях между парциальными процессами, их свойствами и гипотетическими результатами таких взаимодействий.

2. Далее, для обозначенных технологических задач формируется функция (Б) цели. Так, при синтезе комбинированных методов отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей машин функция может быть представлена выражением вида

^ = /(Я, а, $ % у, ф = А (х)А А (у)Б, (3) где Я, а — обобщенные характеристики микро- и макрогеометрии поверхности,

% — обобщенные показатели

напряженного состояния;

$— показатели физических свойств поверхно- приповерхностного слоев;

у — показатель прочности связи поверхностного слоя с основой;

ф — показатель, отражающий особенности формирования (разрушения) поверхностного (обрабатываемого) слоя;

А — множество воздействий, отражающих структуру процесса КМО;

А (х)— оператор выбора необходимой структуры методов обработки;

А (у)— оператор выбора необходимой структуры диагностики;

Б— множество, отражающее структуру процесса диагностики с использованием АЭКИ.

3. Средствами комбинаторики выявляется множество для процессов обработки К и диагностики Д в виде альтернатив сочетаний единичных процессов или их комибинаций.

4. Осуществляется формирование подмножества методов формообразования, элементы которых удовлетворяют принятым выше ограничениям. К* е К.

5. Осуществляется формирование подмножества Д* методов диагностики, элементы которых удовлетворяют принятым выше ограничениям, т. е. Д*е Д.

6. Проектируются способы реализации конкретного метода обработки Ше К и технологии с использованием этих способов.

7. Проектируются способы реализации конкретного метода диагностики Д*е Д и технологии (в данном случае АЭКИ) с использованием этих способов.

8. Выполняется экспериментальная оценка эффективности спроектированных технологий, делается заключение о целесообразности

использования выбранного метода обработки и диагностики в конкретной предметной области, выявляется подобласть его рационального применения, оцениваются диапазоны достигаемых этими методами технологических (эксплуатационных) результатов.

На основании вышеизложенного, можно говорить о том, что большую научную ценность при исследовании и разработке комбинированных методов обработки и диагностики, представляют сведения об отношениях между парциальными процессами. Они могут реализовываться через специфические эффекты взаимовлияния. Для обработки примерами могут быть механохимический, термохимический, механо-электрический и другие процессы. Для неразрушающих методов диагностики примером может служить применение акустико-эмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов (АЭКИ), которые позволяют оценивать прочностные

характеристики конструкций с учётом степени опасности дефектов вне зависимости от их формы, размеров и предыстории эксплуатации.

Вышепреведенные эффекты взаимного влияния лежат в основе синергических, компенсационных, фильтрационных и иных явлений, свойственных методам

комбинированного формообразования

поверхностей и диагностики состояния объекта, что представляет интерес со стороны производства специальной техники и способно

обеспечивать конкурентоспособность

соответствующих технологий.

Литература

1.Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения [Текст] /А.Н. Михайлов // Донецк: ДонНТУ, 2009. - 346 с.

2. Хубка В. Теория технических систем [Текст] / В. Хубка // М.: Мир,1987.- 208 с.

3. Смоленцев В.П. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Ч I: Обработка материалов с применением инструмента [Текст] / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев, Г.П. Смоленцев, И. Т. Коптев // Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008 - 248 с.

4. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей [Текст] / Под ред. Б.П. Саушкина // М.: Дрофа, 2002. - 656 с.

5. Старов В.Н. Моделирование процессов изменения работоспособности оборудования с учетом технологической наследственности. Монография [Текст] / В.Н. Старов М.Н. Краснова // Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - 140 с.

6. Попов А.В. Метод функциональных инвариантов в задачах оценки прочности на основе акустической эмиссии [Текст]// Дефектоскопия, 2008. - №2. - С.23-27.

7.Попов А.В. Метод регистрации акустико-эмиссионных сигналов и силовых элементах конструкций вооружения и военной техники на основе лазерного голографического интерферометра //[Текст]. А.В. Попов, В.Н. Старов, Д.Е. Барабаш, С.Ю. Жачкин. Вестник ВАИУ № 1 (15). Научное периодическое издание. Воронеж. ВАИУ. 2012. С18-28.

8. Грицюк, В.Г., Механизм обеспечения эксплуатационных характеристик изделий технологическими способами [Текст] / В.Г. Грицюк, Е.В. Смоленцев, Б.И. Омигов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. -Т.6. - №1. - С. 68-71.

Военно-воздушная академия имени Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина

Воронежский институт ГПС МЧС России

Воронежский государственный технический университет

MECHANISMS OF REALIZATION ASSAULTED AND STRENGTH CHARACTERISTICS

ACCOUNTING DESIGNS AND PRODUCTS

G.V.Zibrov, V.N.Starov, E.V.Smolentsev, A.V. Popov

This article shows the features of the creation of next generation technologies into which the combined methods of treatment and non-destructive methods of diagnosis using acoustic emission of fracture criteria on the basis of invariants

Key words: technology, heredity, combined methods of diagnosis