СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ УСЛОВИЙ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЛИ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЯХ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD OF RECORDING PARAMETERS OF LOADING CONDITIONS DURING OPERATION OR RESOURCE TESTS OF MECHANICAL STRUCTURES

Изобретение относится к области мониторинга нагруженности механических конструкций при их эксплуатации или проведении сертификационных ресурсных испытаний.
Для проведения указанного мониторинга нагрузки, воздействующие на исследуемый объект в течение характерного промежутка времени и изменяющиеся по случайному закону, схематизируют с целью определения весовых вкладов разных уровней нагруженности конструкции в суммарный расход прочностного ресурса.
Существуют разные методы схематизации (см. ГОСТ 25.101-83). Есть однопараметрические и двухпараметрические методы схематизации.
К однопараметрическим методам относятся: метод экстремумов, метод максимумов, метод минимумов, метод размахов.
К двухпараметрическим методам относятся: двухпараметрический метод размахов, метод полных циклов и метод «дождя».
Критерием применимости того или иного метода схематизации является коэффициент нерегулярности процесса нагружения
,
0
где n - число пересечений процессом уровня средней нагрузки;
э
n - число экстремумов того же процесса.
Согласно ГОСТ 25.101-83 область применения методов схематизации приведена в таблице 1.
Каждый метод схематизации предполагает построение соответствующей ему корреляционной таблицы. Данные о параметрах нагружения, измеренные по однопараметрическим методам, записывают в одномерные таблицы (столбцы). Данные, полученные по двухпараметрическим методам, записывают в двухмерные таблицы, содержащие столбцы и строчки. В общем случае для регистрации параметров условий нагружения в зависимости от числа условий могут составляться n-мерные таблицы.
Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что за исключением метода полных циклов и метода «дождя» область применения остальных методов ограничена.
В качестве прототипа предлагаемого способа регистрации параметров условий нагружения при эксплуатации или ресурсных испытаниях механических конструкций выберем способ регистрации, основанный на методе «дождя».
При схематизации по методу «дождя» измеряют параметры условий нагружения и заполняют заранее составленную двухпараметрическую корреляционную таблицу, состоящую из пустых ячеек, центры которых определяют величины максимума и размаха полуциклов, а границы задают допуски на идентичность. В дальнейшем величины максимума и размаха полуциклов будут называться параметрами условий нагружения.
По мере определения параметров условий нагружения их сравнивают с параметрами ячеек таблицы и записывают в ту ячейку, с которой произошло совпадение, и фиксируют число параметров условий нагружения, попавших в конкретную ячейку, непрерывно измеряют параметры условий нагружения в процессе эксплуатации или испытаний, проводят выборку характерного периода эксплуатации или испытаний исследуемой конструкции, разбивают диапазон изменения нагрузок в указанный период на классы, соседние экстремумы нагрузок, образующие размах меньше ширины класса, не подсчитывают, далее выполняют дискретизацию процесса нагружения по методу случайных ординат, проводят схематизацию характерного периода эксплуатации или испытаний исследуемой конструкции, в соответствии с которой в ячейки предварительно подготовленной по определенной форме корреляционной таблицы записывают число идентичных параметров условий нагружения, вошедших в границы конкретной ячейки.
Известный способ табличной регистрации параметров условий нагружения обладает рядом недостатков. Для регистрации указанных выше параметров во избежание потери информации таблицу создают заранее, и она получается избыточной, что ведет к серьезным ограничениям по количеству регистрируемых параметров и дискретности в таблице, а также требует большого количества времени и вычислительных ресурсов (памяти). Кроме того, не происходит фактического осреднения параметров условий нагружения, попавших в одну ячейку, а в качестве среднего назначаются параметры центральной точки ячейки, что приводит к погрешности в определении средней величины указанных выше параметров, а следовательно, к уменьшению точности вычисления нагруженности конструкции и расхода запаса ее прочности.
Для примера возьмем формирование корреляционной таблицы для определения расхода ресурса по методу «дождя» при нагружении по квазислучайной программе TWIST крыла транспортного самолета, которую широко используют во всем мире для проведения испытаний с целью исследования закономерностей усталостного разрушения элементов конструкций в условиях нагружения, типичных для эксплуатации пассажирских и транспортных самолетов.
2
2
2
2
Зададимся следующими пределами измерения параметров нагружения. Изменение максимальных напряжений лежит в диапазоне от 12,22 кг/мм до 26,0 кг/мм, размах (размах равен удвоенной амплитуде) - в диапазоне от 4,44 кг/мм до 31,0 кг/мм.
2
Для априорного формирования обычной двухпараметрической таблицы по ГОСТ в указанных пределах изменения параметров с дискретностью 0,01 кг/мм потребуется [(26,0-12,22)/0,01+1]·[(31,0-4,44)0,01+1]=3662624 ячейки, из которых в силу повторяемости параметров нагруженности будет заполнена только 61 ячейка, причем в каждую из них будет занесена цифра, определяющая число идентичных параметров квазислучайной программы нагружения TWIST.
Техническим результатом предлагаемого способа является сокращение времени и вычислительных ресурсов, необходимых для определения нагруженности механических конструкций при эксплуатации или ресурсных испытаниях, а также повышение точности регистрации фактической нагруженности конструкции, что приводит к более точному учету степени расходования ресурса в зависимости от условий нагружения. Следует отметить, что число циклов до разрушения конструкции находится в степенной зависимости от эквивалентных механических напряжений в конструкции, возникающих в процессе циклического нагружения. Так как типичные значения показателя степени в этой зависимости для металлических конструкций лежат в диапазоне 4÷8, а для конструкций из полимерных композиционных материалов - в диапазоне 20÷40, то очевидно, что параметры циклических напряжений необходимо получать с высокой точностью.
Данный технический результат достигают тем, что согласно предлагаемому способу непрерывно измеряют параметры условий нагружения в процессе эксплуатации или испытаний, проводят выборку характерного периода эксплуатации или испытаний исследуемой конструкции, разбивают диапазон изменения нагрузок в указанный период на классы, соседние экстремумы нагрузок, образующие размах меньше ширины класса, пропускают, далее выполняют дискретизацию процесса нагружения по методу случайных ординат, схематизацию характерного периода эксплуатации или испытаний исследуемой конструкции проводят по одному из известных методов, в соответствии с которым заполняют ячейки корреляционной таблицы. При этом корреляционную таблицу составляют в режиме реального времени последовательно ячейка за ячейкой, для этого задают допуски на идентичность параметров условий нагружения, т.е. границы ячеек, первые измеренные параметры условий нагружения с учетом заданных границ записывают в качестве первой ячейки таблицы, величины следующих измеренных параметров условий нагружения сравнивают с величинами первых, определяют разности этих величин, если эти разности не выходят за допуски на идентичность, их суммируют и сумму запоминают, а число идентичных величин параметров условий нагружения, вошедших в ячейку, регистрируют, если разности выходят за допуски на идентичность, образуют новую ячейку таблицы, измеряют величины следующих параметров условий нагружения, сравнивают их с величинами предыдущих параметров и записывают в ту ячейку, с параметрами которой произошло первое совпадение с учетом установленных допусков на идентичность, если таковой ячейки не находят, то образуют новую ячейку, описанную процедуру повторяют до окончания измерений и записи всех величин параметров условий нагружения, для каждой ячейки, как и для первой, разности между первыми величинами параметров условий нагружения, образовавших эту ячейку, и параметрами последующих, входящих в нее, суммируют, а число идентичных параметров условий нагружения, вошедших в конкретную ячейку, запоминают, далее для каждого параметра условий нагружения каждой ячейки таблицы вычисляют среднее значение по формуле
jср
где X - средняя величина j параметра условий нагружения, вошедшего в конкретную ячейку корреляционной таблицы;
i - текущий номер идентичного параметра условий нагружения, вошедшего в конкретную ячейку корреляционной таблицы;
n - число идентичных параметров условий нагружения, вошедших в конкретную ячейку корреляционной таблицы.
По предлагаемому способу корреляционную таблицу, как указывалось выше, формируют в режиме реального времени, ячейка за ячейкой, и число ячеек не превосходит числа параметров условий нагружения разной идентичности. Такой подход позволяет создать оптимальную таблицу, экономит вычислительные ресурсы и время, а за счет фактического осреднения параметров идентичных параметров условия нагружения повышает точность определения фактической нагруженности конструкции.
Однако в каждую ячейку этой таблицы записывают несколько величин, а именно первые параметры условий нагружения, изначально определяющие координаты центра этой ячейки, суммы разностей между величинами первых параметров, образовавших ячейку, и величинами идентичных параметров, последовательно в режиме реального времени, входящих в ячейку, и число этих идентичных параметров. В рассматриваемом случае в ячейку войдут величины первых максимумов и размахов, суммы разностей между величинами первых максимумов и размахов и идентичными им параметрами, а также число идентичных максимумов и размахов, т.е. 5 величин.
Таким образом, по предлагаемому способу надо заполнить память размером 61×5=305 слоев. Т.е. экономия в объеме необходимой памяти по сравнению с известным способом составляет примерно 12000 раз, т.к. при известном способе таблица состояла из 3662624 ячеек.
Способ осуществляют следующим образом, выполняя ниже перечисленные операции:
1) непрерывно измеряют параметры условий нагружения при эксплуатации или испытаниях;
2) проводят выборку характерного периода эксплуатации или испытаний конструкции;
3) выполняют дискретизацию процесса нагружения по методу случайных ординат;
4) разбивают диапазон изменения нагрузок на классы;
5) колебание нагрузки внутри одного класса не учитывают;
6) задают границы ячеек таблицы;
7) проводят схематизацию характерного периода эксплуатации или испытаний, в соответствии с которой последовательно, ячейка за ячейкой строят корреляционную таблицу;
8) в качестве первой ячейки задают первые измеренные параметры условий нагружения;
9) если следующие параметры условий измерения не совпадают с первой ячейкой, образуют новую ячейку таблицы и т.д.;
10) совпадающие в пределах границ ячейки вновь измеренные параметры сравнивают с первыми, образовавшими ячейку, находят разности, эти разности суммируют и определяют среднее значение параметров этой ячейки.
Предложенный способ был опробован в ЦАГИ при определении мониторинга нагрузок, воздействующих на испытываемые изделия, результаты испытаний подтвердили вышеуказанные технические результаты.