СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ И СИСТЕМ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD OF DYNAMIC TESTING OF STRUCTURES AND SYSTEMS ON MECHANICAL AND ELECTRONIC EFFECTS

1. Область техники
Изобретение относится к области динамических испытаний и может быть использовано при испытаниях механических конструкций различного назначения и электронного оборудования на динамические, механические и электронные воздействия.
2. Предшествующий уровень техники
Различные способы испытаний крупномасштабных конструкций (самолетов, зданий и т.д.), обычных конструкций, а также электронных и механических систем на динамические воздействия широко известны и изложены, в том числе, в следующих работах:
1. Испытательная техника. Справочник в 2-х т. / Под ред. Клюева В.В., т.2. М.: Машиностроение, 1982, стр.8, 287-289, 334-337, 422-425.
2. Р.Л. Бисплингхофф и др. Аэроупругость. - М.: Изд. иностр.лит., 1958, с.675.
3. Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. - М.: Энергия, 1980, стр.179.
4. Назин В.В. "Новейшие сейсмостойкие конструкции и железобетонные механизмы сейсмоизоляции зданий и сооружений" - М.: Стройиздат, 1993, с.95-96, рис.23).
Известные способы динамических испытаний конструкций направлены на поиск и реализацию разнообразных воздействий на объект испытаний, включающих в себя возбуждение колебаний в испытуемой конструкции на одной или нескольких собственных (резонансных) частотах, воздействие вибрационными, ударными и гармоническими нагрузками, широкополосной вибрацией и поиску на объекте точек установки измерительной аппаратуры. При этом в ряде случаев предварительно проводится получение и исследование амплитудно-частотной характеристики объекта с целью определения его собственных (резонансных) частот.
Из уровня техники известны технические решения, направленные на реализацию задачи динамических испытаний конструкций и систем.
В изобретении «Способ динамических испытаний зданий и сооружений» (патент RU 2011174) предлагается возбуждение колебаний испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов, которые создаются реактивной силой, по крайней мере, одного устанавливаемого на конструкции импульсного возбудителя, а измерение возбуждаемых колебаний производится с помощью установленных на испытуемом объекте датчиков.
К недостаткам данного способа испытаний следует отнести то, что используемое в процессе испытаний воздействие, включающее только собственные (резонансные) частоты объекта, не отражают полностью все особенности его амплитудно-частотной характеристики, а следовательно, не являются в полной степени адекватным.
В изобретении «Способ динамических испытаний крупномасштабных конструкций» (патент RU 2104508) утверждается, что в указанном предыдущем способе испытаний (патент RU 2011174) практически невозможно получить точно параметры собственного тона колебаний исследуемой конструкции. С высокой степенью вероятности можно пропустить собственный тон колебаний по той причине, что частоты конструкции ниже частоты возбуждения практически не возбуждаются, и поэтому практически невозможно таким способом определить точно фактические значения периодов собственных колебаний объекта.
Величина усилия воздействия в каждом месте приложения задается независимо от формы возбуждаемого тона собственных колебаний вследствие нестационарного испытательного воздействия, искажающего колебания испытуемой конструкции на собственной частоте.
Поэтому основной технической задачей, решаемой в изобретении «Способ динамических испытаний крупномасштабных конструкций» (патент RU 2104508), является точное выделение собственного тона колебаний испытуемой конструкции путем воздействия последовательностью ударных импульсов в точках расположения пучностей колебаний возбуждаемого тона и автоматического поддержания условий фазового резонанса при постоянном уровне колебаний.
К недостаткам данного способа испытаний следует отнести то, что, улучшая характер испытательного воздействия на объект, этот способ не решает задачу адекватности этого воздействия характеристикам объекта. Этот недостаток аналогичен недостатку предыдущего способа динамических испытаний зданий и сооружений.
В изобретении «Способ динамических испытаний зданий и сооружений и устройство для его осуществления» (патент РФ №2141635) возбуждение колебаний испытуемого объекта осуществляется так же, как и в предыдущих способах, на собственных частотах. Возбуждение колебаний объекта реализуется воздействием на него последовательностью ударных импульсов, а отклики объекта на эти импульсы суммируют по амплитуде. Динамические характеристики испытуемого объекта определяют по измеренным параметрам суммарных колебаний. Отличие от предыдущих способов состоит лишь в методике измерений динамических характеристик объекта. Поэтому все отмеченные выше недостатки также относятся к этому способу.
Изобретение «Способ испытаний оборудования на механические воздействия» (патент RU 2399032), взятый в качестве прототипа, является наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности.
Этот способ заключается в нагружении испытуемого объекта заданными случайными широкополосными вибрационными и ударными и гармоническими нагрузками. Вибрационные испытания проводят по методу качающейся частоты, когда частоту вибрации плавно изменяют в заданном диапазоне частот от нижней границы частоты к верхней и обратно при постоянстве заданных параметров вибрации в течение определенного времени, или испытания по методу случайной широкополосной вибрации, когда одновременно возбуждают все резонансные частоты объекта. Физическим параметром воздействия принята спектральная плотность мощности виброускорений. Ударные испытания проводят по методу ударных спектров ускорений, когда не важен вид воздействия, а важна реакция на это воздействие. При этом динамические испытания проводят в комбинированном режиме. Во-первых, определяют резонансные частоты объекта испытаний во всем нормируемом частотном диапазоне и устанавливают частотные диапазоны, в которых проводят замену случайной широкополосной вибрации эквивалентной ей гармонической вибрацией и в процессе испытаний проводят соответствующие измерения. Сравнение полученных значений динамических деформаций и перемещений с нормативными значениями позволяет проверить условия эксплуатации.
Этот способ отличается от предыдущих тем, что авторы его расширяют частотный диапазон спектра воздействия, что является безусловным достоинством данного способа испытаний. Однако следует указать и на его недостатки.
Недостатком этого способа испытаний является то, что одна или несколько собственных и резонансных частот, на которых проводятся испытания, не отражают всех особенностей амплитудно-частотной характеристики конструкции или системы как объекта испытаний. Даже при охвате всего диапазона частот амплитудно-частотной характеристики объекта вышеуказанным испытательным сигналом вида случайной широкополосной вибрации не достигается полного согласования комплексного спектра испытательного сигнала с параметрами комплексного коэффициента передачи конструкции. Это происходит вследствие того, что поскольку широкополосные вибрационные и ударные нагрузки, используемые в известном способе-прототипе испытаний, представляют собой случайные процессы, то как амплитуды, так и фазы составляющих спектра воздействия никак не коррелированны с соответствующими амплитудами и фазами составляющих амплитудно-частотной характеристики испытуемого объекта.
Причины указанного несоответствия можно конкретизировать так:
1. Если существуют определенные соотношения в интенсивности между частотными составляющими амплитудно-частотной характеристики объекта, требующие согласованных соотношений от частотных составляющих спектра воздействия для получения максимального результата, то случайный характер интенсивности частотных составляющих спектра воздействия не будет соответствовать этим требованиям вообще и если будет, то с весьма малой долей вероятности, определяемой самой случайностью испытательного процесса.
2. Если существуют определенные фазовые соотношения между частотными составляющими фазочастотной характеристики объекта, требующие согласованных с ними соответствующих фазовых соотношений между частотными составляющими спектра воздействия для получения максимального отклика объекта испытаний на воздействие, то характер фазовых соотношений между частотными составляющими спектра воздействия не будет соответствовать этим требованиям вообще и если будет, то с весьма малой долей вероятности, определяемой характером процесса воздействия, носящим случайный характер.
Вследствие этих причин несогласованности параметров воздействия с параметрами объекта испытаний все испытательные сигналы рассмотренных выше способов-аналогов и способа-прототипа не могут обеспечить соответствующий отклик объекта, который позволил бы обнаружить в процессе испытаний наиболее опасные отклонения параметров конструкции. Эти отклонения параметров могут быть выявлены только при согласовании упомянутых выше параметров испытательного сигнала с параметрами объекта испытаний.
Представленное в перечисленных выше аналогах и прототипе разнообразие способов испытаний конструкций с помощью различных испытательных сигналов свидетельствует о поиске наиболее эффективного способа воздействия на конструкцию или систему с целью получения такого результата испытаний, который должен дать наилучший ответ на вопрос о состоянии объекта с точки зрения его надежности в процессе эксплуатации. При этом во всех предлагаемых способах воздействия на объект варьируется характер сигналов, затрагивающих в различной степени частотный диапазон его амплитудно-частотной характеристики.
При этом не ставится и не решается задача определения оптимального критерия, в соответствии с которым может формироваться входной испытательный сигнал, обеспечивающий решение поставленной задачи получения наиболее эффективного отклика или реакции объекта или системы, которые могли бы обеспечить возможность обнаружения нежелательных отклонений параметров объекта. При этом предполагается равенство величин энергии сигналов в предлагаемом способе и известных способах-аналогах и прототипе.
3. Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является получение способа формирования испытательного сигнала, характеристики которого будут максимально согласованы с характеристиками объекта испытаний. Это позволит обеспечить возможность обнаружения в процессе испытаний таких опасных отклонений параметров конструкции, которые не могут быть обнаружены известными способами испытаний, использующих случайные широкополосные вибрации и сосредоточенные резонансные воздействия.
Технический результат заключается в получении упомянутого способа формирования испытательного сигнала, характеристики которого максимально согласованы с характеристиками объекта испытаний. За счет этого при равенстве величин энергий испытательного сигнала в предлагаемом и известных способах величина отклика объекта на испытательный сигнал, сформированный предлагаемым способом, увеличивается в (1,5-2,3) раза. счет Это предоставляет возможность обнаружения опасных отклонений параметров объекта испытаний.
Поставленная задача решается с помощью доказательства существования способа получения такого испытательного сигнала, характеристики которого наилучшим образом согласованы с характеристиками объекта испытаний с точки зрения вышеуказанного технического результата.
Система или конструкция может иметь самую различную физическую природу, но главным здесь является смысл ее поведения, как объективно наблюдаемой системы с точки зрения ее реакций на разнообразные внешние воздействия (стимулы). Модель такой динамической системы имеет вид
где t - время (действительное число), а входной сигнал u: t→U, представлен в виде U - множеством своих значений.
x
1
1
2
2
Функция F означает семейство функций, преобразующих отрезок входного сигнала u(τ)=u(τ<t) в значение выходного сигнала u(t), представленного как u(t)∈Y для каждого выбранного начального состояния системы.
1
2
Для линейной системы оператором перехода от функции внешнего воздействия u(t) к функции-«отклику», т.е. выходному значению u(t) служит оператор в виде интеграла свертки для нулевого начального состояния вида
где G(t,τ) - это ядро этого оператора.
Это ядро оператора называется функцией Грина для системы с распределенными параметрами, которая определяет свойства системы, а также величину и характер ее реакций на внешние воздействия.
Если оператор трансляционно инвариантен, то есть если соответствующее уравнение системы имеет постоянные коэффициенты по отношению к t, то функция Грина может быть выбрана в виде конволюционного оператора вида
В таком случае она совпадает с импульсной характеристикой линейной стационарной системы, а оператор имеет вид интеграла Дюамеля или интегралом свертки вида
Нас будет интересовать исследование особого поведения системы, которое принято называть резонансом. Мы будем рассматривать это поведение в расширенном понимании, допустив, что входные сигналы образуют нормированное пространство.
В нормированном функциональном пространстве входные сигналы таковы, что на отрезке (0,Т) уровень выходного сигнала, имеющий значение неотрицательного числа L, имеет вид
0
Если найдется такая точка u в функциональном пространстве входных сигналов, для которой справедливо соотношение вида
0
означающее, что в функциональном пространстве входных сигналов существует некоторый сигнал u, для которого имеет место максимальный уровень (норма) выходного сигнала по сравнению со всеми другими сигналами, то в системе (1) имеет место резонанс.
Такой резонанс, в частности, наблюдается в согласованном фильтре
[Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. Москва, «Советское радио» 1972 г.].
В этом случае можно говорить о резонансе формы, который имеет максимум на передаточной характеристике, как скалярной функции, определенной на функциональном пространстве входных сигналов.
Итак, мы установили, что в любой пассивной линейной системе может иметь место резонанс формы, а значит, и максимально возможный отклик на определенное воздействие. Осталось только определить характер этого определенного воздействия, обратившись вновь к интегралу Дюамеля
δ
где h(t) - импульсная характеристика системы.
1
2
Характеристики системы можно определить так, чтобы при t=T, т.е. в момент окончания действия испытательного сигнала u(t) на выходе системы, величина |u(t)| достигала максимального значения, т.е.
При этом амплитуда сигнала на выходе системы будет максимально возможной.
Не нарушая общности, для реакции системы на воздействие можно записать выражение интеграла Дюамеля в виде
после чего можно воспользоваться неравенством Коши-Буняковского:
Левая часть этого выражения достигает максимума, и неравенство обращается в равенство, если выполняется условие
где k - коэффициент пропорциональности.
Полагая в этом выражении для импульсной характеристики t=T-τ, получаем выражение, связывающее испытательный сигнал с импульсной характеристикой конструкции или системы. При этом сигнал оказывается согласованным с импульсной характеристикой системы и имеет вид
Это означает, что если сформировать испытательный сигнал, соответствующий по форме зеркально отображенной и сдвинутой на величину T импульсной характеристике системы, то реакция системы в момент T только на такой сигнал будет максимально возможной по сравнению с любым из других возможных испытательных сигналов. Такой сигнал для испытаний конструкций и систем может обеспечить возможность обнаружения в процессе испытаний таких опасных отклонений параметров конструкции, которые не могут быть обнаружены известными способами испытаний.
1
1
При этом комплексная частотная характеристика испытуемой конструкции или системы может быть выражена через спектральную плотность U(ω) согласованного с ней испытательного сигнала u(t):
Полученное выражение свидетельствует о том, что комплексная частотная характеристика испытуемой конструкции пропорциональна сопряженной комплексной спектральной плотности.
Тогда выражение для реакции конструкции через спектральную плотность испытательного воздействия будет иметь вид:
1
1
i
i
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Из последнего выражения следует, что реакция системы на испытательное воздействие определяется только модулем U(ω) спектральной плотности
испытательного воздействия u(t) и не зависит от его фазо-частотного спектра φ(ω). Это является следствием того, что взаимные фазовые сдвиги спектральных составляющих согласованного с системой воздействия, определяемые функцией φ(ω), будут компенсироваться фазо-частотной характеристикой испытуемой системы или конструкции. Поэтому все эти спектральные составляющие реакции системы будут достигать амплитудных значений в момент времени t=T и, складываясь, определять пик этой реакции, т.е.
1
где E - энергия входного воздействия.
1
Если согласованное с конструкцией или системой воздействие u(t) действует на ее входе, то выражение для реакции конструкции будет иметь вид:
С учетом полученного ранее условия максимума скалярного произведения, имеющего вид
из которого следует, что сигнал, обеспечивающий выполнение этого условия в момент T, оказывается согласованным с импульсной характеристикой системы, можно заключить, что процедура получения максимальной реакции испытуемой системы на согласованный с ней сигнал есть операция вычисления их взаимно корреляционной функции, величина которой при их равенстве максимальна. Очевидно, что любой максимум реакции объекта на воздействие, не согласованное с параметрами системы, будет меньше упомянутого максимума, связанного с согласованным воздействием.
Физически это означает, что частотная структура согласованного сигнала обогащена более полно частотными свойствами системы в целом, а не только одной или несколькими частотными доминирующими составляющими ее амплитудно-частотной характеристики, как это предлагается известными способами испытаний. При этом мощность испытательного сигнала распределяется по всему спектру АЧХ конструкции, а его фазовая структура обеспечивает синфазное сложение всех гармонических составляющих в момент t=T. Таким свойством не обладает ни один из испытательных сигналов, не согласованных с объектом испытаний, в том числе и сигналов, упомянутых в способах-аналогах и способе-прототипе. Поэтому реализуемый в предлагаемом способе максимум реакции объекта на предлагаемый испытательный сигнал более информативен в смысле воздействия и способен выявить неожиданности в поведении системы или конструкции.
4. Сущность изобретения заключается в том, что из всех возможных видов испытательных сигналов с равными энергиями и ограниченных во времени, только согласованное с испытуемой системой воздействие, имеющее вид зеркального отображения импульсной характеристики системы, сможет обеспечить соответствующую реакцию объекта испытаний. А это означает возможность получения наилучшего результата испытаний в смысле выявления таких опасных отклонений параметров конструкции, которые не могут быть выявлены с помощью известных способов испытаний.
5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в том, что преобразования, которые осуществляются над сигналами в процессе получения испытательного воздействия, могут быть реализованы стандартными аналоговыми и цифровыми устройствами, функциональные характеристики которых следуют очевидным образом из описания и сущности изобретения.
6. Описание чертежей изобретения к патенту
На фиг.1 и фиг.2 представлена совокупность функциональных блоков, реализующих в конечном итоге испытательный сигнал, отражающий сущность изобретения.
Представленная на фиг.1 совокупность функциональных блоков включает в себя блок 1 - ударное устройство, создающее ударный импульс произвольной величины, воздействующий физически на объект испытаний (блок 2). Реакция объекта испытаний на ударный импульс в точке наблюдения (импульсная характеристика) поступает на преобразователь механических колебаний в электрический аналоговый сигнал (блок 3), с выхода которого аналоговый сигнал поступает на блок 4 - АЦП (аналого-цифровой преобразователь), преобразующий аналоговый сигнал в последовательность цифровых отсчетов, которая ограничивается во времени в блоке 5 интервалом Т, в котором заключается основная энергия испытательного сигнала. Полученная последовательность цифровых отсчетов поступает в блок 6 - цифровой инвертор, в котором путем перестановки цифровых отсчетов формируется зеркальная по отношению к исходной последовательность цифровых отсчетов, которая поступает на вход блока 7 - ЦАП (цифро-аналогового преобразователя), формирующего аналоговый испытательный сигнал.
В дальнейшем этот испытательный сигнал может быть использован как в однократном режиме воздействия на объект испытаний, так и в многократном (периодическом) воздействии, процедура формирования которого представлена на фиг.2.
В этом случае сигнал с выхода блока 7 (фиг.1) подается на вход блока 1 - сумматора (фиг.2), выход которого через блок 2 (линия задержки на время 2Т) соединен с тем же блоком 1, с выхода которого периодическая последовательность испытательных сигналов подается на блок 3 усилителя мощности, с выхода которого периодический испытательный сигнал поступает на исполнительный механизм блока 4, преобразующий электрический испытательный сигнал в механическое воздействие, приложенное к объекту испытаний блока 5, а реакция объекта испытаний поступает на вход блока 6 измерительной системы для оценки.
В случае проведения однократного испытания сигнал с выхода блока 7 (фиг.1) подается на вход блока 3 (фиг.2).