Способ выделения ударных процессов из динамических нагрузок
METHOD FOR EXTRACTION OF IMPACT PROCESSES FROM DYNAMIC LOADS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения ударных нагрузок на летательных аппаратах (ЛА).
Наличие в измерительной информации при исследовании случайных вибраций на ЛА отдельных аномальных, физически необъяснимых уровней вибрации может приводить к результатам, которые совершенно не согласуются с остальными данными, получаемыми в процессе испытаний. Примеры зарегистрированных вибрационных процессов перед взлетом и после посадки ЛА представлены на фиг. 1 и 2. Однако физическое происхождение выбросов в этих процессах трудно объяснить. Возможны следующие варианты объяснений:
- сбой и погрешности в работе измерительной аппаратуры;
- появление кратковременных ударных процессов.
В борьбе с такими погрешностями измерений наиболее простой выход - это исключить резко выделяющиеся аномальные измерения из всего массива измерительной информации и, следовательно, из дальнейшей обработки.
Задачам отбраковки с подтверждением ее необходимости посвящено большое количество теоретических исследований (в частности, изложенных в теоретической литературе: Р. Шторм. Теория вероятностей, Математическая статистика. Статистический контроль качества, «Мир», Москва, 1970, гл. 13. Статистическая проверка гипотез, Гл. 14. Статистические оценки; Е.С. Вентцель. Теория вероятностей, «Наука», Москва, 1969 г., гл. 14 Обработка опытов, гл. 15. Основные понятия теории случайных функций; Дж. Бокс. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 1, «Мир», Москва, 1974 г.; Н.В. Смирнов, И.В. Дудин-Барковский, «Курс теории вероятностей и математической статистике», «Наука», Москва, 1969 г.; Орлов А.И., «Прикладная статистика», М., «Экзамен», 2004 г. и т.п.), которые базируются на проверке гипотез о принадлежности выбросов генеральной совокупности материалов измерений. Проверка гипотез при оценке резко выделяющихся членов выборки, представляющих собой материалы измерений, проводится по различным критериям (критерий Фишера, критерий типа r и т.п.).
Решение об отбраковке таких резко выделяющихся уровней измеренного процесса принимается с определенным уровнем значимости, который задается самим исследователем, т.е. субъективно. При этом необходимо обосновать выбор функции распределения, на анализе которой базируются все выводы о принадлежности ординат исследуемого процесса генеральной совокупности всех материалов измерений. Для выбора и получения функции распределения необходима выборка по материалам измерений объемом нескольких тысяч корректных отсчетов (без резко выделяющихся уровней).
Другим известным способом выделения экстремальных уровней в записанном сигнале от вибропреобразователя является способ вычисления среднего значения этого сигнала. Если рассчитанное значение, центрированное по среднему значению, в некоторый момент времени значительно отличается от 0, то это свидетельствует о наличии в этот момент сигнала большого уровня, не связанного с измеряемым процессом, например, наличие одиночного удара большого уровня.
Известен патент РФ №2644986 от 15.02.2018 г. «Способ измерения удара на конструкции крепления бортового оборудования летательного аппарата при наличии в измеряемом процессе вибрационных и ударных нагрузок», предусматривающий измерение суммарного вибрационного и ударного процессов в местах размещения бортового оборудования (БО) на концах крыла и концевых частях фюзеляжа ЛА с применением преобразователей, чувствительные элементы которых реагируют на ускорение, возникающее в месте крепления этих преобразователей, его запись на регистратор. Дополнительно вначале выполняют обработку суммарной измерительной информации с получением измеренного амплитудного спектра в заданном диапазоне от нижней частоты до верхней. По заданному требованием в техническом задании на разработку БО эталонному удару с длительностью и амплитудным спектром, описываемым известным аналитическим выражением, вычисляют частоту среза, за пределами которой амплитудный спектр равен 0. Затем в пределах диапазона в измеренном амплитудном спектре выделяют частоту с максимальным значением амплитудного спектра. Производят идентификацию частоты с расчетным значением частот. Для этой частоты вычисляют ординату амплитудного спектра эталонного удара по известному аналитическому выражению для этого спектра в относительных величинах, рассчитывают амплитуду ускорения измеренного удара, а затем расчетное значение амплитуды удара сравнивают с заданным значением амплитуды эталонного удара. При этом должно быть выполнено условие, что амплитуда эталонного удара должна быть больше амплитуды измеренного удара, а полученное рассогласование между экспериментальным и заданными величинами амплитуд сравнивают с допустимым значением.
Однако данный способ предусматривает сопоставление реальных измеренных процессов и эталонных ударов в частотной области, представленных в виде спектров, но реальному процессу не всегда может быть сопоставлен в частотной области определенный эталонный удар в виде аналитической зависимости с целью сравнения.
Известна работа «Validation of vibration signals for diagnostics of mining machinery» («Проверка вибрационных сигналов с целью диагностики шахтного оборудования»),  Kepski, Tomasz Barszcz, «Diagnostyka - Applied Structura 1 Health, Usage And Condition Monitoring)), 4(64)/2012, в которой предлагается использовать различные способы проверки сигнала вибрации шахтного оборудования, например, правило минимальной энергии, основанное на вычислении среднеквадратичного значения анализируемого сигнала и сравнении его с заданным пороговым значением; правило динамики диапазона амплитуд, предусматривающее задание правильного диапазона измерений, соответствующего конкретному типу анализируемой технической системы; правило n-точек, основанное на сравнении максимального количества последовательных выборок в сигнале с одинаковыми значениями амплитуды с пороговым значением; правило Z-точек, основанное на определении максимального количества последовательных отсчетов сигнала с одинаковыми знаками, что может быть индикатором насыщения датчика; правило u-точек, основанное на определении количества уникальных выборок в сигнале вибрации.
Однако данные методы сильно ориентированы на конкретный вид испытываемого на вибрацию оборудования.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении достоверности выделения ударных процессов из динамических нагрузок, измеренных в местах размещения бортового оборудования летательного аппарата, зарегистрированных во времени, и повышении точности определения параметров вибрационных нагрузок.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе выделения ударных процессов из динамических нагрузок, включающем измерение вибрационных нагрузок в местах размещения бортового оборудования летательного аппарата с помощью вибрационных преобразователей, запись измерительной информации на регистратор, зарегистрированную информацию воспроизводят в виде центрированных относительно математического ожидания ординат виброускорения с получением записи по времени этой измерительной информации в течение проведения измерений вибрационных нагрузок. Выявляют резко выделяющиеся уровни ординат виброускорения измеренных нагрузок, определяют временной интервал действия каждого выделяющегося уровня между точками пересечения выделенного импульса с временной осью записи, определяют скорость импульса в виде произведения численного значения ординаты резко выделяющегося уровня виброускорения импульса на величину временного интервала. Сравнивают полученное значение скорости импульса с предварительно определенным допустимым пределом величины скорости импульса удара для конструкции летательного аппарата и принимают решение о принадлежности к удару резко выделяющегося уровня измеренного процесса при условии, если скорость импульса меньше установленного предела, и об отбраковке выделяющегося уровня, если скорость импульса больше установленного предела. При этом допустимые пределы величины скорости импульса удара для конструкции летательного аппарата определяются, исходя из нормативных требований к нагрузке в узлах крепления аппаратуры к конструкции летательных аппаратов при испытании на ударные воздействия и характеристик эталонных ударных воздействий.
Для оценки наличия одиночного удара в записи сигналов предлагается использовать следующие характеристики удара во временной области:
- функциональную зависимость ускорения удара от времени, т.е. j(t);
- длительность процесса от начала удара до момента его окончания τ;
- импульс ускорения как интегральное значение ускорения за время длительности τ.
0
τ
где v и v - соответственно начальная и конечная скорость в точке измерения процесса вибропреобразователем.
Данная интегральная характеристика представляет собой приращение скорости за время действия удара τ. Этим свойством предлагается воспользоваться для определения наличия удара в исследуемом процессе.
В качестве иллюстрирующих примеров рассмотрим стандартные формы удара - синусоидальную и прямоугольную, как наиболее важные с практической точки зрения. Выражение для формы удара в виде полуволны синусоиды имеет вид:
n
j - амплитуда ускорения удара,
Форма изменения скорости удара соответственно выражается формулой:
где 0<t<τ.
Максимальное значение скорости для ударного синусоидального импульса ускорения равно («Защита аппаратов от динамических воздействий», М., «Энергия», 1970 г.):
Выражение для формы удара прямоугольной формы имеет вид:
n
j(t)=j;
где
Форма изменения скорости удара:
n
ν(t)=jt, где 0<t<τ.
Максимальное значение скорости удара для ударного прямоугольного импульса ускорения равно:
n
n
ν=jτ.
С целью определения допустимых пределов величины скорости импульса удара для конструкции летательного аппарата выполняют расчеты скорости параметров удара, установленных в нормативном документе «Квалификационные требования KT-160G/14G. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования. Требования, нормы и методы испытаний», АР МАК, 2015 г.:
испытание на «функционирование»:
n
амплитуда удара j=6g
длительность удара τ=20 мс
удар полусинусоидальной формы;
испытание на «безопасность разрушения»:
n
амплитуда удара j=20g
длительность удара τ=20 мс
удар прямоугольной формы.
В этом документе в разделе 7.0 «Ударные эксплуатационные нагрузки и безопасность разрушения» указано, что «на воздушном судне в условиях его эксплуатации механические нагрузки, отнесенные к ударным, не должны превышать величину 6g, на которую испытано оборудование на функционирование до установки на воздушное судно».
Испытания «на безопасность разрушения» имитируют по уровням ударного воздействия аварийную посадку и нормативные требования предъявляются к узлам крепления аппаратуры к конструкции воздушных судов.
Максимальная скорость удара при испытаниях на «функционирование»:
С учетом верхнего допуска, равного 15%, ν=0,9 м/с
Максимальная скорость удара при испытании на «безопасность разрушения»:
n
n
ν=j τ=20*9,8*0,02=3,92 м/с.
max
С учетом верхнего допуска, равного 15%, максимальная скорость удара будет составлять ν=4,5 м/с.
н
max.
Полученные значения ν выбирают в качестве признака для определения наличия однократных ударов в записях нагрузок от вибропреобразователей, установленных на воздушном судне в местах размещения бортового оборудования. При этом можно ввести коэффициент запаса К, принятый для авиационной техники, т.е. установленный предел принимается равным К*ν.
Предлагаемый способ поясняется следующими фигурами:
на фиг. 1 показаны записи вибрационных процессов с наложением одиночных ударов перед взлетом и после посадки;
на фиг. 2 показана запись виброударного процесса j(t);
на фиг. 3 представлена блок-схема выделения ударных процессов из динамических нагрузок, где:
1 - вибропреобразователь и регистратор;
2 - блок индентификации резко выделяющегося уровня виброускорений j(t) импульса виброускорений, записанного по времени;
3 - блок определения временного интервала действия уровней виброускорений между точками пересечения выделяющегося импульса с временной осью записи;
4 - блок определения величины скорости выделенного импульса;
н
max
5 - блок заданных характеристик одиночных ударов при испытании «на функционирование», «на безопасность разрушения» по приращению скорости удара ν, v в местах размещения бортового оборудования ЛА;
изм
max
max
изм
max
изм
6 - блок сравнения скорости выделяющегося импульса измеренных нагрузок ν с установленным допустимым пределом величины скорости импульса ν для конструкции самолета: ν > ν или ν < ν;
7 - блок принятия решения;
8 - блок исключения выделенного импульса из дальнейшей обработки.
Способ осуществляется следующим образом.
В условиях испытательного полета ЛА в местах размещения бортового оборудования на конструкции его крепления выполняют измерения динамических нагрузок с применением вибропреобразователей и их запись на регистратор (1). Измеренные виброускорения с выхода блока (1) передают на вход блока (2), где формируют функциональную зависимость центрированного относительно математического ожидания ускорения удара от времени j(t) и идентифицируют в этой зависимости резко выделяющийся уровень виброускорений импульса, который затем поступает на вход блока (3), фиксирующего временной интервал действия резко выделяющегося уровня виброускорения и длительность действия этого уровня τ между точками пересечения выделяющегося импульса с временной осью записи виброускорений. В блоке (4) определяется величина скорости этого выделенного импульса как произведение численного значения ординаты резко выделяющегося уровня виброускорения импульса на величину временного интервала τ.
max
max
изм
изм
max
изм
max
Предварительно определенный допустимый предел величины скорости импульса удара для конструкции летательного аппарата ν при испытании фиксируется в блоке (5) на основе заданных характеристик стандартных одиночных ударов при испытании «на функционирование», «на безопасность разрушения» по приращению скорости удара ν(t) в местах размещения бортового оборудования ЛА и передается в блок (6). В блоке (6) ν сравнивают с полученным значением скорости импульса ν, поступившим с выхода блока (4). Если в результате сравнения получено, что ν < ν, то в блоке (7) принимается решение о принадлежности к удару резко выделяющегося уровня измеренного процесса, этот уровень остается в записи измерений вибраций, и осуществляется переход на блок (2) с целью проведения дальнейшего анализа на наличие ударных процессов в измерительной информации. Если в результате сравнения получено, что ν > ν, то в блоке (7) принимается решение об исключении резко выделяющегося уровня из записи измерений, и это решение из блока (7) передается на блок (8) с целью отбраковки выделяющегося уровня, после чего осуществляется переход на блок (2) для проведения дальнейшего анализа.
Таким образом, признаком принадлежности резко выделяющихся уровней ординат измеренных нагрузок к удару является не математическая трактовка отношения таких уровней к генеральной совокупности, которой являются все ординаты нагрузок, а физическая величина скорости, вычисленная по данным этих выделяющихся уровней. При этом, если вычисленная скорость выше нормативного предела, полученного по допустимым для воздушных судов параметрам удара, то такие выделяющиеся уровни исключаются из дальнейшей обработки и считаются грубыми ошибками измерений, а если скорость ниже нормативного предела, то такие уровни считаются относящимися к ударам и подвергаются дальнейшей обработке.