Анализ программных средств для определения усталостной прочности материалов конструкции РЭС при воздействии внешних факторов

Конструкции контактных систем, а, следовательно, и токовыводов в приборах могут быть унифицированы, что в значительной мере компенсирует указанный недостаток. Кроме того, предложенное техническое решение розетки может быть базовым для розеток аналогичного назначения. Отработанная для одного прибора конструкция и технология изготовления упругих контактных элементов и выводов розетки может быть применена в розетках других типоразмеров с прогнозируемым положительным результатом.

Приведенный пример создания специальной розетки для подключения прибора к внешним электрическим цепям малогабаритного автономного объекта применения свидетельствует о необходимости комплексного подхода при создании аналогичного приборного обеспечения [1, 2]. Необходима тщательная конструкторская проработка, как самого прибора, так и способов его связи с внешними электрическими цепями. Соблюдение указанных рекомендаций позволит создавать надежное приборное обеспечение для разрабатываемых и перспективных автономных технических объектов ответственного назначения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Китаев В.Н., Китаева Е.Н. Обеспечение надежности электромеханических приборов на стадии конструирования. Надежность и качество - 2012: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 1 т. - 508 с. С.

63-65.

2. Китаев В.Н., Китаева Е.Н. Совершенствование базовых конструкций - эффективный путь разработки новых электромеханических приборов системы автоматики. НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО - 2013: тр. Международного симпозиума: в 2 т.\ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - 2 т. - 418 с., с. 126-128.

УДК 378.147

Кузнецов М.Д., Шуваев П.В., Лысенко А.В, , Анисимов А.Г., Емашкина Т.С.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

АНАЛИЗ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ РЭС

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

Одной из важных задач инженера-конструктора при создании радиоэлектронных средств является анализ разрабатываемой конструкции, определение ее уязвимых мест и обеспечение требуемого уровня защиты от внешних воздействующих факторов. В настоящее время существует множество универсальных программ, позволяющих на раннем этапе разработки провести моделирование и определить оптимальные режимы функционирования радиоэлектронных средств. В данной статье проведен анализ программных средств, позволяющих проводить моделирование внешних воздействующих факторов на конструкцию радиоэлектронных средств, для определения усталостной прочности материалов конструкции. В результате работы были выявлены их достоинства и недостатки

Ключевые слова:

программные средства, внешние воздействующие факторы, отказ системы, режимы, моделирование, уязвимые места

Введение

Радиоэлектронные средства (РЭС) в процессе своей эксплуатации подвергаются влияниям внешних воздействующих факторов (ВВФ). Известно, что при этом в РЭС возникает множество дефектов, наличие которых приводит к нарушению рабочего состояния электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и приводит к отказу всей системы в целом. Вновь создаваемые РЭС проходят испытания после создания опытного образца, при этом контролируется их работоспособность после механических воздействий (ударные, вибрационные), но ускорения и остаточные напряжения на каждом ЭРЭ не отслеживаются. Как показывает анализ механических испытаний, причиной 80% отказов ЭРЭ является усталость материала, вызванная вибрационным воздействием.

В настоящее время все большее применение находят «умные» программные системы. Существует множество программ, благодаря которым можно с легкостью обнаружить дефекты в конструкции РЭС. Проведем анализ существующих универсальных программ, которые помогут выявить недостатки и показать на слабые места конструкции РЭС при проведении инженерного анализа на усталостную прочность материала.

1. АЫБУБ

Программа АЫЗУЗ разработана американской компанией в начале 70-х годов ХХ века. Компания имеет широкий спектр программных продуктов для решения инженерных задач [1-3]. Также АЫЗУЗ занимается перспективной, в наше время, 3Б-печатью из различных материалов, включая лазерную печать £ЪМ из мелкодисперсных металлических порошков.

Возможности и сферы применения универсальной программы:

Вычислительная гидродинамика. Решает задачи в самых различных отраслях, от внешней аэродинамики и моделирования горения, до биомедицины и изготовления полупроводников.

Механика деформируемого твердого тела. Разрабатывает более прочные и легкие изделия, учитывая кинематику, усталостную долговечность (УД). УД позволяет произвести расчет количества циклов до разрушения конструкции при различных

видах стационарных и не стационарных нагружений, оценка влияния вибрации, моделирование роста трещин, расчет усталостной долговечности точечной и шовной сварки, решение вопросов увеличения срока службы изделия.

Электромагнетизм. Решает задачи в области высокочастотного и низкочастотного анализа цифровых устройств.

Тепловой анализ. Применяется во всех целях промышленности. От охлаждения электроники до теплового комфорта в помещении.

Многодисциплинарный анализ. Обладает передовыми технологиями, применение которых позволяет предсказывать поведение разрабатываемых изделий в условиях близких к реальному миру.

Системное моделирование и встроенное программное обеспечение. На ранних стадиях помогут предсказать характеристики изделий на системном уровне, а затем проработать улучшение отдельных компонентов и подсистем с учетом физики.

Расчетная платформа. Позволяет провести многодисциплинированные расчеты и импорт геометрии из сторонних САБ-пакетов.

Высокопроизводительные вычисления. Решает задачи большой размерности (учитывая все геометрические подробности реального изделия).

Программа АЫЗУЗ имеет огромное количество сфер применения и является передовой программой у инженеров.

2. МАТНСАБ

Система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением, отличается лёгкостью использования и применения для коллективной работы [4,5]. МАТНСАБ был написан Алленом Раздовом в 1986 году [6].

Основные возможности:

Решение дифференциальных уравнений, в том числе и численными методами.

Построение двумерных и трёхмерных графиков функций.

Использование греческого алфавита как в уравнениях, так и в тексте.

Выполнение вычислений в символьном режиме.

Выполнение операций с векторами и матрицами.

Символьное решение систем уравнений.

Аппроксимация кривых.

Выполнение подпрограмм.

Поиск корней многочленов и функций.

Проведение статистических расчётов и работа с распределением вероятностей.

Поиск собственных чисел и векторов.

Вычисления с единицами измерения.

Интеграция с САПР, использование результатов вычислений в качестве управляющих параметров.

Программа MATHCAD помогает документировать все вычисления в процессе их проведения.

3. COMSOL Multiphysics (Fatigue) Программа позволяет быстро и точно моделировать сжимающие нагрузки, контактные усталости, подповерхностные усталости. Семейство моделей усталости материала основано на модели Данг Вана, которая позволяет включить восприимчивость сжатия в расчет усталостной прочности посредством гидростатического напряжения. Данная модель может использоваться для расчета подповерхностной усталостной прочности, показанной на рисунке 1, вплоть до момента раскалывания [7].

Рисунок 1 - Расчетная подповерхностная усталость в материале с упроченной поверхностью

Расчет по модели Данг Вана можно производить для одномерных, двухмерных и трехмерных сущностей [8] . Однако при моделировании подповерхностной усталости лучше всего подходит расчет на уровне трехмерных областей. Но усталостный анализ может потребовать больше времени, поскольку самые большие напряжения обычно наблюдаются на глубине 10-100 мкм под поверхностью и точное решение требует плотной дискретизации на

Данное программное обеспечение так же подходит для анализа малоцикловой и многоцикловой усталости материалов, связанной с напряжениями и деформациями. Малоцикловая усталость в результате пластической деформации вблизи отверстия характеризуется логарифмической зависимостью от срока службы (количества рабочих циклов) и описывается графиком зависимости, представленным на рисунке 2.

всем интервале глубин.

Рисунок 2 - График зависимости деформации от напряжения для первых нескольких циклов нагружения

Анализ накопленных повреждений в модуле усталости позволяет выявлять общие тенденции в истории напряжений, а также рассчитывать накопленное повреждение от каждого из них. Историю напряжений можно оценивать по основным напряжениям или напряжениям фон Мизеса, а знак определяется согласно принципу гидростатических нагрузок. Затем история нагружений обрабатывается по алгоритму Яа^^о', а повреждение оценивается согласно правилу линейного накопления

повреждений Пальмгрена - Майнера. Влияние коэффициента пластической деформации (Я-значения) учитывается ограничением кривой усталости (S-Ю.

Если при анализе случайных нагружений количество событий нагружения велико, моделирование цикла нагружения занимает много времени. Это время можно значительно сократить, исключив из моделирования нелинейные эффекты. В этом случае

цикл напряжений можно прогнозировать путем суперпозиции, которая выбирается при анализе накопленных повреждений. Применение этого метода позволяет не только сократить продолжительность вычислений, но и значительно уменьшить размер модели, которую необходимо хранить [9,10].

Пакет программы COMSOL Multiphysics (Fatigue) помогает рассчитать количество циклов до разрушения и усталостный коэффициент использования. При моделировании накопленных повреждений распределение напряжений от приложенной случайной нагрузки может быть представлено визуально вместе с относительным коэффициентом использования. Такое моделирование показывает вклад конкретной усталостной нагрузки в общий усталостный коэффициент использования, который в данном случае соответствует повреждению. Распределение напряжений представляется как функция амплитуды напряжения и среднего напряжения.

4 АСОНИКА-УСТ

Автоматизированная программа усталостного анализа конструкции печатных узлов при механических воздействиях (гармонической вибрации, случайной вибрации и многократных ударов),поз-воляющая в заданные сроки построить модель конструкции, рассчитать ее на механические воздействия, оценить время до усталостного разрушения и принять решение о повышении долговечности проектируемых РЭС [11]. АСОНИКА-УСТ реализована в составе системы АСОНИКА, благодаря чему обеспечивается интегрированность процесса анализа усталостной прочности конструкций печатных узлов в общий процесс автоматизированного проектирования конструкций РЭС.

АСОНИКА-УСТ позволяет проводить анализ усталостной прочности конструкций печатных узлов при обычных механических воздействиях типа гармонической и случайной вибраций, а также при многократном ударном воздействии [12]. Результатом расчета являются поля перемещений и напряжений, а также время до усталостного разрушения. Результат анализа усталости показан на рисунке 3.

Рисунок 3

Результаты конечно-элементного расчета

Использование подсистемы АСОНИКА-УСТ уменьшает влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования, что приводит к увеличению надежности разрабатываемой аппаратуры. Другими достоинствами разработанной автоматизированной подсистемы являются малые временные затраты и относительная легкость процесса моделирования.

Вывод

Таким образом, в статье, проведено сравнение универсальных программ, подчеркнуты их достоинства, благодаря которым можем отыскать уязвимые и слабые места РЭС. Благодаря программным обеспечениям, происходят правильный выбор компонентов и расстановка элементов на изделии.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева ANSYS в руках инженера, 2003 г, с 85,86.

2. Основы теории надежности электронных средств : учеб. пособие / Н.К. Юрков, А.В. Затылкин, С.Н. Полесский, И.А. Иванов, А.В. Лысенко - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - 100 с.

3. Лысенко, А.В. Анализ современных систем управления проектами / А.В. Лысенко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 371-372.

4. Лысенко, А.В. Методика моделирования внешних механических воздействий на бортовую РЭА / А.В. Лысенко, Е.А. Данилова, Г.В. Таньков / Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 226-228.

5. Лысенко, А.В. Способ снижения величины вибрационных нагрузок в несущих конструкциях ЭС и методика его реализующая / А.В. Лысенко // Надежность и качество сложных систем. 2013. № 4. С. 4144.

6. Википедия, MathCAD, [электронный ресурс], режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Mathcad.

7. COMSOL Multiphysics , [электронный ресурс], режим доступа: https://www.comsol.ru/release/5.2a/fatigue-module.

8. Лысенко, А.В. Конструкция и методика расчета гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией / А.В. Лысенко, А.В. Затылкин, Н.А. Ястребова // Вестник Пензенского государственного университета. 2013. № 4. С. 73-78.

9. Модуль-Усталость материала (Fatigue) , [электронный ресурс], режим доступа: https://www.comsol.ru/fatigue-module.

Труды международного симпозиума доступа: http://asonika-

10. Лысенко, А.В. Анализ особенностей применения современных активных систем виброзащиты для нестационарных РЭС / А.В. Лысенко, Г.В. Таньков, Д.А. Рындин // Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 155-158.

11. АСОНИКА-УСТ, [электронный ресурс], режим online.ru/products/asonika-ust.

12. Голушко, Д.А. О скорости изменения частоты при проведении испытаний для определения динамических характеристик конструкции / Д.А. Голушко, А.В. Затылкин, А.В. Лысенко // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015. № 4 (26). С. 147-154.

665.723, 621.593 Краснов А.Н.

ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Уфа, Россия

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ РАБОТЫ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВЛАЖНОГО ГАЗА

В работе обсуждаются различные технологические и конструктивные способы улучшения работы аппаратов воздушного охлаждения влажного для обеспечения безгидратного режима в условиях низких температур

Ключевые слова

Аппараты воздушного охлаждения, гидратообразование, ингибитор, теплообменные трубы

В материале [1] представлен краткий список причин, по которым аппараты воздушного охлаждения влажного газа на предприятиях севера Западной Сибири могут работать недостаточно хорошо. Также предлагаются варианты решения проблем -как технологические, так и конструкторские. Вот эти методы [2; 3]:

1. Применение ингибитора образования гидратов перед подачей газа в АВО. В роли ингибитора можно использовать диэтиленгликоль, который затем улавливается в установках комплексной подготовки газа и впоследствии регенерируется. С другой стороны, подача ДЭГ в данном случае может иметь и свои последствия:

Диэтиленгликоль при невысокой температуре густеет и способен загрязнить внутреннюю поверхность трубопровода, а значит, снизить эффективность процедуры охлаждения. Со временем ДЭГ может забить трубы и привести к поломке АВО.

Расходы на систему регенерации ДЭГ возрастают примерно в 1,5-2 раза.

2. Подача осушенного газа, требующая монтажа дожимной компрессорной станции после установки комплексной подготовки газа. Это влечет за собой следующее:

Циркуляцию ДЭГ в системе придется увеличить в 1,5-2 раза.

Унос ДЭГ с осушенным газом увеличивается в 23 раза.

Нагрузка на систему регенерации абсорбентов увеличивается в 1,5-2 раза.

Если давление ниже показателя в 3,5-4 МПа, не удастся добиться должного качества газа по требованиям ОСТ51.40-93.

3. Частичная подача ингибитора метанола только в те ряды трубы, где природный газ охлаждается интенсивнее всего, а также где велика вероятность образования гидратов. Впрочем, данный способ технически сложен.

Чтобы более детально изучить вопрос эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении, мы обратились к опыту использования АВО на нескольких УКПГ.

Прежде чем рассматривать функционирование аппаратов воздушного охлаждения «сырого» газа, важно изучить работу аппаратов, взяв в качестве примера УКПГ-2, эксплуатируемую по схеме «УКПГ+ДКС+ДКС». ТТР природного газа после установки комплексной подготовки газа равнялась -22,5°С, при этом давление составило порядка 3 МПа.

АВО монтировались после каждой ступени ком-примирования. Блок АВО 1-й ступени включает в себя десять аппаратов. Каждая секция оснащена двумя вентиляторами и тремя секциями оребренных горизонтальных теплообменных труб. Блок 2-й ступени включает в себя шестнадцать аппаратов. Температура газа составляла 8°С, когда он отправлялся из установки комплексной подготовки газа на первую стадию компримирования. При этом показатели температуры и давления претерпевали изменения: с 3 до 45,9°С, с 25,3 до 40 кгс/см2. На второй стадии данные параметры менялись с 22 до 47°С и с 40 до 50 кгс/см2.

В рамках данного исследования главным рассматриваемым вопросом является возможность уменьшения температуры подвергающегося охлаждению газа перед его подготовкой. Все варианты решения проблем, возникающих при работе с аппаратами воздушного охлаждения газа, можно свести к двум направлениям.

1. Пассивное решение проблемы предполагает определение и поддержание оптимальный температуры «сырого» природного газа. Оптимальной -значит такой, ниже которой охлаждать природный газ не стоит из-за возможности гидратообразова-ния. На данный показатель температуры и нужно опираться в случае с аппаратами воздушного охлаждения. При этом данная температура должна быть немного выше температуры, при которой начинается образование гидратов. Связано такое положение вещей со значительной неоднородностью температурного поля в аппаратах. Температура эта становится тем выше, чем ниже температура окружающего воздуха, и связано это опять же с неоднородностью температурного поля.

2. Активное решение проблем включает в себя ряд действий:

Внесение изменений в саму конструкцию АВО.

Выбор иного способа охлаждения (смена направления потоков, подача ингибитора образования гидратов и т.д.).

Небольшие эксплуатационные и капитальные расходы на модернизацию.

Летом не оказывать негативного влияния на эффективность работы аппаратов воздушного охлаждения.

Для того чтобы создать условия, при которых образования гидратов при работе аппаратов воздушного охлаждения зимой не происходит, можно применять перечисленные ниже методы.

1. Такое распределение потока природного газа, при котором расход от верхнего ряда теп-лообменных трубок к нижнему увеличивается, при этом показатель среднего расхода по секции сохраняется.

2. Введение ингибитора в область, где вероятность образования гидратов наибольшая (как правило, это нижний ряд труб).

3. Комбинация первых двух методов.

Изучим более подробно первый способ. В нем предлагается за счет составления особого проекта для гидравлики аппарата прийти к тому, чтобы жидкая фаза в аппарате воздушного охлаждения не накапливалась.

Теплообменные трубы, выстроенные в 6 вертикальных рядов в каждой секции АВО, соединяются при помощи двух камер - сборной и распределительной, их можно расценивать как своего рода коллекторы для отбора и подачи природного газа при снижении его температуры. В работах [4,5] представлено несколько схем (рисунок 1) присоединения коллекторов к потоку. Наиболее распространенной и эффективной (если оценивать теплопередачу) считается схема «Н» для подключения газа (рисунок 1в). Следуя ей, можно максимально уравнять величину потоков по трубкам, которые входят и выходят из коллекторов. Сведение к