СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, В ЧАСТНОСТИ СОТОВЫХ ПАНЕЛЕЙ, НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD FOR TESTING OF SPACECRAFT STRUCTURAL ELEMENTS, IN PARTICULAR HONEYCOMB PANELS, BY MECHANICAL ACTIONS

В процессе разработки и изготовления различные элементы конструкции космического аппарата (КА) проходят испытания на механические воздействия. Наиболее распространенной процедурой приемных испытаний являются вибрационные испытания на режимах, регламентируемых различной нормативной документацией. Для проведения вибрационных испытаний существует несколько общепринятых методов: испытания на фиксированных частотах, испытания методом плавного изменения частоты и испытания на широкополосную случайную вибрацию (Испытательная техника. Справочник в 2-х т. / Под ред. Клюева В.В., т.2. М.: Машиностроение, 1982, стр.286-289) - прототип.
К недостаткам проведения приемных испытаний сотовых панелей на вибрационные воздействия можно отнести следующие. Т.к. сотовые панели наиболее чувствительны к акустическим воздействиям, то для проведения приемных испытаний сотовых панелей наиболее эффективным методом являются акустические, а не вибрационные испытания. Следует также отметить, что с увеличением размеров сотовых панелей резко увеличиваются габариты и масса оснастки для проведения вибрационных испытаний. В результате требуется все более мощное испытательное оборудование, стоимость которого может достигать десятков миллионов рублей. Кроме того, вибрационное нагружение воздействует на сотовую панель через локальные точки крепления к оснастке, а акустическое нагружение обеспечивает равномерное воздействие по всей панели.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более качественно проводить испытания сотовых панелей. Решение этой задачи достигается тем, что испытания сотовых панелей проводят в реверберационной акустической камере созданием диффузного поля, параметры акустического давления которого задаются из условия равенства напряжений и ускорений в контрольных точках сотовой панели при вибрационных и акустических испытаниях, причем определение параметров акустического давления проводится в несколько этапов: сначала при проведении вибрационных испытаний регистрируют ускорения и деформации в заранее определенных контрольных точках, затем разрабатывают математические модели сотовой панели и акустической камеры, после чего расчетным путем определяют верхние и нижние границы значений акустического давления, при котором отличия напряжений и ускорений в контрольных точках сотовой панели при акустическом и вибрационном нагружении не превышают заранее заданной погрешности, при этом сравнение напряжений и ускорений, полученных при акустических расчетах и вибрационных испытаниях, проводят по формуле
где δ - заранее заданная погрешность;
Δ - различие между расчетными и экспериментальными значениями;
ω - круговая частота;
- экспериментальные значения напряжений в i контрольной точке в η частотном диапазоне;
- расчетные значения напряжений в i контрольной точке при j расчетном случае в η частотном диапазоне;
- норма по напряжениям;
N - количество контрольных точек по напряжениям;
i - номер контрольной точки по напряжениям;
j - номер расчетного случая;
Т - количество частотных диапазонов по напряжениям;
η - номер частотных диапазонов по напряжениям;
ijη
Θ - весовой коэффициент по напряжениям;
- значения ускорений в i контрольной точке при вибрационных испытаниях;
- расчетные значения ускорений в i контрольной точке при j расчетном случае;
- норма по ускорению;
М - количество контрольных точек по ускорению;
k - номер контрольной точки по ускорению;
ζ - номер частотных диапазонов по ускорениям;
Н - количество частотных диапазонов по ускорениям;
kjζ
Y - весовой коэффициент по ускорениям,
после чего полученный поддиапазон дополнительно разделяют на подуровни, отличающиеся не менее чем на погрешность задания режима акустического нагружения, и формируют режимы акустических испытаний для последующих этапов испытаний, затем проводят акустическое нагружение на сформированных режимах испытаний, причем после каждого этапа делают сравнение напряжений и ускорений, полученных при акустических и вибрационных испытаниях по формуле
где δ - заранее заданная погрешность;
Δ - различие между экспериментальными значениями при вибрационном и акустическом нагружении;
ω - круговая частота;
- экспериментальные значения напряжений в i контрольной точке при вибрационных испытаниях в η частотном диапазоне;
- экспериментальные значения напряжений в i контрольной точке при l акустических испытаниях в η частотном диапазоне;
- норма по напряжениям;
N - количество контрольных точек по напряжениям;
i - номер контрольной точки по напряжениям;
l - номер этапа акустических испытаний;
ilη
Θ - весовой коэффициент по напряжениям;
- значения ускорений в i контрольной точке при вибрационных испытаниях в ζ частотном диапазоне;
- значения ускорений в i контрольной точке при l акустических испытаниях в ζ частотном диапазоне;
- норма по ускорению;
М - количество контрольных точек по ускорению;
k - номер контрольной точки по ускорению;
η - номер частотных диапазонов по напряжениям;
Т - количество частотных диапазонов по напряжениям;
ζ - номер частотных диапазонов по ускорениям;
Н - количество частотных диапазонов по ускорениям;
klζ
Y - весовой коэффициент по ускорениям,
и при обеспечении заранее заданной погрешности испытания заканчивают, а сформированный режим испытаний используют в дальнейшем для проведения приемных испытаний сотовых панелей.
Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом. В процессе изготовления сотовые панели, которые в настоящее время являются основой конструктивно-силовой схемы КА, проходят приемные испытания для выявления возможного брака. Для выявления дефектов изготовления сначала проводят механическое нагружение сотовой панели, а затем с помощью методов дефектоскопии определяют наличие дефектов. Наиболее распространенным методом механического нагружения являются вибрационные испытания. В процессе такого нагружения в сотовой панели создают механические напряжения, которые могут привести к разрушению клея, сотов и т.д. Необходимые величины ускорений (и, как следствие, соответствующие напряжения) задают в нормативной документации. Отсюда возникает задача: создать равномерное поле давлений по всей сотовой панели, причем механические напряжения в панели должны быть близкими к напряжениям, возникающим при вибрационном нагружении.
При проведении вибрационных испытаний проводят измерение ускорений и деформаций в заранее заданных контрольных точках. Причем эти контрольные точки по ускорениям и напряжениям могут не совпадать (индексы i и k в формулах * и **): на подкрепленных панелях, например, датчики ускорений устанавливают на подкрепляющих ребрах, а тензодатчики на пластины. Затем разрабатывают математические модели камеры и сотовой панели для численного моделирования. Этот этап необходим, чтобы получить оценку возможной области формирования спектров акустического давления, которое будет задаваться в акустической камере при испытаниях. На сегодняшний день наиболее корректные результаты дают методы конечно-элементного моделирования. Но ни один из существующих методов расчетов не может дать точную оценку деформаций сотовой панели, т.к. приходится решать сложную сопряженную задачу (учет акустической среды и самой панели). Поэтому расчет ведут по двум предельным случаям: без демпфирования и с максимально возможным демпфированием. Кроме того, и сами расчетные схемы разрабатывают так, чтобы в одном случае получить оценку "снизу", а в другом "сверху". Далее необходимый режим испытаний ищут уже экспериментальным путем, причем полученный амплитудный диапазон разбивают на подуровни, которые отличаются друг от друга на величину, большую экспериментальной погрешности (в противном случае эти испытания трудно разделить). Для того чтобы сравнение всех этапов расчетов и экспериментов было корректным, сравнение проводят по одним и тем же контрольным точкам. И такое сравнение позволяют выполнять формулы (*) и (**). Отличия расчетных и экспериментальных значений при акустическом нагружении с экспериментальными данными по вибрационному нагружению оценивают в одних и тех же частотных диапазонах  для напряжений и  для ускорений и практически по одинаковым формулам (*) и (**). Сами формулы представляют собой вариант среднеквадратической оценки (подкоренные выражения) погрешности. Деление на норму максимальных значений ускорений и напряжений в покоренных выражениях позволяет складывать разные погрешности и получить среднеарифметическое значение среднеквадратической оценки погрешностей. Весовые коэффициенты Y и Θ позволяют учитывать некоторую априорную информацию об объекте испытаний и методе нагружения, что дает возможность варьировать значениями погрешностей (например, при обеспечении более равномерного нагружения сотовой панели при акустических испытаниях по сравнению с вибрационными испытаниями уменьшить получаемую погрешность). Необходимость проведения акустических испытаний в реверберационных камерах объясняется тем, что создание диффузного поля (однородного и изотропного), для которого только и возможна расчетная оценка акустического нагружения, возможно лишь в таких камерах.
Таким образом, сформированные режимы акустических испытаний при обеспечении требований формулы (**) создают в сотовой панели напряжения, близкие к максимальным значениям при вибрационных испытаниях.
Пример практического исполнения
В НПО ПМ в связи с переходом на изготовление сотовых панелей большого размера возникла необходимость изменения процедуры приемных испытаний. Замену вибрационных испытаний по методу качающейся частоты на акустические испытания проводили по рассмотренному выше алгоритму. На испытания поставлялась сотовая панель размером 1.8×2 м. Вибрационные испытания проводились на электродинамическом стенде ВЭДС1000, а акустические в реверберационной камере РК660. При испытаниях для регистрации напряжений (деформаций) использовались тензорезисторы КФ5, а для регистрации ускорений акселерометры БиК4374. Количество контрольных точек по деформациям - 16, а по ускорениям - 10. Для численного моделирования использовались пакеты с алгоритмами прямого интегрирования волновых уравнений как для конструкции, так и для акустической среды. Конечно-элементная модель (КЭМ) акустической камеры состояла из 42390 элементов (включая 3080 демпфирующих элементов) и 7992 узлов. КЭМ сотовой панели состояла из 436 узлов и элементов. Частотный диапазон, в котором проводилась замена вибрационного нагружения акустическими воздействиями, составлял 2 кГц. Удалось сформировать акустический режим, обеспечивший совпадения напряжений в пределах 20% в центральной части панели и на уровне 30-35% по краям.
Режимы приемных испытаний на вибрационные испытания по методу качающейся частоты показаны на фиг.1, а сформированные по рассмотренному выше алгоритму режимы акустических испытаний показаны на фиг.2.
Сформированные режимы были приняты в качестве приемных для испытаний сотовых панелей больших размеров.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.