Способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования
METHOD FOR TESTING FOR HIGH-INTENSITY IMPACT OF INSTRUMENTS AND EQUIPMENT

Данное изобретение относится к способам испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на ударные воздействия различных приборов и оборудования.
Существует различные способы проведения ударных испытаний. Основное отличие заключается в создании либо одиночного импульса различной формы, либо формировании ударного спектра ускорений (УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений проводят с помощью вибрационных электродинамических стендов (синтезирование сигнала ударного возбуждения при помощи элементарных сигналов), стендов с падающими столами (воспроизводятся простейшие сигналы, которые и обеспечивают необходимый УСУ). Испытания по методу ударных спектров ускорений проводят, когда не важно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн. 2 «Испытательная техника» кн. 1 М. Машиностроение 1982 г. стр 334-335). Использование электродинамических стендов ограничено как амплитудой воспроизводимых воздействий, так и частотой (частотный диапазон воспроизводимых воздействий не превышает 2,5-3 кГц).
Для создания ударных воздействий помимо электродинамических стендов существует достаточно разнообразный набор средств, например, всевозможные гидравлические, механические стенды. Эти устройства позволяют воспроизводить различные способы нагружения объекта испытаний (изделия), например, за счет сбрасывания рамы с определенной высоты. Ударное воздействие создают ударом тяжелого маятника по столу, на котором закреплен объект испытаний (Вибрации в технике, справочник в 6 томах. Том 5. Измерения и испытания под редакцией М.Д. Генкина М. Машиностроение 1981г. стр. 476-477, или решение: Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков и др. Инженерные методы исследования ударных процессов М. Машиностроение, 1977г, стр. 24-25). Где воспроизводятся простейшие сигналы на маятниковом копре, который состоит из молота, станины, наковальни, на которую устанавливается испытуемое оборудование. Амплитуда ускорений обеспечивается за счет скорости соударения молота с наковальней, а форма воздействия за счет применяемой формы молота и крешера.
К недостаткам рассмотренных выше способов испытаний является то, что при использовании электродинамических стендов для создания ударных воздействий имеются ограничения на амплитудно-частотный диапазон воспроизводимых нагрузок. Кроме того, они не годятся для воспроизведения ударных воздействий высокой интенсивности. Типовые механические стенды (например, копровые с падающими столами) ориентированы на создание ударного воздействия в виде одиночного импульса, который действует на все элементы объекта испытаний, а не только в точках его крепления. Помимо этого, ударные испытания на подобном оборудовании нарушают «физику» нагружения приборов, оборудования и бортовой аппаратуры (БА), так как при реальной эксплуатации нагружение БА проводится проходящей волной деформации в конструкции, а отклик на ударное воздействие имеет сложную форму.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является решение (Круглов Ю.А., Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. - Л. Машиностроение. 1986г. стр. 150-151), когда ударное воздействие в виде полуволны синусоиды создают на установках свободного падения или маятниковым бойком в подпружиненной платформе, на которой устанавливают объект испытаний. При этом стенды применяются в соответствии со своими паспортными характеристиками.
Недостатками этого решения для формирования ударного воздействия является то, что, выполняя требования по необходимому уровню ударного нагружения испытуемого оборудования на испытательных стендах, не дается оценка нагружения объекта испытаний на конкретном стенде. То есть создавая в точках крепления объекта испытаний один и тот же ударный спектр ускорений, за счет различной методики нагружения в объекте испытаний возникают различные напряжения на силовых элементах и ускорения на комплектующих приборов и оборудования. Причем при испытаниях достаточно большого ряда приборов и аппаратуры контрольные датчики не могут быть установлены в точках с максимальными откликами. Например, для герметичной аппаратуры, внутри которой установка датчиков недопустима (нарушается герметичность), или на платах с плотной компоновкой (нет места для установки контрольных датчиков).
Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия приборов и оборудования, заключающийся в выборе стенда в соответствии с требованиями по нагрузкам в месте крепления объекта испытаний, нагружении объекта испытаний ударным воздействием с последующим получением требуемых ударных спектров ускорений в контрольных точках.
Технической проблемой, решаемой данным изобретением, является создание процедуры выбора типа стенда, обеспечивающего минимальные нагрузки при проведении ударных испытаний на требуемые воздействия.
Техническим результатом данного изобретения является исключение повреждение объекта испытаний (приборов и оборудования) за счет воспроизведения минимально допустимой ударной нагрузки.
Указанная цель достигается тем, с использованием метода конечных элементов строят модели стендов с установленными на них моделями объекта  испытаний, проводят численный эксперимент, нагружая объект испытаний требуемыми воздействиями, создаваемыми стендами, затем выбирают точки с максимальными уровнями нагружения силовой конструкции и комплектующих объекта испытаний при испытаниях на всех типах стендов, сравнивают с допустимыми значениями, причем стенды, для которых на приборы и оборудование превышены допустимые значения по напряжениям в элементах конструкции или ударным спектрам ускорений на комплектующих, исключают из дальнейшего рассмотрения, причем выбор метода нагружения объекта испытаний и типа стенда для ударных испытаний при ограничениях по ударным спектрам ускорений на комплектующие приборов и оборудования проводят по формуле:
(*)
где:
k - количество рассматриваемых ударных стендов;
n - количество частотных диапазонов;
m
S - выбранный режим для испытаний на «m» ударном стенде;
- амплитуда ударного спектра ускорений в «j» диапазоне при испытаниях на «k» стенде;
- амплитуда ударного спектра ускорений в «j» диапазоне при испытаниях на «i» стенде,
а при ограничениях по допустимым напряжениям в элементах конструкции приборов и оборудования проводят по формуле:
(**)
где:
k - количество рассматриваемых ударных стендов;
n - количество частотных диапазонов;
m
σ - выбранный режим для испытаний на «m» ударном стенде;
напряжения в «j» диапазоне частот при испытаниях на «k» стенде при ограничениях по допустимым напряжениям в элементах конструкции приборов и оборудования;
напряжения в «j» диапазоне частот при испытаниях на «i» стенде,
затем на выбранный ударный стенд устанавливают динамический макет объекта испытаний, нагружают, поэтапно увеличивая нагрузку, проводят верификацию модели «стенд - объект испытаний», и при совпадении расчетных и экспериментальных данных в пределах допустимой погрешности заменяют динамический макет объекта испытаний на объект испытаний, после чего проводят ударные испытания объекта испытаний на выбранном стенде.
Суть заявленного решения может быть пояснена следующим образом. При разработке программ испытаний одним из вопросов, которые приходится решать разработчику, является выбор оборудования (стенда) для проведения испытаний. Стандартная процедура заключается в выборе стенда, который по своим техническим параметрам соответствует задаваемым воздействиям. Для испытаний, например, на вибрационные воздействия такой подход гарантирует получение одинаковых результатов на различных стендах (одинаковая «физика» нагружения). При ударных испытаниях нагружение объекта испытаний в значительной мере зависит от применяемой методики ударного воздействия и типа используемого стенда. Например, стенды с падающими столами одинаково нагружают все элементы объекта испытаний, а пиротехнические стенды создают проходящую волну деформаций, при которой уровни ударных воздействий уменьшаются по мере распространения волны деформаций от точки воздействия из-за стыков конструкции, различных фильтров и т.п. То есть при одном и том же ударном спектре ускорений, зарегистрированном в точке крепления объекта испытаний, уровни деформаций/ускорений внутри объекта испытаний из-за применения различных методик испытаний (стендов) могут отличаться в несколько раз. Когда испытывается нечувствительное к ударным воздействиям оборудование (например, механические редукторы), то это большого значения не имеет (может применяться любое испытательное оборудование), но аппаратура, содержащая чувствительные к ударным воздействиям элементы, например, кварцевые генераторы, СБИС и т.п., требует более корректного применения испытательного оборудования. Для решения этой проблемы на начальном этапе разработки программы испытаний также разрабатываются конечно-элементные модели (КЭМ) объекта испытаний и имеющихся в наличии стендов. Как правило, КЭМ стендов разрабатываются на этапе их отработки и применении на предприятиях. КЭМ объекта испытаний (например, различных приборов) создается на этапе их проектирования. При разработке программы испытаний КЭМ объекта испытаний интегрируется с КЭМ стенда, и проводится оценка уровней нагружения объекта испытаний на конкретном стенде. Так как современные пакеты моделирования (ANSYS, NASTRAN и т.д.) предоставляют разработчику возможность решать широкий круг задач (как в линейной, так и нелинейной постановках). Поэтому численный эксперимент позволяет определить нагружение комплектующих и силовой конструкции приборов с высокой точностью. Качество моделирования (достоверность прогнозов) определяется только квалификацией расчетчика и возможностью проводить верификацию КЭМ по реальным экспериментальным данным. То есть на этапе принятия методики испытаний численный эксперимент позволяет предварительно выбрать приемлемое испытательное оборудование. Работу выполняют в следующей последовательности.  Сначала выбирают точки с максимальными уровнями нагружения силовой конструкции и комплектующих объекта испытаний при испытаниях на всех типах стендов, сравнивают с допустимыми значениями. Причем стенды, на которых по результатам численного моделирования, на испытуемых приборах (аппаратуре) превышены допустимые значения по напряжениям в элементах конструкции или ударным спектрам ускорений на комплектующих, исключают из дальнейшего рассмотрения. Для оставшихся стендов проводят сравнительную оценку уровней нагружения объекта испытаний. Для чего выбирают точки с максимальными уровнями отклика по напряжениям и ударным спектрам ускорений, и разбивая графики на «n» частотных диапазонов в каждом из поддиапазонов, находят отношения ударных спектров  и напряжений  при сравнении нагрузок по результатам моделирования испытаний на «i» и «k» ударных стендах (формулы *, **). Очевидно, что из двух сравниваемых стендов лучшим (обеспечивающим минимальные нагрузки на объект испытаний) будет тот, у которого сумма отношений ударных спектров и напряжений будет меньше (даже если преимущество одного из стендов будет не во всех диапазонах).
Сравнивая, таким образом, все возможные стенды, выбирают наиболее подходящий по критерию «minmin» стенд по формуле (*) для УСУ и (**) для напряжений. После чего динамический макет объекта испытаний устанавливают на выбранный стенд, проводят ударные испытания макета, выполняя верификацию расчетной модели объекта испытаний и стенда (сравнивают расчетные и экспериментальные данные в точках контроля). Это позволяет сделать заключение о корректности полученных результатов расчетов и перейти к испытаниям штатного прибора.
Пример практического исполнения.
В качестве примера рассмотрим испытания на ударные воздействия одного из приборов (блока управления), разработанного в АО «ИСС» и показанного на фиг. 1.
Прибор состоит из алюминиевого корпуса с основанием. На основание устанавливаются 19 металлических рамок с платами. Платы стянуты шестью сквозными винтами. Особенности конструктивного исполнения прибора позволили установить контрольные датчики только на 1 блок в центре платы в точке 1 (фиг. 1, 2).
Перед проведением ударных испытаний был выполнен механический анализ прибора. На фиг. 2 показана конечно-элементная модель (КЭМ) прибора, состоящая из 576759 узлов и 1754024 элементов.
Критическими элементами блока управления (БУ) являются микропереключатели и интегральные схемы. Поэтому критерием выбора стенда были ударные спектры ускорений, создаваемые в приборе. Силовая конструкция прибора имела прототип, успешно прошедший ранее весь цикл испытаний на механические нагрузки, включая ударные воздействия. Из-за большой массы прибора испытания можно было провести только на двух ударных стендах: стенд LANSMONT P55 и пиротехнический стенд с использованием специальных пироустройств (СПУ).
На фиг. 3 показан стенд с СПУ. Стенд состоит из панели 3 для монтажа БУ 5, вывешенной на амортизационных шнурах 4. БУ устанавливается на панель 3 с помощью переходной панели 6 (на панели 6 имеются точки крепления как для БУ 5, так и крепление панели 6 к панели 3).
Ударное воздействие на панели 3 создают СПУ7, затем удар через панель 6 передается на БУ 5. Контроль величины ударного воздействия на БУ проводится по плоскости крепления БУ 5 к панели 6. Все панели выполнены из алюминиевого сплава.
На фиг. 4 показана КЭМ стенда с СПУ. КЭМ состоит из 597233 узлов и 1764709 элементов.
На фиг. 5 показан стенд LANSMONT P55. Стенд состоит из падающего стола массой 250 кг 8, на который через переходную панель 9 монтируется БУ 5. При воспроизведении ударного воздействия стол 8 скользит по направляющим 10 до соударения с сейсмической массой 11. Контроль величины ударного воздействия на БУ проводится по плоскости крепления БУ 5 к плите 9.
На фиг. 6 показана КЭМ стенда LANSMONT. КЭМ состоит из 688478 узлов и 1823677 элементов.
Влияние точек крепления БУ на различных стендах, физики нагружения прибора учитывалось формированием граничных и начальных условий в момент приложения ударных воздействий. Особенности разработки КЭМ, задания граничных и начальных условий для различных стендов относятся «ноу-хау» и в данной заявке не приводятся.
Расчеты проводились в пакете ANSYS в программе LS DYNA.
Верификация моделей стендов проводилась по результатам измерений на датчике в точке 1. По этому датчику была проведена верификация КЭМ при испытаниях с использованием СПУ (фиг. 7) и LANSMONT (фиг. 8).
Верификация модели стенда с СПУ проводилась по результатам сравнения значений, показанных на фиг. 7: расчетных (график 12) и экспериментальных (график 13). Как видно из рисунка отличие не превышает по пикам УСУ 20%.
Верификация модели стенда LANSMONT проводилась по результатам сравнения значений, показанных на фиг. 8: расчетных (график 3) и экспериментальных (график 4). Как видно из рисунка отличие по пикам минимально (есть сдвиг по частоте менее 10%).
КЭМ стендов строились в диапазоне частот до 4,5кГц (в этом диапазоне эффективные массы по модели достигают величины около 92%).
При этом, согласно расчетам, максимальный уровень ударного нагружения по УСУ был получен в точке 2 (фиг. 2). На фиг. 9 показаны УСУ при испытаниях на стенде с использованием СПУ 16 и LANSMONT 17.
При расчете коэффициента по формуле (*) (количестве точек отсчета по частоте n=50) коэффициент равен
= Сумма (СПУ/ LANSMONT)/n=0,8589627.
То есть рекомендуемым стендом для ударных испытаний БУ является стенд с использованием СПУ. Дальнейшие испытания БУ проводились на пиротехническом стенде. Испытания прошли без замечаний.
Таким образом, при реализации заявляемого изобретения достигается следующий технический результат: появляется возможность более точного воспроизведения допустимой нагрузки при ударных испытаниях, что позволяет, исключить перегружение электронных компонентов и конструкции бортовой аппаратуры.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.