Вибродиагностика тонкостенных оболочек с заполнителем тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ПЕРМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Для служебного пользования Экз.№ 2. На правах рукописи

Кычкин Владимир Иванович

ВИБР0ДИА1Н0СТИКА ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК С ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

Специальность 01.02.06 - Динамика,прочность

машин,приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискания ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 1992

Работа выполнена в Пермском политехническом институте

Научный консультант

член-корреспондент Академии технологических наук РФ,доктор технических наук,профессор КОЛМОГОРОВ ГЛ.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук,профессор МАТВЕЕМ) В.П.

кандидат технических наук,доцент ШЕВЕЛЕВ Н.А.

КБ машиностроения,г.Перш

Ч_ 19УЗ г. в _ чао.

на заседании Специализированного совета К 063.66.02 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук при Пермском политехническом институте по адресу: 614600, г. Пермь, ГС 11-45, Комсомольский проспект, 29а.

Автореферат разослан Л_ Х&93 г.

Ведущее предприятие Защита состоится " ^

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат технических наук,доцент Д.М.Тимофеева

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Доводка конструкций, состоящих из тонкостенных оболочек с заполнителем, в настоящее время занимает 70-80$ времени общих разработок и является сложным процессом получения и обработки информации,необходимой для принятия решения о надежности изделий. Проблема удешевления и ускорения экспериментальных исследований в области создания оболочечных конструкций с заполнителем может быть решена путем оптимизации процесса отработки изделий. Одной из задач является исследование методов технической диагностики применительно к решению проблем оценки технического состояния конструкций на этапах доводочных испытаний и в условиях эксплуатации.

Актуальность работы. Существующие нормативные методики расчета динамического напряженно-деформированного состояния заполнителя тонкостенных оболочек,разработанные на основе изучения физико-механических характеристик материалов заполнителя и амплитудно-частотных свойств конструкции дают достаточно точные значения расчетных параметров при схематизации действующих нагрузок в виде осциллирующего внутреннего давления определенной амплитуды и частоты. Достоверность величин допускаемых напряяений и расчетных сопротивлений элементов конструкций подтверждается экспериментально на натурных образцах,работа которых проходит в условиях полигармоническдх,ударных и случайных внешних воздействий. При этом осуществляется контроль вибрации изделий и пульсаций давления. Это вызывает необходимость уточнения нормативных методик расчета оболочек с заполнителем с учетом реальных свойств динамических нагрузок в условиях функционирования натурных изделий в процессе отработки и эксплуатации конструкций. Точная оценка несущей способности оболочек с заполнителем возможна при уче- . те реальных параметров колебаний изделий как физического процесса, что позволяет дать реальное представление о работе конструкции на этапах вибрационного нагружения.

Количественная оценка параметров напряженно-деформированного состояния заполнителя оболочек при функционировании изделий по данным контроля вибраций и пульсаций давления создает условия получения диагностических критериев,повышающих точность диагностики технического состояния конструкций,увеличивает номенклатуру показате-

лей для повышения контролепригодности машин.

Исхода из актуальности указанной проблемы.целью диссертационной работы являются разработка,исследование и реализация методики вибрационной диагностики тонкостенных оболочек с заполнителем по данным стендовых испытаний.

Методы исследования.Теоретические исследования базируются на анализе динамических операторов теории упругости и аязко-улругостя в линейной постановке ^ля тонкостенных оболочек с заполнителем,анализе параметров колебательных систем,поддающихся инструментальному контролю,анализе методов распознавания технического состояния конструкций. Для создания методики расчета параметров динамического напряженно-деформированного состояния заполнителя оболочек в форме, удобной для инженерной практики,использовались гипотезы.жесткого скрепления оболочек и заполнителя по поверхностям их контакта. Определяющие уравнения решаются методами математической физики. Результаты расчетов виброперегрузок изделий сопоставлялись с результатами виброконтроля натурных двигателей при работе их на стендах. Выполнены разработки и созданы экспериментальные установки для проверки предложенных этапов осуществления диагностических процедур. Осуществлена апробация и внедрение методики вибродиагностики на натурных двигателях А и Б. Разработан пакет прикладных программ даш обработки информации вибромониторинга и проведения расчетов параметров напряженно-деформированного состояния заполнителей при реализации условий нагружения на этапе стендовых испытаний.

Научная новизна. Теоретически обоснована возможность диагностики динамического напряженно-деформированного состояния заполнителей оболочек на основе виброизмерении при работе изделий. Теоретически исследованы возможные вибрационные поля конструкций. Характеристики нагрузок устанавливались методами спектрального анализа.

Впервые установлены качественные зависимости мевду параметрами вибраций конструкций и параметрами,характеризующими напряженно-деформированное состояние оболочек с заполнителем. Установлено,что наличие наиболее неблагоприятных сочетаний параметров динамических нагрузок и состояния заполнителей проявляется в некоторые моменты времени, соответствующие резонансным режимам работы изделий.

Разработан алгоритм и пакет прикладных программ расчета парамет-

ров вибрационных полей конструкций,учитывающих реальные характеристики возмущающих воздействий.

Практическое значение работы состоит в том,что реализация методики количественной оценки вибраций оболочек с заполнителем позволяет идентифицировать информативные частоты спектров вибраций двигателей, обеспечивает получение информации о динамической нагруженности элементов конструкции,повышает достоверность прогнозирования надежности аналогичных систем.

Использование пакета прикладных программ дает возможность автоматизировать процесс диагностики технического состояния оболочек с заполнителем.

Реализация результатов работы. Решение поставленных задач осуществлялось в Пермском политехническом институте по договорам с предприятием п/я В-8729. Результаты исследований нашли отражение в научно--тэхнических отчетах и внедрены на п/я В-8729. Результаты работы использованы для реализации способа неразрушающего контроля заполнителя оболочек при акустическом воздействии малой интенсивности и диагностики технического состояния конструкций при автоматизированной экспертизе.

Апробация работа. Апробация работы проведена на этапах стендовых испытаний натурных двигателей А и Б .разрабатываемых предприятием п/я В-8729. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Пермского политехнического института,Тульского политехнического института,Пензенского высшего военного артиллерийского училища,Тульского высшего военного артиллерийского училища 1975...1991 г.г., III Всесоюзной конференции по даигателестровнию в МАИ (г.Москва) - 1985 г. и отраслевого семинара КБ машиностроения (г.Пермь) - 1986 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах,получено 3 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работа.Диссертация состоит из введения,четырех глав,заключения, списка литературы, включающего 190 наименований и приложений. Работа содержит 164 страницы,в том числе 14 рисунков,7 таблиц,а такке приложений на 83 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш,приведена аннотация выполненной работы.

Первая глава диссертации посвящена обзору методов анализа работоспособности тонкостенных оболочок с заполнителем на основе автоматизированных систем отработки конструкции,получения данных и интерпретации результатов измерений параметров. Экспериментальным методам отработки изделий,достижения высоких показателей надежности уделяется большое внимание. Анализ работ дает представление о основных направлениях совершенствования процессов отработки заполнителей. Развитии методов экспериментальных исследований оболочек с заполнителем посвятили свои работы Б.И.Ворожцов, Г.Е.Кузнецов, А.И.111ишичев, А.Л.Осокин, А.В.Швецов и другие авторы. Характеристики процессов на-гружения изделий устанавливаются методами тензометрирования и фотоупругости. Определение динамических нагрузок, действующих на элементы конструкции, осуществляется измерением виброускорешш с доследующим анализом спектров.

Исследования в области расчетов динамических параметров полей напряжений и деформаций заполнителя оболочек даны в работах В.В.Ере-славсхого, М.А.Кдьгамова, Б.А.Корбута, М.А.Колтунова, О.В.Кузнецова, П.П.Лихнова, В.В.Москвитина, В.В.Мошева, Я.С.Садикова и других. Как правило,авторы рассматривали динамическое деформирование заполнителя при действии осциллирующего внутреннего давления. Динамические физико-механические свойства материалов конструкций устанавливались в опытах с образцами из материала заполнителя. Деформирование динамической системы описывается с помощью реологических соотношений для материалов заполнителей или с помощью комплексного представления динамических свойств среды.

Эти метода расчета зафиксированы в руководствах по расчету на прочность и обеспечивают надежную работу конструкций без учета индивидуальных особенностей как изделия так и условий его эксплуатации.

. Применение ЭВМ и ПЭВМ в процессе доводки изделий и исследовании режимов эксплуатации позволило использовать более полно представления о динамическом нагружении конструкции как физическом процессе и применять метода имитационного моделирования вибрации изделий с

учетом параметров,характеризующих реальные, нагрузки,особенности конструкции и практики получения и обработки информация при экспериментальных работах.

При целенаправленных исследованиях технического состояния оболочек с заполнителем на этапах отработки и эксплуатации необходима разработка алгоритма вибродиагностики изделий,который позволяет максимально приблизить числейные исследования к действительным условиям функционирования конструкций.

Сохраняя схему отработки заполнителей оболочек и развивая существующие методики расчетов напряженно-деформированного состояния элементов конструкций сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработать алгоритм вибрационной диагностики оболочек с заполнителем на основе данных виброизмерений,проводимых при испытаниях натурных двигателей.

2. Создать обобщенную математическую модель исследования контролепригодности конструкций.

3. Получить приближенные к. инженерной практике математические модели вибраций днищ и корпуса изделий,соответствующие начальному этапу вибродиагностики заполнителей.

4. Провести численные исследования напряженно-деформированного состояния заполнителя с учетом реальных динамических нагрузок,реализованных в ходе функционирования двигателей.

5. Разработать программы расчета на ЭВМ (ПЭВМ) собственных частот колебаний, конструкций,параметров напряженно-деформированного состояния заполнителя,обработки результатов виброконтроля и классификации технического состояния изделий.

6. На основе теоретических исследований и экспериментальных данных дать предложения по неразрушавщему методу контроля технического состояния заполнителя оболочек.

Каждая из поставленных задач исследовалась в отдельности. Взаимосвязь их заключается в том,что результаты решения каждой из задач явились составляющими общего алгоритма вибродиагностики заполнителя, прочносхрепленного с оболочкой.

Анализ причинно-следственных явлений,сопровождающих колебания двигателя,показал,что в качестве диагностируемых параметров могут быть приняты напряжения и деформации в элементах конструкций.

Во второй главе приводятся обоснования расширения номенклатуры контролируемых параметров конструкции в условиях их отработки и эксплуатации. В настоящее время нормативные методики расчета заполнителя оболочек для случаев функционирования предусматривают осциллирующий характер действующих нагрузок и нагрузок ударно-волновых процессов. При этом предполагается детерминированный закон внешнего воздействия. Такой подход предполагает независимость действия нагрузок от динамических реакций конструкций.

Однако в процессе работы реальных изделий динамические воздействия формируются в зависимости от характера протекающих рабочих процессов запуска,работы на маршевом режиме,режиме истечешш газов из камеры сгорания. Конструкции совершает вынужденные и резонансные колебания. Эти колебания зависят от характера возмущающих сил,их частотного и амплитудного состава,от упругомассовых характеристик элементов конструкции двигателей,которые зависят от конструктивных,технологических и эксплуатационных факторов. Таким образом,в процессе работы изделий происходит формирование и изменение действующих нагрузок, изменение характера колебаний конструкции,связанного с проявлением динамических физико-механических свойств материалов,таких как динамический модуль упругости,коэффициент Пуассона,коэффициент демпфирования^ также -связанного с механизмами образования и поддержания возмущений.

Достоверные нагрузки могут быть определены только экспериментальным путем регистрацией уровней пульсаций давления и динамической реакции конструкции. Лдя работающего двигателя прямым методом оценки уровня воздействующих динамических нагрузок является регистрация вибраций изделия. В качестве диагностических признаков принимается значение виброперегрузок,изменение которых связано с изменением технического состояния оболочки с заполнителем и с генерацией вибрации при функционировании двигателя.

Для реализации поставленной задачи по установлению механизмов колебаний газа исследованы акустические нагрузки в системе "тонкостенная оболочка-заполнитель". В основу методики положен принцип моделирования,позволяющий по результатам опытов на лабораторной установке принимать решение с определенной точностью о вибрационных нагрузках в натурных условиях.

Эксперименты осуществлялись при продувке через модельную камеру воздуха с расходом 0,66 кг/с. Статическое давление в канале было 0,2 МПа. С целью помеха резонансных режимов работы установки использовался источник акустических колебаний 75 ГИ в диапазоне частот 100 ... 2С00 Гц. Воздух подводился к наружной поверхности пористого заполнителя и,попадая во внутренний канал модели,истекал через критическое сечение сопла. По длине канала сыло установлено пять датчиков акустического давления ДХС - 517. Полученные результаты позволили установить качественную картину распределения амплитуд пульсаций давления во внутреннем канале заполнителя и произвести оценку уровней шумов для последующих расчетов параметров напрянендо-дефор-шрованного состояния конструкции. Система безразмерных параметров, составляющих базу подобия исследуемого процесса,включала выражения:

Рг—_ , «е-—, Я. —, м._, нераспространение звуковой волны представлено в виде: «э2?+ГЭ?

Решение уравнения (I) зависит от граничных условий. Применяя законы линейной акустики и аналогии колебательных процессов в акустических и электрических системах,получено частотное уравнение,корни которого представляют собой значения частот свободных колебаний объема газа во внутренней полости заполнителя с учетом ишсндансэ соплового отверстия. Решение внличало также наличие объемов слева и справа для отрезка трубы.

Расчетные значения свободных колебаний газа соответствуют экспериментально установленным частотам резонансного увеличения уровня шумов при продувке модельной конструкции. Уровень шума в модельной установке достигал 163 дБ на частоте 440 Гц.

Уровень звукового давления в акустической системе устанавливался в предположении поршневого излучателя. Распределение амплитуд пульсаций давления газа в модельной установке соответствовало результатам измерений.

Принимая во внимание подобие акустических процессов в модели и в натурном двигателе,был осуществлен расчет собственных колебаний столба газа в натурном двигателе и характер распределения амплитуд

по длине канала, что позволило в дальнейшем принять результаты экспериментально-теоретических работ для моделирования динамических возмущающих воздействий в тонкостенных оболочках с заполнителем. Результаты расчетов распределения давления приведены на рис. I.

Распределение амплитуд пульсации давления (модель)

лР I.

у 'м* 400

230 О

-2« -400

1-г25гц>2-430Гц13-7<|)п|

(М 02 -^0,5 1 СМ

Км

Рис.1

Для натурного двигателя уровень шума достигает 170 дБ на частотах, соответствующие продольнощ- акустическому резонансу столба газа в канале.

Для создания обобщенной модели диагностики оболочек с заполнителем введены в рассмотрение операторы Ь и 5 _ устанавливающие связи между возмущениями, основными конструктивными параметрами изделий ж вибрациями, а также между вибрациями и параметрами,характеризующими техническое состояние оболочек с заполнителем.

Каждому элементу состояний заполнителя оболочек соответствует система дифференциальных уравнений:

Уг ( Г 3 {(х^С) -6г<ЛгтЛ(0 >

н,нД ЭХ, 3*1 Эхг 1 я/4'' 1а>г

н,нг1- + -дхТ" зхг + 41 ЗХ< -I Кг** Уп

згг

в которую вошли волновые уравнения для упругих тел,уравнения динамики тонкостенных оболочек в форма,содержащей погонные усилия и изгибающие моменты в срединной поверхности,уравнения,описывающие характер возмущающего воздействия.

Вибродиагностика тонкостенных оболочек с заполнителем построена по следующей схеме. По результатам виброконтроля нескольких реализаций функционирования двигателей формируется эталонный спектр вибраций изделия. Сравнивая эталонный спектр вибраций конструкции с вибрациями диагностируемого изделия получаем матрицу распознавания в форме,представляющую собой кодирование разностного спектра на информативных частотах. Код принимается либо 0,либо I. Для увеличения номенклатуры параметров технического состояния оболочек с заполнителем решается система уравнений (2) относительно виброускорений с последующими итеративными приближениями результатов контроля и расчета. Результатом решения обратной задачи является определение динамических физико-механических характеристик материалов конструкции, которые позволяют получить расчетным путем шля напряжений и деформаций и подготовить данные для принятия решения о техническом состоянии изделий.

Синтез математического моделирования колебаний конструкций и результатов вибрографирования натурных объектов позволили получить достоверную качественную и количественную картину вибрационных полей изделий и характера действующих нагрузок, что подтверждает работоспособность предложенного алгоритма вибродиагностики оболочек с заполнителем и свидетельствует о корректности теоретических предпосылок о возможности учета реальных условий функционирования изделий для оценки надежности элементов конструкции.

Третья глава посвящена численным исследованиям колебаний полусферических днищ, прочное крепленных с упругим и вязко-упругим заполнителем. Последовательно рассматриваются свободные и вынужденные колебания для первой и высших гармоник.. Для сферических оболочек система уравнений (2) имеет вид:

где ,(}г , - усилия в оболочке. Радиальные

перемещения толстостенного полого заполнителя могно представить в виде:

+-Н} (ЗСо1в -0вСпи)Ъ .

Окруяные перемещения толстостенного полого заполнителя имеют вид:

При нулевых начальных условиях и граничных условиях в виде:

получаем определитель системы уравнений относительно постоянных интегрирования Е, Р, Б, Н .

Условие определения собственных частот колебаний полусферических днищ с заполнителем имеет вид:

(.2.3,4). (4)

Для параметров днища конструкции Пс/К * 0,4 , Е5- 2МПа, Ек*М&*НПа. И» 4,8мм, 0,45, I*» О, г , ЯМ,2 м в диапа-

зоне до 500 Гц результаты решения по (4) дают значения собственных частот от 6,5 Гц до 506,3 Гц.

Для симметричных форм колебаний частотное уравнение имеет вид:

СХ"~Р-----(5)

Решение уравнения (5) осуществляется графически (рис.2) частота равна: г. . Хщй ,ае аг.

7<- 23Г-Я • ® Р

Графическое реиен::е частотного уравнена

Рис.2

При выборе функции нагрузки для решения задач:: о вынужденных колебаниях днищ,наиболее слошык является установление закономерностей распределения возмущающего дазления по поверхности конструкты. Зга неопределенность является основной причиной несоответствия расчет-нкх и фактических данных по характеру и уровни вибраций днищ. Применение ЗИЛ (ПЭВМ) позволяет осуществить вариантные расчеты процессов вынужденных колебаний при задании законов внесшего воздействия з виде: Р(9)=-РСо529, ?(&)* РЦ-Ыл2&) .

В дальнейшем было принято:

|-р(5Со$ге-1).

(6)

В соответствии с (6) граничные условия для первой Форш колебаний можно представить в виде:

¿rr¡r,rK-- - , Яг-г,- 0 , ¿rr^^jr.R.'-O, Tra + q., I r-к'-О .

Для высшей формы колебаний граничные условкя имеют вид:

. '

* О

гпв|гггк 1 0 , гге>* ty, ir««.'

Численные исследования форм колебаний показали,что наибольшие виброперемещения днищ наблюдаются в районах перехода днищ на корпус двигателя и в зоне,соответствующей 0°. Амплитуды впброперомэщсшп! канала приведены на ркс.З.

Амплитуда виброперемещений канала заполнителя

Демпфирующие свойства материала заполнителя учтены в виде комплексного динамического модуля упругости. Численные значения виброперегрузок, а также напряжений и деформаций в резонансных зонах зависят от коэффициента потерь материала заполнителя. В ходе вычислений параметров вибрации установлено,что наиболее неблагоприятное с точки зрения вибронагруженности состояние конструкции наблюдается при совпадении уровней вибрации на различных частотах. Для принятого варианта расчетов таксе состояние соответствует г* Д. = о(б .В это» случае наблюдается существенное (в 3 раза) увеличение контактного напряжения (рис.4).

Относительные контактные напряжения по мере выработки заполнителя

0,5 0,8

Рис.4

В опытах с двухслойными консольными балками установлены количественные параметры динамических физико-механических характеристик материалов-имитаторов заполнителя оболочек,а также исследованы возможности использования комплексного представления динамического модуля упругости при решении проблем свободных и вынужденных колебаний механических систем с демпфированием. Полученные результаты показали, что применение комплексных характеристик материалов удовлетворяет требования инженерной практики. Коэффициент потерь двух составов заполнителя ЮА/З и 14/18 определялся в опытах по вибрационному разогреву образцов в режимах вынужденных колебаний. Угол сдвига фаз между напряжением и деформацией изменялся от 6° до 30°.

В четвертой главе изложен алгоритм исследования свободных,вынужденных, случайных колебаний конструкций цилиндрической формы а рассмотрена реакция системы на импульсное воздействие. С целью совершенствования процесса диагностики технического состояния конструкций рассматривается двухслойная цилиндрическая оболочка с заполнителем з учетом демпфирующих свойств материалов корпуса.

Получен частотный определитель динамической системы,принимая во шикание конечную длину цилиндрической части конструкции.

Вид определителя: с(,еЪ||Ку||* о, ¿^«1,2 з,4 ,где коэффициенты «у определяются на основании граничных условий: (

ьгг1г.п, • о , ¿гг+<*а|г.»"° . |г., * 0 11 Решения системы уравне-

шй (2) в цилиндрических координатах.

Функция перемещения для заполнителя представлены в форме:

- [АД (иг) (« Г)] (С5 Р Со5р2 -- С6р&цЬ}1»)(С7Со&иг(> ^-С^тий) иг* [АЛ.(кг) 4-ЬМ«(кг)](С,тСо$т2 -Сгт51птг)(с3Со5шЬ+-

+-В1М,'(пг)| (С5Со5р2+С65ирг)(С?Со&£ог+С85ьп«Ъ),

ри условии полной выработки заполнителя радиальные осесимметричные астога собственных колебаний двухслойного цилиндра определяются о соотношению:

42- ( _±_ г

Л Шпа &1 47* ' 4 *

Радиальные динамические перемещения дая случая плоской деформации имеют вид:

и) „М^И^

^ИСД^КЧ-^)]*'

При отсутствии жесткого скрепления оболочки и заполнителя радиальные динамические перемещения определяются по соотношению:

г„~№ + Хгт , - гг^рЛ./о , Хм=т.р(ц)-а.р0г/ы).

В ходе испытаний натурных изделий А и Б было осуществлено измерение пульсаций внутреннего давления в камере сгорания и вибраций корпуса двигателей с последующим спектральным анализом. В ходе испытаний установлено существенное изменение амплитуд параметров давления I! вибрации,а также частот их действия. Были установлены моменты времени,для которых амплитуда пульсаций давления и вибрации достигали наибольших значений. Бьезоакселерометры устанавливались в центре и з районе стыковочных шпангоутов двигателей. Датчик:! давления типа ЛХ. устанавливались на днищах.

С целью определения напряжений п деформаций,возникающих при колебаниях заполнителя,были осуществлены итеративные расчеты до наилучшего (до Ъ...Ъ%) совпадения результатов эксперимента к вычислений. Полученные данные позволили провести анализ долговечности конструкции в контрольных зонах: в зоне контакта заполнителя с оболочкой и в зоне внутреннего каната. Критерии долговечности соответствовали допустимым нормам, что подтвердилось отсутствием разрушений по причинам вибраций. Результаты диагностики, для двигателя А приведены на рис.5.

Измерительная и анализирующая аппаратура подобрана в соответствии с требованиями и рекомендациями и/я В-8729. Напряжения рассчитывались по соотношению + 26*6у для центральной части двигателя.

Результаты диагностики контактного радиального нормального напряжения в заполнителе ( двигатель А )

аг ИПа________

2в4гч

40

го

08

МГц

— МДПМЖПШЯ

— ««БМЦМЯ

240 Гц -

•ИОГц

683гч

0.4

ЗИГц

■»«ЧШ.-!

I I

3«

128Ц

П_ ¡-'«»Гц

МвГцН г

318Гц

3<8Гц

! ЗИП.

2

Рис.5

Ь с

При испытаниях двигателей был установлен спектр вибраций и его свойства,которые могут быть приняты в качестве эталона,для последующего сравнения параметров диагностируемого двигателя и параметров эталона.

Рассмотрены возможности алгоритма вибродиагностики заполнителя и оболочек при действии случайных нагрузок. Приведена нормированная спектральная плотность давления,хорошо согласующая с экспериментальными данными. Вид этой зависимости следующий:

3

-I

кч

1

[(<-«7с4)**01и><Д<]

Решение о техническом состоянии конструкции принимается по величине коэффициента запаса прочности из условия ограниченной долговечности при непрерывном законе распределения напряжений.

В случае импульсного характера действующей нагрузки радиальное перемещение заполнителя принимается в виде:

Показатель затухания определяется из выражения:

П -

Переходный процесс систеш после прекращения действия импульса представляет собой свободные затухающие радиальные колебания. Итеративные расчеты виброперегрузок конструкции при импульсном воздействии показали,что динамический модуль упругости материала заполнителя выше,чем при гармонических колебаниях.

Лдя сравнительной оценки расчетных и экспериментальных значений собственных частот колебаний двухслойной оболочки, а также уровня вибраций осуществлено нагружение оболочки типа "кокон" акустической нагрузкой. Показано,что результаты расчетов хорошо согласуются с опытными данными. Точность получаемых опытным путем результатов находилась в пределах 7... 105?.

Экспериментальные исследования вибраций металлической оболочки с заполнителем с наружным диаметром 200 мм и длиной модельного образца 600 мм показали,что разработанная теоретическая модель колебаний конструкции согласуется с опытными данными,а способ определения динамических физико-механических характеристик материалов заполнителя (динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона) при акустических воздействиях малой интенсивности является основой не-разрушающего контроля оболочек с заполнителем. При этом акустический излучатель (например, 10 ГРД - 1У - 5) устанавливался во внутреннем канале заполнителя. Звуковое давление внутри модельного двигателя контролировалось с помощью измерительных микрофонов М 101 аппаратуры ШВ-1 (ВШ8-003). Вибрации корпуса модели и внутренней поверхности канала заполнителя измерялись с помощью пьезоакселеро-метров типа ИС,АВС и Д-14. Результаты экспериментов и расчетов виброускорений даны на рис.6.

Результаты виброконтроля оболочки с заполнителем а

м/с*

(ООО

Рис. 6

Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о кожретности и информативности вибраций в оценке динамического напряженно-деформированного состояния оболочек с заполнителем,являются основой для построения автоматизированных систем контроля и диагностики в информационных технологиях отработки и эксплуатации подобного типа изделий.

В приложениях к диссертации даны необходимые сведения по разработанным ФОРТРАН-программам, приведены расчетные соотношения,а также документы по внедрению результатов диссертационной работы.

основные вывода

1. Разработана методика анализа конструкции "тонкостенная оболочка-заполнитель" как объекта диагностики. Предложенный алгоритм рассматривает колебательную систему с иерархической структурой связей. Приведены исследования контролепригодности системы с учетом реальных условий испытаний и эксплуатации.

2. Предложена методика анализа вибрационной нагруженности заполнителей ,прочноскрепленных с тонкостенными оболочками,на основе последовательного рассмотрения различных случаев воздействия динамических нагрузок. Наиболее интенсивные колебательные процессы наблюдаются на этапе функционирования систем. Действующие возмущения имеют широкий амплитудный и частотный спектры. Теоретические и экспериментальные исследования показывают,что амплитуда пульсаций внутрикамер-ного давления на изделиях А и Б достигает 0,8 МПа в диапазоне частот 100...1000 Гц. Уровень вибрации при этом достигает 40д .

3. Наиболее информативными признаками состояния конструкции являются вибрации. Экспериментальные значения уровней виброперегрузок. и соответствующих частот получены методом спектрального анализа.

4. Использование закономерностей распространения упругих волн в трехмерной среде и уравнений колебаний тонкостенных оболочек позволило получить удобные в инженерной практике соотношения,позволяющие оценить расчетные и экспериментальные значения вибраций и подготовить данные для принятия решения о техническом состоянии конструкции. Учет диссипативных свойств материалов изделий представлен комплексными динамическими физико-механическими характеристиками.

Расчетные значения показателей долговечности заполнителя в контрольных точках хорошо согласуются с результатами натурных экспериментов. Точность результатов удовлетворяет инженерным требованиям. Решения могут быть использованы в качестве тестовых задач расчета вибрационных полей и параметров напряженно-деформированного состояния оболочек с заполнителем.

5. Разработан способ неразрушающего контроля заполнителя оболочек при акустических воздействиях малой интенсивности. Идентификация частот в резонансных спектрах осуществлена с помощью частотных определителей.

6. Разработан алгоритм автоматизированной функциональной вибродиагностики технического состояния оболочек с заполнителем по наличию и классификации признаков вибрационных полей конструкции. Предложенное программное обеспечение позволяет осуществить итеративные расчеты амплитуд вибраций и параметров напряженно-деформированного состояния оболочек с заполнителем с учетом решения обратной задачи по определению динамических физико-механических характеристик материалов конструкций.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Кычкин В.И. Собственные частоты осесишетричных колебаний метал-лостеклопластиковых цилиндрических оболочек / Сб.трудов Полимерные материалы в ь5ашиностроении.-Иериь:П1Ш.-1У73.-й 127.-С.64-6?.

2. Собственные радиальные симметричные колебания неоднородной полой сферы / В.И.Апанасенко ,В.И.Кычкин, Я.С.Садиков, А.Т.Семенов // Известия вузов. Авиационная техника.-1975,2.- C.I5I-I53.

3. 0 проектировании•комбинированных тонкостенных оболочек / В.Г.Боков, В.И.Кычкин, А.П.Мордвин, А.А.Меркушев, А.Д.Фролов // Оборонная техника.-1976.-J& 5.- С.20-2г.

4. Кычкин В.И., Мордвин А.П., Меркушев A.A. Случайные радиальные вибрации толстостенного цилиндра,прочноскрепленного с комбинированной оболочкой / Сб.трудов Полимерные материалы в машкно-строении.-Пермь:ППИ.-1980.- С.48-55.

5. Мордвин A.IL, Кычкин В.И. О возможности определения динамических характеристик материалов вибропоглощающих покрытий в опытах с

изгибаемыми балочками / Сб.трудов Полимерные материалы в машиностроении. -ПЛИ. -Пермь, 1982.- С.77-81.

6. Кычкин В.И., Мордвин А.П. К расчету параметров вибрации комбинированной оболочки корпуса РДТТ прочноскрелленного с зарядом твердого топлива при импульсном воздействии / Библиографический указатель отеч. и заруб.материалов: Серия 3. ЦНШЙТЭМ. - Москва, 1985.-Вып.5.-ДЕЛ.I I7I4/I52I.

7. Садиков Й.С., Ботов В.А., Кычкин В.И. Алгоритм вибрационной диагностики напряженно-деформированного состояния комбинированной оболочки корпуса РДТТ по результатам огневых стендовых испытаний /Библиографический указатель отеч. и заруб, материалов. Серия 3. ЦНЙЙИТЭИ. - Москва,1985.-Вып.7.-ДЕЛ. й 1743/1568.

8. Севастьянов В.В., Кычкин В.И., Якимов C.B. Экспериментальные исследования динамических характеристик оболочек из композиционных материалов при акустическом воздействии / Тезисы докладов ХХУП научно-технической конференции ШШ,ПермьД991. С. 122.

9. Авторское свидетельство & 312977 (03.05.90) СССР / В.И.Кычкш, А.Ф.Сальников.

10. Авторское свидетельство Я 327706 (09.07.91) СССР / В.И.Кычкин, А.Ф.Сальников.

11. Авторское свидетельство № 1744537(01.03.92) СССР / В.И.Кычкш, А.Ф.Сальников, Е.А.Канцур.

Формат 60x84/16. Объем 1,25 п.л. Тираж 100. Заказ 1302.

Ротапринт Пермского государственного технического университета