автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование методов измерений и разработка технических средств для автоматизированных систем модальных динамических испытаний

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЙОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Основные задачи модальных динамических испытаний и краткий обзор методов их реализации

1.2. Анализ требований к точности измерения параметров отклика конструкции при модальных динамических испытаниях

1.3. Анализ влияния погрешности возбуждения на характер отклика конструкции при модальных испытаниях.

1.4. Определение и анализ основных составляющих времени проведения модальных динамических испытаний.

1.5. Сравнительный анализ существующих технических средств для модальных динамических испытаниях механических конструкций

Выводы. Постановка задач исследований

Глава П. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИИ ПРИ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

2.1. Анализ погрешностей измерения основных динамических характеристиу при наличии вектора погрешности возбуждения.

2.2. Разработка методов повышения точности измерения основных динамических характеристик конструкции.

2.3. Исследование влияния изменения вектора погрешности возбуждения на точность определения амплитудных характеристик собственных тонов колебания конструкции

2.4. Исследования влияния аппаратурной погрешности измерительного канала на точность измерения собственных форм колебаний

Основные результаты, выводы

Глава Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ КОНСТРУКЦИИ ПРИ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

3.1. Предварительные замечания

3.2. Анализ влияния переходных процессов в механической конструкции на временные затраты эксперимента.

3.3. Исследование режима адаптивного управления частотой при одноточечном возбуждении конструкции

3.4. Разработка методов уменьшения временных затрат при выделении собственных режимов вибрации

3.5. Анализ требований к метрологическим характеристикам индивидуальных каналов управления возбуждением

Основные результаты, выводы

Глава 1У. РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОДАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Вопросы структурной организации блока управления силораспределением для автоматизированной системы динамических испытаний

4.3. Вопросы разработки аппаратных средств автоматического выбора диапазона измерений для многоканальной системы частотного анализа

4.4. Разработка структур измерительных трактов подсистемы анализа на основе цифро-аналоговых методов обработки сигналов

4.5. Технические характеристики разработанного блока управления силораспределением для автоматизированной системы динамических испытаний механических конструкции

Основные результаты, выводы

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается повысить эффективность научных исследований, значительно сократить сроки внедрения достижений науки и техники, углубить связь фундаментальных и прикладных исследований с производством. Совершенствование методов и средств экспериментальных исследований служит базой для выполнения поставленных задач.

Интенсивно развивающуюся область экспериментальных исследований составляют в настоящее время задачи анализа динамических свойств сложных механических конструкций. Решение этих задач создает основу для выполнения работ по обеспечению надежности, долговечности и качества функционирования механических объектов.

Для определения динамических свойств конструкций используются два основных вида вибрационных испытаний. К первому из них относятся испытаний, предполагающие моделирование реальных воздействий на конструкцию. При этом определяются статистические оценки и критические значения параметров колебания конструкции, ее амплитудно-частотные характеристики. Основной целью испытаний является оценка вибропрочности и виброустойчивости изделия и собственных частот изделия. Методы и технические средства испытаний в настоящее время в значительной степени стандартизованы и им посвящено достаточно большое число работ, среди которых можно выделить следующие [1,2,3,4,5].

Ко второму виду вибрационных испытаний относятся модальные динамические испытания [6,7]. Их целью является определение количественных оценок обобщенных динамических параметров конструкций, включающих в себя обобщенную массу (или жесткость), затухание,

- б а также собственные частоты и распределения амплитуд собственных форм колебаний [8,9]. Это позволяет уточнить параметры математической модели конструкции, полученные аналитическим путем.

Модальные динамические испытания получили наибольшее развитие при исследовании динамических свойств изделий в авиационной промышленности, подверженных экстремальным натрузкам при малых запасах по статической и динамической прочности. Методы модальных динамических испытаний обеспечивают исследование сложных механических конструкций, отличающихся близкими и взаимосвязанными формами колебаний. Они основаны на измерении амплитудно-фазочастотных свойств собственных тонов колебания конструкции, выделяемых с использованием специальных способов возбуждения [9,10,11]. Анализ полученных частотных характеристик позволяет определять искомые динамические параметры конструкции.

Комплекс аппаратных средств для проведения модальных динамических испытаний механических объектов включает в себя многоточечную систему возбуждения, многоканальную систему анализа отклика конструкции и средств управления экспериментом и обработки экспериментальных данных. Важное значение имеют используемые методы измерения и алгоритмы проведения эксперимента, определяющие точность, функциональную гибкость и производительность системы в целом.

Постоянное совершенствование конструкций летательных аппаратов приводит к необходимости детализации их математических моделей, что увеличивает объем данных эксперимента и выдвигает повышенные требования к точности его результатов. Необходимость создания и совершенствования технических средств для автоматизированных систем модальных динамических испытаний усиливается отсутствием серийных отечественных приборов, обеспечивающих проведение испытаний данного вида.

Вопросы проектирования технического обеспечения модальных динамических испытаний не получили в настоящее время должного развития, в связи с чем актуально проведение соответствующих исследований и практических разработок.

Диссертация посвящена исследованию методов измерений и разработке технических средств для автоматизированных систем модальных динамических испытаний.

В работе поставлены и решаются следующие задачи:

- разработка и исследование методов повышения точности определения обобщенных динамических характеристик конструкции при модальных динамических испытаниях;

- исследование и разработка способов управления возбуждением, сокращающих время реализации модальных динамических испытаний;

- разработка принципов структурной организации системы управления силораспределением и технических решений ее основных узлов;

- исследование и разработка принципов технической реализации аппаратных средств измерительного тракта системы модальных динамических испытаний.

Работа выполнена на кафедре Автоматики и процессов управления Ленинградского ордена Ленина электротехнического института имени В.И.Ульянова (Ленина).

Основные результаты и выводы

Рассмотренные в настоящей главе вопросы технической реализации элементов аппаратных средств автоматизированной системы динамических испытаний позволяет сделать следующие основные выводы.

Построение системы формирования возбуждения на базе предложенного многофункционального цифро-правляемого аттенюатора обеспечивает гибкость и наращиваемость системы, оперативное изменение ее функциональных характеристик, простую и экономическую реализацию операций управления. При реализации аттенюатора, управляемого двоично-десятичным кодом, следует использовать принцип суммирования раздельно сформированных аналоговых сигналов, соответствующих десятичным разрядам кода.

Задачи мультипликативного согласования диапазонов измерений в многоканальной системе частотного анализа решается наиболее экономично на основании косвенного способа определения диапазона, техническая реализация которого предполагает использование АЦП последовательного приближения. Предложен практический способ выбора диапазона, совмещенный с процессом измерения, не оказывающий влияния на производительность подсистемы анализа в целом.

Аддитивное согласование диапазонов измерений в системе частотного анализа следует реализовывать на основании измерения величин квадратурных составляющих сигнала отклика. Рассмотрены требования к метрологическим характеристикам технических средств формирования сигнала смещения при аддитивном согласовании.

Использование аппаратног реализованных параллельных измерительных каналов упрощает структурную организацию и решение задач управления измерением, не ограничивает функциональную гибкость подсистемы анализа. В системе частотного анализа с параллельной обработкой откликов конструкции в режиме разделения времени возможно управление параметрами алгоритма вычисления коэффициентов Фурье, определяющими методическую погрешность измерения. Предложенные программные способы автоматической коррекции инструментальных погрешностей аппаратной части измерительного канала позволяют снизить требования к метрологическим характеристикам его элементов .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Получены аналитические выражения, позволяющие с единых позиций вне зависимости от способа возбуждения конструкции, оценить методические погрешности результатов модальных динамических испытаний.

2. Разработаны методы коррекции экспериментальных частотных характеристик, позволяющие повысить точность определения обобщенных динамических параметров конструкции.

3. Разработан алгоритм адаптивного управления частотой возбуждения, обеспечивающий поиск резонансных зон частотных характеристик механических объектов.

4. Разработан экспериментально-аналитический способ поиска силораспределения при многоточечном возбуждении сложных механических конструкций.

5. Исследованы требования к метрологическим характеристикам каналов локального управления силами в системе многоточечного возбуждения и разработаны принципы структурного построения блока управления силораспределением.

6. Разработаны основы практической реализации входных устройств подсистемы анализа, обеспечивающие аддитивно-мультипликативное согласование динамических диапазонов сигналов для реализации методов коррекции экспериментальных частотных характеристик.

7. Исследованы вопросы структурной реализации измерительных трактов автоматизированной системы модальных динамических испытаний при управлении параметрами анализа и режима разделения времени.

По теме диссертации опубликованы работы [39, 53, 56, 63, 67, 68], по отдельным техническим решениям получены авторские свидетельства [38, 54, 64, 65, 69]. Проведенные исследования и разработки реализованы в узлах автоматизированных систем динамических испытаний, внедренных на промышленных предприятиях (ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского, рижское отделение ГОСНИИГА).

1. Иориш Ю.И. Виброметрия.- М.: Машгиз, 1966,- 716 с.

2. Кузнецов А.А. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматизации.- М.: Энергия, 1976.- 120 с.

3. Кренделл С. Случайные колебания.- М.: Мир, 1967.- 356 с.

4. Клюев В.В. Приборы и системы для измерения вибраций, шума, удара. Кн. 2.- М.: Машиностроение, 1978.- 430 с.

5. Ленк А., Рениту Ю. Механические испытания приборов и аппаратов.- М.: Мир, 1976.- 270 с,

6. Образцов И.Ф. 0 проблемах статики и динамики современных инженерных конструкций. Состояние вопроса, новые проблемы и перспективы. Проблемы прочности.- 1982, № II, 3-1I с.

7. Бисплингхофф Д., Эшли X,, Халфмэн Р. Аэроупругость.- М.: Иностранная литература, 1968.- 650 с.

8. Минишев Г.Н. Экспериментальные методы в динамике космических аппаратов.- М.: Машиностроение, 1978.- 315 с.

9. Смыслов В.И. Некоторые вопросы методики многоточечного возбуждения при экспериментальном исследовании колебаний упругих конструкций.- Уч.зап. ЦАГИ, 1972, т. 3, № 5, с. II0-II8.

10. Крейг М. 0 многовибраторных испытаниях. Ракетная техника и космонавтика.- 1974, т. 12, № 7, с. 52-61.

11. Смыслов В.И. Исследование колебаний линейных систем при многоточечном возбуждении и автоматизации измерений.- Труды ЦАГИ, вып. 1217, с. 64-86.

12. Кононенко В.Н., Плахитенко А.В. Методы идентификации механических нелинейных колебательных систем.- Киев, "Наукова Думка", 1976.- 114 с.

13. Стрелков С.К. Введение в теорию колебаний.- М.: Энергия, 1964.- 320 с.14. beatrU С.La Determination experimental des caracteris-tiqnes viBratoires des structures. ON ERA Mote Technique. N212,1973.

14. Колесников К.С., Сухов В.Н. Упругий летательный аппарат как объект автоматического управления.- М.: Машиностроение, 1974.268 с.

15. Бе VrlesG.Le ProBfeme de (!'appropriation des forcex dexcita-tion dans t'essai de vibration.1. recherche aerspatiaEe , N102, 1964.

16. Белвй Н.Г., Каурова Н.Ф. Экспериментальная техника и методы вибрационных испытаний конструкций летательных аппаратов.-М.: ЦАГИ, 1973.- 76 с.

17. Dat R. Determination des caracteristic|ues dynamygues dune structure .

18. Revue Fransaise de Macanicjue ; N 58 -59 , 1976.

19. Стретт Дж. Теория звука. Т. I.- М.: ГИТТЛ, 1955.- 370 с.

20. Гюссман Е.П. Курс вибраций частей самолета.- М.: Оборон-гиз, 1940.- 224 с.

21. Bishop R.&Eadweft! С. Note on resonance testing . •dournat Mechanics Enginering Scientific. 4963, N4- cl№-H9.

22. Asher G.V/. A method o| norma? mode excitation utiEizincj Qdmllance measurements.dynamics and AeroCasticite . N11, 195&.

23. Budd R. Anew approach to modal! viBration testing of complex aerospase structures.1.stitute of enviromentaf! sciences procedings ,\mEt5 , \Ш .

24. Смыслов В.И. Об экспериментальных способах исследования колебаний летательных аппаратов.- Труды ЦАГИ, вып. 1217, 1970, с. 3-62.

25. Kennedy С.PancuC. Use of vectors In vibration measurement! and analysis.

26. ЭоигпаС AEronauticaC Society , vot 14 , №47.

27. Жаров E.A., Смыслов В.И. Резонансные испытания модели самолета с использованием специализированного комплекса оборудования.- Труды ЦАГИ, вып. 1335, 1971.- 30 с.

28. Lewis R. and Wrisfey. A System for the excitation of pure naturaf modes o{ comptex structure.tJournaC of the Aeronautical Society . WW ,A951.

29. DecK A. Methode Automatize d'approprlation des Forces d'Excitation dans Cessal an soC d'une structure davion Communication presentee an Congres Euromech 22. NewscastCe 15-16, September 1970 .

30. Bonnean E.Determination des caracteristi^ues vibratoires d!une structure a E'aide de texrressLon de h puissance comptexe fournie.

31. Recherche Aerospatiale . N13>0, 19Б9.

32. Beatrix C. Methodes nouveECes pour characteriser Pes structures Cors de C'essai de vibration.

33. U Aeronautique et V Astronautique . N25 ,1971.

34. Эйкхофф JI. Основы идентификации систем управления.- М.: Мир, 1975.- 683 с.

35. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа.- М.: Мир, 1983.- 310 с.

36. Ramsey к. Elective Measurements for Structural! dynamics testing. Sound and Vibration. ApriC 1976 ,N4.

37. Вавилов А.А., Солодовников А.И. Экспериментальное определение частотных характеристики автоматических систем.- М.: Гос-энергоиздат, 1963. 252 с.

38. Каурова Н.Ф. Экспериментальное оборудование для динамических испытаний натурных самолетных конструкций.- М.: ЦАГИ, 1973.- 21 с.

39. Петушков В.Г., Долгодров В.Б. и др. Анализатора частотных характеристик.- А.С. № I03727I, опубл. Б.И., 1983, № 31.

40. Петушков В.Г., Солодовников А.И. и др. Цифроаналоговый анализатор периодических сигналов и частотных характеристик динамических систем.- В сб.: Опыт проектирования и эксплуатации радиоэлектронных систем.- Л.: ЛДНТП, 1975, с. 66-69.

41. Sofortron U70 Frequency Response ^atysers. SoEartron Farnbroucjh Hamphlre EngCand.

42. Долгодров В.Б., Кабанов В.В., Солодовников А.И. Цифро-аналоговые методы формирования и обработки сигналов в аппаратуре для частотных исследований динамических объектов.- В сб.: Вопросы теории систем автоматического управления.- Л.: ЛГУ, 1981.- 25 с.

43. Долгодров В.Б. Исследование и разработка цифроаналоговых аппаратных средств частотного анализа динамических объектов. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук, 1980, ЛЭТИ.

44. Кабанов В.В., Петушков В.Г. и др. Внедрение аппратуры частотного анализа в практику вибродинамических испытаний самолетных конструкций.- Отчет по НИР № 0I82008355I инв. № 02820073269, 1982.

45. Programma&Ee Frequency Response Measurement System 1191. Sofortron FarnBorough Engfand.

46. Каталоги фирмы Про дера.- Париж, 1977.

47. Белов Г.А., Логунов Б.А. Исходные требования на проектирование измерительно-информационных систем для динамических испытаний.- Научно-технический отчет ЦАГИ, 1979, № 1904.

48. Вычислительная система вибрационного анализа. " Codevin-tek " (проспект фирмы), 1976.

49. Солодовников А.И., Альховик А.С., Петушков В.Г. Разработка цифровой измерительной аппаратуры для исследования частотных характеристик автоматических систем.- Отчет по НИР, ЛЭТИ, 1977, гос. регистрационный № 77028231.

50. Sayfer R. A. An automatic data system \or vl6rati.on modat tuning and evaluation.

51. NASA technical note . April 1975.

52. Смыслов В.И., Васильев И.К., Язвин В.М. Оборудование для многоточечного возбуждения колебаний при динамических испытаниях. Приборы и системы управления, № 10, 1976, с. 35-37.

53. Vibrations Prodera S.A.souete de production et de deveEoppement radio eEectrique (проспект фирмы) \Ш г.

54. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике.- М.: Наука, 1977.- 820 с.

55. Петушков В.Г., Долгодров В.Б., Кабанов В.В., Хроленко В.Ф. Анализатор гармоник измерителя некруглостей на основе микропроцессора К580Ж80.- В сб.: Микропроцессорные системы, Л.: ЛДНТП, 1979, с. 36-38.

56. Петушков В.Г., Долгодров В.Б., Кабанов В.В. Анализатор частотных характеристик.- А.С. № 800965, опубл. Б.И. 1981, № 4.

57. Исследование влияния технического состояния несущих поверхностей изделия 40 на изменение динамических характеристик.-Научно-технический отчет ГОСНИИГА (Рижское отделение № 800594443), 1981.

58. Петушков В.Г., Фомичев Б.Е. Особенности построения многоканальной аппаратуры для исследования сложных механических объектов.- В сб.: Аппаратура для виброиспытаний и анализа частотныххарактеристик промышленных объектов.- Л.: ЛДНТП, 1982.

59. Кабанов В.В. Исследование и разработка цифроаналоговых средств формирования нармонических сигналов в системах частотного анализа динамических объектов.- Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук, 1979, ЛЭТИ.

60. Солодовников А.И., Петушков В.Г. и др. Создание автоматизированной системы управления динамическими испытаниями АСУДИ.-Отчет по НИР № 0I820I97633, инв. № 0319 0073378, 1983.

61. Кобболд . Теория и применение полевых транзисторов.-Л.: Энергия, 1975.- 304 с.

62. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразователи информации / Под ред. Смолова В.Б.- Л.: Энергия, 1976.- 336 с.

63. Темников Ф.Е. Теория отсчетных адаптаций.- Труды МЭИ, 1963, вып. 52, с. 5-16.

64. Коломиец О.М., Прошин Е.М. Автоматический выбор диапазона измерений в цифровых приборах.- М.: Энергия, 1979.- 127 с.

65. Петушков В.Г., Долгодров В.Б., Кабанов В.В. Повышение точности измерений Фурье-анализатором малых сигналов при наличии постоянной составляющей.- В сб.: Коммутация и преобразование малых сигналов.- Л.: ЛДНТП, 1977.

66. Долгодров В.Б., Кабанов В.В., Петушков В.Г. Анализатор частотных характеристик.- А.С. № 67944. Опубл. БИ 1979, № 30.

67. Петушков В.Г., Байков В.Д., Долгодров В.Б. и др. Анализатор частотных характеристик.- А.С. № 758080, опубл. Б.И. 1980, № 31.

68. Марюос Ж. Дискретизация и квантование.- М.: Энергия, 1969.- 144 с.

69. Петушков В.Г., Куликов М.А. Цифроаналоговый преобразователь с возможностью работы в множительном режиме,- В сб.: Линейные интегральные схемы и их применение в приборостроении и промышленной автоматике.- Л.: изд. НТОПриборпром, 1977.

70. Петушков В.Г. Повышение точности аналогового множительного устройства на базе микросхем 140МП1.- В сб.: Линейные интегральные схемы и их применение в приборостроении и промышленной автоматике.- Л.: изд. НТОПриборпром, 1977, с. I2I-I22.

71. Петушков В.Г., Долгодров В.Б., Кабанов В.В. Анализатор частотных характеристик.- А.С. № 813298, опубл. Б.И. 1981, № 10.

72. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем.- М.: Наука, 1977. 553 с.1. Ш1