Учет механических потерь при моделирования наноустройств военной техники из современных композиционных материалов на внешние механические воздействия

Исследование осуществлено в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ № НШ-5574.2014.10, гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых №МК-6648.2014.10 Список использованной литературы:

1. О.Е. Куликов, А.С. Шалумов. Обеспечение передачи цифровых данных по каналу RS-232 в условиях внешних электромагнитных помех // Технологии ЭМС. - 2010. - № 4. - С.27-30.

2. О.Е. Куликов, А.С. Шалумов. Обеспечение электромагнитной совместимости на ранних стадиях проектирования радиоэлектронной аппаратуры: средства и методы реализации // Успехи современной радиоэлектроники. - 2011. - № 1. - С.12-18.

3. О.Е. Куликов, А.С. Шалумов. Разработка подсистемы АСОНИКА-ЭМС для численного моделирования проблем электромагнитной совместимости // Наукоемкие технологии. - 2011. - № 11. - С.79-95.

4. Шалумов А.С., Шалумов М.А., Шалумова Н.А., Першин Е.О., Куликов О.Е. Анализ проблем и задач моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах // Динамика сложных систем. - 2014. - № 2. - С.83-89.

© А.С. Шалумов, О.Е. Куликов, Н.А. Шалумова, 2015

УДК 621.396.6.019.3

А.С. Шалумов, Д.т.н., профессор Генеральный директор ООО "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" и ООО "Научно-технический центр "Наномодель", г. Ковров, Российская Федерация Заведующий кафедрой, Кафедра информационных технологий Владимирский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при

Президенте РФ (РАНХиГС) Г. Владимир, Российская Федерация Е.О. Першин, К.т.н. Старший научный сотрудник ООО "Научно-технический центр "Наномодель" Г. Ковров, Российская Федерация Д.Н. Травкин, К.т.н. Старший научный сотрудник ООО "Научно-технический центр "Наномодель" Г. Ковров, Российская Федерация

УЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАНОУСТРОЙСТВ ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ ИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ВНЕШНИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Аннотация

Рассмотрены механические потери, вызывающие затухание колебаний, играющие существенную роль в динамических процессах, протекающих в конструкциях наноустройств военной техники из современных композиционных материалов при механических воздействиях. Для учета механических потерь в материалах конструкций НУВТ использована гипотеза Сорокина.

Ключевые слова

Наноустройство, композиционные материалы, механические воздействия.

Проектирование конструкций наноустройств военной техники (НУВТ) из современных композиционных материалов с учетом механических воздействий на сегодняшний день усложняется следующими факторами [1 - 4]: 1) постоянным ростом интенсивности механических воздействий из-за увеличения скоростей подвижных объектов; 2) многообразием видов механических воздействий -вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы; 3) одновременным приложением к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; 4) комплексным характером приложения тепловых и механических воздействий, приводящим к влиянию тепловых процессов на механические.

Механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов электронной аппаратуры. Подавляющее большинство отказов аппаратуры из-за механических воздействий связано с выходом за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций - ускорений, перемещений, напряжений, что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы аппаратуры. При этом важно отметить, что ускорение НУВТ не должно превышать допустимое по техническим условиям (ТУ) значение. Кроме того, к нарушениям прочности НУВТ часто приводит накопление усталостных повреждений и их разрушение. Время до усталостного разрушения НУВТ не должно быть меньше суммарной длительности механических воздействий на аппаратуру в условиях эксплуатации.

Силы сопротивления, вызывающие затухание колебаний, играют существенную роль в динамических процессах, протекающих в конструкциях НУВТ при механических воздействиях. Многочисленные исследования показывают, что на механические потери в материале конструкции при колебаниях оказывает влияние ряд факторов, воздействие каждого из которых при различных условиях циклического деформирования может оказаться неодинаковым. Механические потери в материалах конструкций НУВТ, в отличие от дерева, бетона и других строительных материалов, в значительной мере и обычно не линейно зависят от амплитуды циклических напряжений и практически не зависят от частоты в достаточно широком диапазоне ее изменения.

Механические потери в материале зависят также от вида напряженного состояния, обусловливаемого видом колебаний (продольные, крутильные, поперечные, изгибно-крутильные, продольно-крутильные и т.п.). Механические потери зависят от температуры материала. С повышением температуры демпфирующие свойства материалов, как правило, возрастают.

Для определения резонансных амплитуд ускорений и механических напряжений в элементах конструкций НУВТ необходимо принять гипотезу о диссипативной силе. Для конструкций с демпфирующими слоями из полимерных материалов широкое распространение получила экспериментально проверенная гипотеза, согласно которой диссипативная сила принимается пропорциональной скорости деформации.

Для конструкций из современных композиционных материалов наиболее широко применяется гипотеза Сорокина, в соответствии с которой диссипативная сила пропорциональна упругой

восстанавливающей силе, но сдвинута относительно последней на угол ^ / 2. Так как в конструкциях НУВТ применяются в основном именно такие материалы, то в дальнейшем при решении задач мы будем использовать данную гипотезу, сущность которой состоит в комплексном представлении упругих постоянных материала. Однако определенные особенности физико-механических свойств современных композиционных материалов потребовали дополнительных доказательств правомерности использования гипотезы Сорокина для моделирования механических процессов в конструкциях НУВТ.

В современных композиционных материалах напряжение в данной частице в данный момент времени зависит не только от текущих значений деформаций, температуры и других определяющих параметров, но и от значений этих параметров во все предшествующие моменты времени - от истории процесса деформирования данной частицы. Зависимость от истории проявляется, в частности, в том, что в

экспериментах на чистое растяжение имеют место такие явления, как ползучесть и релаксация.

Ползучестью называют процесс изменения во времени t деформаций e(t) при неизменных напряжениях CT(t):

t

е (t)= Act (t) + Jn(t,r)a(r)dr, 0

где A - модуль мгновенной податливости; П - ядро ползучести; т < t - переменная интегрирования.

Релаксация - процесс изменения напряжений во времени при неизменных деформациях:

t

а (t) = е (t)-JR(t,T)e (т)йГ, 0

где a - модуль мгновенной упругости; R - ядро релаксации.

К настоящему времени предложено несколько вариантов записи ядер релаксации и ползучести для устойчивых процессов деформирования. Эти ядра подбираются таким образом, чтобы учесть наличие бесконечно большой скорости деформирования или релаксации в начальный момент нагружения, когда

значение t стремится к нулю, и конечную функцию процесса (е = const ,е = 0 или = const и = 0) при t ^ т . Это дает возможность с помощью одних и тех же функций решать задачи и статического, и динамического типа с нагрузками, быстро меняющимися во времени. В расчетной практике большое применение нашли ядра, предложенные Ю.Н. Работновым и А.Р. Ржаницыным, М.А. Колтуновым. Для определения параметров ядер ползучести и релаксации на основе экспериментальных кривых ползучести разработан алгоритм, а для приближенных инженерных оценок - практические приемы, основанные на графических построениях.

Точное определение параметров ядер релаксации и ползучести материала представляет достаточную сложность. Кроме того, учет процессов релаксации и ползучести приводит к значительному усложнению моделей механических процессов и процесса их решения. Резко возрастает время расчетов по таким моделям, что противоречит цели данной работы. Поэтому необходимо определить, насколько важен учет этих процессов при моделировании механических процессов в конструкциях НУВТ и можно ли ими пренебречь.

Согласно гипотезе Сорокина комплексный модуль упругости выразится как

E = E(1 + jy),

где E - статический модуль упругости; y - коэффициент механических потерь (КМП); ^ - мнимая единица.

КМП связан с логарифмическим декрементом затухания колебаний (ЛДЗК) Л следующим соотношением:

y = Л / п.

Для того, чтобы воспользоваться гипотезой Сорокина и учесть механические потери в материалах конструкций НУВТ, нужно правильно определить КМП в зависимости от факторов, указанных выше для ЛДЗК. При этом основными факторами являются амплитуда напряжения, вид колебаний, форма колебаний, размеры образцов и их форма, температура.

Зависимости КМП от напряжения изгиба на линейном участке имеют вид:

y =y0 + kcOu

гдеУ 0 - КМП для линейного участка при 0; ka - коэффициент зависимости КМП от

напряжения.

Чтобы воспользоваться данной зависимостью, нужно получить у°, . Это делается путем идентификации данных параметров для различных форм колебаний, размеров образцов и их форм.

Взаимосвязь тепловых и механических процессов в конструкциях НУВТ обусловлена двумя факторами, связанными с влиянием тепловых процессов на механические: 1) температурными

зависимостями физико-механических параметров - модуля упругости Е и КМП У - для материалов конструкций НУВТ; 2) температурными напряжениями, возникающими в статически неопределимых системах. Рассмотрим последовательно учет этих факторов.

1. Как показывают экспериментальные зависимости, с ростом температуры модуль упругости уменьшается, а КМП увеличивается. Как указывалось выше, температура участков конструкций бортовой аппаратуры достигает +85 »С. В данном диапазоне, как показывают экспериментальные графики, зависимости Е и у от температуры могут аппроксимироваться линейными полиномами. Уравнение

прямой для зависимости модуля упругости от температуры в этом случае имеет вид:

20

Е=Е - Ке

где Т - текущая температура; Е2°- модуль упругости при Т = 20 0С; КЕ - коэффициент пропорциональности.

Рассматривая зависимости ЛДЗК от температуры, можно сделать вывод, что при этом меняется как

У к У к

' 0в зависимости от температуры, так и 1X0. Уравнения прямых для зависимостей ' 0 и 1X0 от температуры имеют вид:

20

У0 = У2 + Ку

о /о ^у

К = И + Kk - 20),

20 20 где у - значение у при T = 20 0С; fc^ - значение ka при T = 20 0С; к , K - коэффициенты

о / 0 jv^i JS. у 1 Vi

пропорциональности.

Исследование осуществлено в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ № НШ-5574.2014.10, гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых №МК-5856.2014.10

Список использованной литературы:

1. A. Shalumov, E. Pershin, А. Korkin, V. Khaldarov. Accelerated Simulation of Thermal and Mechanical Reliability of Electronic Devices and Circuits. Example of an integrated circuit simulation in ASONIKA-M-3D // Динамика сложных систем. - 2013. - № 5. - С.59-67.

2. A. Shalumov, E. Pershin. Accelerated Simulation of Thermal and Mechanical Reliability of Electronic Devices and Circuits. - Moscow: Printing by PrintLETO.ru, 2013. - 128 p. - ISBN 978-5-88070-345-6.

3. Шалумов А.С., Шалумов М.А., Шалумова Н.А., Першин Е.О., Куликов О.Е. Анализ проблем и задач моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах // Динамика сложных систем. - 2014.

- № 2. - С.83-89.

4. R. Sunder, V. Khaldarov, А. Korkin, A. Shalumov, E. Pershin, O. Kulikov. Asonika system. Automated analysis of electronics on integrated mechanical, thermal, electromagnetic and other effects // Динамика сложных систем.

- 2014.- № 2. - С.75-82.

© А.С. Шалумов, Е.О. Першин, Д.Н. Травкин, 2015

УДК 621.396.6.019.3

А.С. Шалумов,

Д.т.н., профессор

Генеральный директор ООО "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА"

Г. Ковров, Российская Федерация Заведующий кафедрой, Кафедра информационных технологий Владимирский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при

Президенте РФ (РАНХиГС) Г. Владимир, Российская Федерация А.В. Малов, К.т.н.

Старший научный сотрудник ООО "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА"

Г. Ковров, Российская Федерация М.А. Шалумов, К.т.н., Научный сотрудник

Владимирский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте РФ

Г. Владимир, Российская Федерация

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА ВИБРОИЗОЛЯТОРАХ СТРАТЕГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНЫХ ВНЕШНИХ ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ИХ

КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ОТКАЗОВ

Аннотация

Рассмотрена структура Автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА. Представлены возможности подсистем системы АСОНИКА, в том числе подсистемы анализа и обеспечения стойкости к механическим воздействиям конструкций радиоэлектронных средств на виброизоляторах стратегических объектов АСОНИКА-В.

Ключевые слова

Радиоэлектронное средство, виброизоляторы, механические воздействия.

С помощью Автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА осуществляется автоматизированное проектирование и комплексное компьютерное моделирование высоконадежных радиоэлектронных средств на виброизоляторах стратегических объектов (РЭС ВСО) в соответствии с требованиями CALS-технологий на этапах проектирование-производство-эксплуатация [1 -4]. Предлагаемая технология предназначена для применения в процессе проектирования РЭС ВСО и замены испытаний компьютерным моделированием на ранних этапах проектирования, что позволяет значительно сократить количество испытаний и возможных итераций при проектировании РЭС ВСО.

Система АСОНИКА предназначена для решения четырех основных проблем, существующих при разработке современных РЭС ВСО:

- предотвращение возможных отказов при эксплуатации на ранних этапах проектирования за счет комплексного моделирования разнородных физических процессов;

- обеспечение безопасности человека при полетах на самолетах (предотвращения авиакатастроф) за счет комплексного автоматизированного анализа системы управления самолетом на основе созданной электронной модели при всех видах внешних дестабилизирующих факторах, в том числе в критических режимах;

- сокращение сроков и затрат на проектирование за счет доступности разработчику аппаратуры предлагаемых программных средств и адекватности результатов моделирования;