Использование свободного программного обеспечения для моделирования стенда динамических испытаний элементов конструкций летательных аппаратов (Денис Киселев, OSEDUCONF-2022)

Ссылки сюда (1) →

Короткая ссылка: 20220520K

Докладчик

Денис Киселев

Исследования динамического поведения элементов конструкции летательного аппарата при вибрационных испытаниях является неотъемлемым этапом производства. Причина состоит в том, что вибрационные, ударные и иные эксплуатационные перегрузки вызывают повреждения аппаратуры и конструкции, что часто приводит к неработоспособности изделия. Необходимость в механических испытаниях привела к созданию устройств формирования соответствующих воздействий, которые удобно реализовать программным способом.

В работе приводится вариант реализации стенда динамических испытаний и моделирование его работы. Представлено программно-аппаратное средство для вырабатывания вибрационных и ударных сигналов по нескольким законам. Моделирование реализовано с использованием бесплатной онлайн-САПР TinkerCAD.

Для программирования используется свободное программное обеспечение. Сделаны выводы о возможности применения представленной модели к реальным испытаниям.

Видео

on youtube

Презентация

Thesis

• https://clck.ru/geKYo [4]

Введение

Конструкция летательного аппарата (ЛА) подвергается вибрационным и ударным воздействиям на протяжении всего периода эксплуатации от воздействия аэродинамических эффектов, силовой установки и пр.

Вибрации вызывают накопление усталостных повреждений в конструкции ЛА, ухудшая качество всех видов механических соединений. Особенно опасны вибрации с частотами, совпадающими с собственными частотами элементов конструкции, т. к. возникающие резонансные колебания элементов конструкции могут приводить к опасным последствиям, вплоть до аварий.

Для обеспечения требуемой надёжности и ресурса элементов и конструкции ЛА в целом производитель должен обладать информацией об устойчивости изделий к вибрационным воздействиям. Важнейшую роль здесь играют механические испытания, регламентирующиеся рядом ГОСТ, основополагающими из которых являются ГОСТ: 24812-81; 59005-2020; 51371-99; 24346-80; 30630.0.0-99; 30631-99, , и ряд других.

Механические испытания проводятся с использованием специализированных установок и стендов. В настоящей работе рассматривается моделирование вибростенда для испытаний на линейную одноосевую вибрацию и удар.

На рисунке представлен алгоритм работы стенда динамических испытаний, модель которого реализована в данной работе.

Алгоритм работы модели

Задание формы воздействий осуществляется с помощью программных средств, относящихся к свободному программному обеспечению (СПО). Программно-аппаратная среда — Arduino IDE, электронные и электромеханические компоненты.

Данная разработка преследует в первую очередь учебные цели и не претендует на полноту охвата требований к промышленным испытательным системам.

В представленной разработке, при включении программы пользователю предлагается начать новое испытание изделия на вибрационные воздействия (три режима испытаний, соответствуют ГОСТ 24346-80):

• Случайная широкополосная вибрация;
• Полигармоническая вибрация (сложение двух синусоидальных сигналов);
• Гармоническая вибрация на фиксированной частоте.

Переключение режимов осуществляется последовательным нажатием тактовой кнопки. Последнее нажатие кнопки обнуляет число нажатий, и программа готова выполнять новый тест.

Реализация с использованием свободного программного обеспечения

Для разработки использована среда TinkerCAD. Работа с СПО даёт возможность моделирования с использованием электронных компонентов (например, платы Arduino UNO) и создания программы на языке Си++ (версия Wiring).

Используемые компоненты: плата Arduino UNO; позиционный микросервопривод; 8-разрядный регистр сдвига; светодиоды разного цвета (жёлтые, зеленые, красные, оранжевые — по 2 шт.); жидкокристаллический экран; тактовая кнопка; резисторы; электрические провода, источник питания; вспомогательные компоненты, см. рис.

Схема модели динамических испытаний

Условные обозначения:

1

плата Arduino UNO

2

тактовая кнопка (управление режимами испытаний)

3

источник питания микросервопривода

4

жидкокристаллический экран

5

восьмиразрядный сдвиговый регистр

6

микросервопривод

7

светодиоды индикации положения коромысла микросервопривода

Микросервопривод питается от отдельного источника. Коромысло микросервопривода совершает вибрационные движения и через соединительные механизмы присоединяется к вибростолу с объектом испытаний. Представленная схема с микросервоприводом сможет воспроизвести колебания частотой не более нескольких герц (вследствие его инерционности), поэтому в реальных системах используют вибровозбудители электродинамического и иных типов.

Индикация углов поворота коромысла осуществляется светодиодными индикаторами. Начальное угловое положение коромысла — 90 градусов. В ходе работы положение коромысла меняется от 70 до 110 градусов (индицируется светодиодами определенного цвета). Например, при 105 — 110 градусах, загорается красный нижний светодиод. На ЖК-дисплее отображается информация о текущем режиме испытаний.

Результаты моделирования

При моделировании были получены следующие результаты. Для каждого режима построены временные диаграммы. Для первого режима испытаний (случайная широкополосная вибрация), временная диаграмма выходного сигнала представлена на рисунке 3. Для второго режима испытаний (гармонический сигнал, полученный сложением двух гармоник), временная диаграмма приведена на рисунке 4.

Временная диаграмма случайной широкополосной вибрации

Временная диаграмма полигармонической вибрации

Для третьего режима испытаний — гармонический сигнал с фиксированной частотой и амплитудой — временная диаграмма приведена на рисунке:

Временная диаграмма гармонической вибрации

Таким образом, можно провести испытания элементов конструкции летательного аппарата на вибрационные воздействия с последовательно устанавливаемыми режимами испытаний (временная диаграмма представлена на рисунке 7).

Последовательная работа трёх режимов испытаний

Конкретная циклограмма режимов испытаний задается разработчиками индивидуально для каждой конструкции.

Считывание данных о текущих реальных колебаниях элементов конструкции осуществляется вибродатчиками, разнообразными виброизмерительными приборами и системами, включая лазерные, оптические и т.д. (фирмы Zetlab, Микроникс, Brüel \& Kjær, Ometron, Endevco и др.).

Выводы

Разработано программно-аппаратное средство задания режимов проведения динамических испытаний элементов конструкции летательных аппаратов на вибрационные воздействия. Организовано выполнение трёх режимов испытаний (случайная широкополосная вибрация, гармоническая и полигармоническая вибрация), переключение между которыми осуществляет пользователь.

Данное устройство можно также использовать, например, для испытаний при производстве бортовых авиационных вычислителей и приборов. Такие объекты испытаний обладают относительно небольшими габаритами, что позволяет проводить испытания без потребности в высокой мощности исполнительных механизмов.

В качестве продолжения исследований планируется:

• расширение спектра возможных задающих воздействий (смесь случайной широкополосной и ударной вибрации; «качающаяся» гармоническая вибрация и т. д.), некоторые решения представлены в ;
• сервомотор в настоящей разработке использован в качестве имитатора, поэтому предполагается замена на электродинамические системы.

Ссылка на проект (здесь же представлен программный код с использованием СПО): [5], [6]