Оценка механической надежности дополнительного аккумуляторного модуля информационно-измерительной системы

УДК 621.398.67.019.3

М. А. Фролов, А. В. Салмин, Р. Ш. Мусаев

ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО АККУМУЛЯТОРНОГО МОДУЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

М. A. Frolov, А. V. Salmin, R. S. Musaev

EVALUATION OF THE MECHANICAL RELIABILITY OF THE ADDITIONAL BATTERY MODULE OF THE DATA-MEASURING SYSTEM

Аннотация. Актуальность и цели. Рассмотрен современный подход к обеспечению механической надежности датчико-преобразующей аппаратуры, применяемой в изделиях ракетно-космической техники на ранних этапах проектирования. Материалы и методы. Исследование влияния внешних воздействующих факторов на механическую надежность дополнительного аккумуляторного модуля информационно-измерительной системы проводилось посредством имитационного моделирования, в частности, оценивалось влияние воздействия механического удара методом конечного элемента с применением специализированного расчетного модуля Simulation программного обеспечения SolidWorks. Результаты. Были получены эпюры максимальных напряжений, которые позволили дать оценку механической надежности системы и выработать решения по ее повышению на ранней стадии проектирования. Выводы. Проведенные предварительные расчеты механической надежности конструкции дополнительного аккумуляторного модуля информационно-измерительной системы с применением имитационного моделирования позволили повысить надежность более чем в 3 раза за счет изменения материала крепежных винтов и сократить дополнительные временные и финансовые затраты.

Abstract. Background. In article the modern approach on maintenance of mechanical reliability for sensing-reformative equipment, which applied at early design stages in products of the space-rocket technics is considered. Materials and methods. Research of influence of external factors on mechanical reliability of the additional storage module as part of information-measuring system was operated by applying of imitation modeling, in particular, influence of mechanical blow by method of finite element with application specialized module Simulation of software SolidWorks was estimated. Results. As a result, the diagram of maximum stress, which have allowed to give an estimation of mechanical reliability of system and to develop decisions on its increase at an early design stage, was achieved. Conclusions. The preliminary calculations of mechanical reliability of additional storage module as part of information-measuring system with application of imitational modeling have allowed to increase reliability more than in three times at the expense of change of a material of fixing screws and to reduce additional time and financial expenses.

Ключевые слова: прочность, механическая надежность, эксплуатационные характеристики, имитационное моделирование, механический удар, информационно-измерительная система, метод конечных элементов, SolidWorks Simulation.

Key words: durability, mechanical reliability, operational characteristics, imitating modelling, mechanical blow, data-measuring system, method of finite elements, SolidWorks Simulation.

Одной из актуальных проблем при проектировании датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА), применяемой в изделиях ракетно-космической техники, является обеспечение ее механической надежности. Это связано с эксплуатацией ДПА в особо жестких условиях, в виде значительных ударных и вибрационных нагрузок, изменений температуры окружающей среды и т.д. [1] Оценить надежность в виде эксплуатационных и прочностных характеристик ДПА на ранней стадии проектирования стало возможным за счет применения систем автоматизированного проектирования (CALS-технологий).

Одной из последних разработок АО «НИИФИ» с применением CALS-технологий является информационно-измерительная система (ИИС) корабельной установки, предназначенная для удаленного измерения и мониторинга динамических процессов в труднодоступных местах, таких как подвижные части орудий и машин. Рассматриваемая ИИС состоит из автономных блоков первичного преобразования физических величин в аналоговую форму сигнала с приведением их к норме в соответствии со шкалой аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и последующего аналого-цифрового преобразования с сохранением в энергонезависимой памяти.

Одним из основных автономных блоков данной ИИС, испытывающим значительные вибрационные нагрузки и имеющим наибольшие габаритные размеры и массу по сравнению с другими модулями, является дополнительный аккумуляторный модуль (ДАМ). Значительная масса и габаритные размеры при длительном воздействии вибрационных нагрузок в процессе эксплуатации системы могут привести к возникновению различных дефектов. Учитывая специфику геометрии конструкции ДАМ, в целях обеспечения работоспособности в жестких условиях эксплуатации необходимо в обязательном порядке оценивать механическую надежность при воздействии ударов и вибрационных нагрузок. Определять ударную прочность любых конструкций аналитическими методами достаточно сложно, вследствие чего наиболее эффективным признан метод инженерного анализа, а именно численный метод (метод конечных элементов). Использование численных методов позволит определить не только прочность, но и оптимизировать конструктивные и схемные параметры будущего изделия.

Имитационное моделирование воздействия ударных ускорений на ДАМ проведено на раннем этапе разработки с помощью модуля Simulation программного обеспечения SolidWorks [2], отвечающего передовым требованиям современных САПР. Имитационное моделирование позволяет учитывать как статическое, так и динамическое влияние различных факторов, таких как давление, температура, скорость, электрический ток, а также комплексно оценивать работу изделия.

В процессе имитационного моделирования была создана 3Б-модель ДАМ, представленная на рис. 1. Моделирование воздействия ударов и вибрационных нагрузок на ДАМ на базе модуля Simulation [3] проводилось с учетом следующих физико-механических характеристик материала: плотность, модуль упругости 2-го рода, предел текучести и коэффициент Пуассона [4].

Рис. 1. Твердотельная модель ДАМ

Адекватность построенной модели оценивалась экспериментально - путем проведения вибрационных испытаний корпуса ДАМ и сравнения результатов эксперимента с полученными виртуальными испытаниями в SolidWorks. Далее к верифицированной имитационной модели идентично условиям реальной работы были приложены следующие граничные условия (рис. 2):

- «жесткая заделка» на резьбе крепежного винта, посредством которой ДАМ устанавливается на реальном объекте;

- пиковое ударное ускорение 4000 м/с длительностью 5 мс вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей координат;

- «распределенная масса», обеспечивающая соответствие массы расчетной модели и реального изделия и позволяющая упростить расчетную модель и сократить время расчета, не влияя на точность результатов.

Жесткая фиксация

Рис. 2. Схема граничных условий

Критерием оценки влияния механического удара на элемент системы телеметрии корабельной артиллерийской установки является условие прочности технического задания:

к = [о] / отах > 1,5,

где к - коэффициент запаса прочности; отах - максимальное напряжение, возникающее при воздействии механического удара [МПа]; [о] - предел текучести материала [МПа].

В результате оценки механической прочности с применением метода конечных элементов были получены эпюры максимальных напряжений, представленные на рис. 3, из которых видно, что в элементе системы ДАМ максимальные напряжения, возникающие при воздействии ускорения 4000 м/с2 в направлениях вдоль осей Х и У, составляют 423,6 МПа и 462,7 МПа соответственно и возникают на крепежных винтах, изготовленных из материала Сталь 20, предел текучести которого составляет 250 МПа. Следовательно, условие прочности (1) не выполняется, так как к = 250 МПа / 462,7 МПа = 0,54 > 1,5.

а)

в)

в)

Рис. 3. Эпюра максимальных напряжений при воздействии ускорения 4000 м/с направленного вдоль оси X

Используя алгоритм и методику расчета надежности [5], можно рассчитать, что вероятность безотказной работы исследуемого ДАМ (Рдам) без электронных радиоизделий (ЭРИ) с учетом снижения предела прочности составила менее 0,5.

Для увеличения вероятности безотказной работы при воздействии на ДАМ механического удара и вибрационных нагрузок, было обосновано решение по замене материала крепежных винтов из стали 20 на сталь 40Х с большим пределом текучести 780 МПа.

Для подтверждения работоспособности измененной конструкции ДАМ проведены определение вибрационной прочности и расчет вероятности безотказной работы ДАМ (рис. 4).

б)

Рис. 4. Эпюра максимальных напряжений при воздействии ускорения 4000 м/с2 направленного вдоль оси X (а) и оси У (б), с измененным материалом винтов

Результаты повторного моделирования, представленные на рис. 5, подтвердили ожидаемое увеличение коэффициентов запаса прочности к по осям х, у до 1,73 и 1,66 соответственно, что удовлетворяет условию обеспечения прочности (1). Вероятность безотказной работы ДАМ без учета входящих в состав ЭРИ составила Рдам = 1.

Экспериментальные данные по результатам испытаний на надежность модуля ДАМ ИИС подтвердили расчетные значения вероятности безотказной работы. Проведение имитационного моделирования на раннем этапе разработки предотвратило возникновение возможного разрушения крепежных винтов ИИС во время проведения натурных испытаний.

Используемый в АО «НИИФИ» современный подход к конструированию ДПА с применением СЛЬ8-технологий позволяет на раннем этапе проектирования повысить качество и надежность разрабатываемой продукции, снизить затраты на проводимые испытания. Проведенные предварительные расчеты механической надежности конструкции ДАМ с применением имитационного моделирования позволили повысить надежность модуля ИИС более чем в 3 раза за счет изменения материала крепежных винтов и сократить дополнительные временные и финансовые затраты.

Список литературы

1. Трофимов, А. Н. Взаимоиндуктивные датчики перемещений : моногр. / А. Н. Трофимов, А. А. Трофимов. - Пенза, 2009. - 173 с.

2. Алямовский, А. А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks / А. А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2011. - 784 с.

3. Алямовский, А. А. SolidWorks компьютерное моделирование в современной технике / А. А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2011. - 464 с.

4. Тихонов, Л. В. Механические свойства металлов и сплавов / Л. В. Тихонов, В. А. Коно-ненко. - Киев : Наукова Думка, 1986. - 300 с.

5. Фролов, М. А. Повышение надежности датчиков давления для эксплуатации в жестких условиях / М. А. Фролов. - Датчики и системы. - 2015. - № 6. - С. 28-33.

Фролов Михаил Алексеевич

кандидат технических наук,

начальник отдела - заместитель начальника центра, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: frolov10061987@gmail.com

Салмин Александр Вячеславович

аспирант, начальник отдела, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: salminab@mail.ru

Frolov Mikhail Alekseevich

candidate of technical sciences,

head of department - deputy head of centre,

Scientific-research Institute

of physical measurements

Salmin Aleksandr Vyacheslavovich

postgraduate student, head of department, Scientific-research Institute of physical measurements

Мусаев Руслан Шабанович

кандидат технических наук,

начальник научно-исследовательского

конструкторского комплекса,

Научно-исследовательский институт

физических измерений

E-mail: polim@mail.ru

Musaev Ruslan Shabanovich

candidate of technical sciences,

head of scientific-research design complex,

Scientific-research Institute

of physical measurements

УДК 621.398.67.019.3 Фролов, М. А.

Оценка механической надежности дополнительного аккумуляторного модуля информационно-измерительной системы / М. А. Фролов, А. В.Салмин, Р. Ш. Мусаев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4 (18). - С. 47-51.