автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Математические модели динамики, алгоритмы и информационно-измерительные средства виброакустической диагностики и неразрушающего контроля контактных устройств авиационных приборов

На правах рукописи

УЛАНОВ Андрей Викторович

УДК 681.5+621.327.12

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ, АЛГОРИТМЫ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА

ВИБРОАКХСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И НЕРАЗРУП1АЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ АВИАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ

Специальности:

05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы (промыитенность, научные исследования) 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2006

Работа выполнена в ГОУ ВГ10 «Ижевский государственный

технический университет» (ИжГТУ) и ОАО «КБ Электроизделий XXI века». Научные руководители:

заслуженный изобретатель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Лялин В.Е.

кандидат технических наук, доцент Третьяков В.М. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нистюк А.И.

заслуженный деятель науки Республики Башкортостан,

доктор технических наук, профессор Ураксеев М.А.

(Уфимская государственная академия экономики и сервиса, г. Уфа).

Ведущая организация: Институт прикладной механики УрО РАН (г. Ижевск).

Защита состоится 1 сентября 2006 г. в 12 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.065.04

в ИжГТУ по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, ауд.1-4.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 24 июля 2006 г.

(ИжГТУ);

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной электронной промышленности одной из важнейших задач является обеспечение качества контактных соединений (КС). КС в огромных количествах присутствуют в любом оборудовании (бытовые приборы, автомобили, бытовая техника, военная техника, авиация и др.). Плохое КС рано или поздно выведет из строя любое оборудование, где бы оно ни было установлено. Самое простое, что может случиться из-за плохого КС: это перегрев провода и оплавление контактной колодки. В результате, из-за одного некачественного соединения может выйти из строя сложнейший прибор, от которого зависит функционирование огромного комплекса. Последствия этого трудно предсказать, могут быть и человеческие жертвы.

Конечно, производители бытовой техники или несложных приборов могут сказать, что отказ одного-двух изделий не приведет к человеческим жертвам и не нанесут большой вред. Однако это утверждение вряд ли можно применить по отношению к таким направлениям, как авиация или космос, где цена ошибки может быть очень высока.

Авиационные приборы - это широкий класс устройств, предназначенных для измерения, анализа, обработки и представления информации, управления агрегатами и системами летательного аппарата (ЛА). Приборы вырабатывают информацию, которая необходима для управления движением ЛА, контроля и обеспечения безопасности полета. Учет возрастающих требований к точности и надежности решения современных полетных задач ведет к объединению приборов в приборные комплексы.

К приборному оборудованию относятся системы и комплексы высотно-скоростных параметров ЛА, приборные комплексы двигательных установок и топливных агрегатов, электронные системы отображения информации, системы предупреждения критических режимов полета, диагностические системы, системы регистрации аварийных режимов, экспертные системы и др.

Здесь выход из строя практически любого прибора может грозить множеству человеческих жизней и потерей высокостоимостного технологического оборудования. К сожалению, печальная статистика авиакатастроф по причине технической неисправности заставляет задуматься о потенциальной опасности, которую несут приборы, не обладающие достаточной степенью надежности.

В состав контактного устройства помимо контакт-деталей входит много конструктивных элементов, предназначенных для того, чтобы в совокупности создать законченное в конструктивном и технологическом отношении устройство, способное выполнять определенные функции.

На качество контакта влияют следующие факторы: физико-химическое состояние контактирующих поверхностей, т.е. наличие пленок, затрудняющих металлический контакт, и неровность поверхностей; процессы, происходящие при соединении, которые могут быть чисто механическими (при отсутствии тока); износ материала КС; протекающий ток и количество выделяющегося тепла; процессы, происходящие в контакте при замыкании и размыкании при наличии токов и напряжений.

Все вышеперечисленные факторы снижают надежность приборов, поэтому, тема диссертационной работы, посвященная повышению надежности контактных устройств авиационных приборов, является актуальной.

Объектом исследования являются: динамика и прочность КС авиационных приборов, информационно-измерительные средства для определения теп-лофизических характеристик конструкций деталей КС, устройства для виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных, теплофи-зических и магнитно-шумовых характеристик материалов деталей КС.

Предметом исследования являются: математические модели динамики КС, конечноэлементная дискретизация контактирующих деталей КС, алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, задача о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей, алгоритмы и технические средства для измерения температуропроводности, диагностики ресурса и магнитошумовой структуроскопии деталей КС.

Целью работы является проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических и методических решений, способствующих созданию математических моделей динамики КС на основе их конечноэлементной дискретизации, разработке алгоритмов и информационно-измерительных средств виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофизических характеристик КС, что будет способствовать оптимизации конструирования, повышению вибро- и удароустойчи-вости, а также надежности функционирования КС авиационных приборов.

Дня достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- построить математические модели динамики КС, провести их компьютерное моделирование и получить значения колебаний звеньев КС в любой его точке;

- осуществить аппроксимацию непрерывной искомой функции перемещения деталей КС, кусочно-непрерывной, определенной на множестве стержневых конечных элементов (КЭ); обеспечить функционирование автоматизированной подготовки топологической информации; определить наиболее подходящие функции формы для аппроксимирующих КЭ;

- разработать информационно-измерительные средства для определения коэффициента температуропроводности путем импульсного воздействия лазерного луча в точку поверхности конструкции КС, теплофизические свойства которой исследуются; определить аналитическую зависимость коэффициента температуропроводности от полуамплитуды напряжения на выходе датчика температуры, установленного в контролируемой точке детали конструкции КС;

- разработать способы диагностики анизотропии структурной плотности материала деталей конструкции КС в различных направлениях;

- создание устройств для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных изделий после их термической или холоднокатанной обработки, а также алгоритма и устройств определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов для выявления внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях КС;

- разработка алгоритма для распознавания образов дефектов по спектральным характеристикам деталей КС и устройства преобразования сигналов

датчиков, установленных на деталях КС для контроля их технического состояния и диагностики ресурса в условиях воздействия динамических нагрузок;

- представить алгоритм верификации виброакустических стохастических сигналов, снимаемых с контактного устройства, описываемых авторегрессионной моделью, позволяющей существенно сократить объем вычислений.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования.

Теоретические исследования основаны на решении уравнений математической физики, а также на фундаментальных основах теплофизики. Для построения приближенной исследуемой модели КС применен подход, в основе которого лежит метод сеток, а именно: метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет создавать высококачественные универсальные программные комплексы для ЭВМ.

Определение вектора узловых значений конечно-элементной модели конструкции КС осуществлялось на основе метода, основанного на вариационной постановке задачи, требующей минимизации специально подобранного функционала, и метода Галеркина, сводящего решение уравнения теплопроводности к системе алгебраических уравнений.

Разработка информационно-измерительных средств для верификации те-плофизических и магнитно-шумовых свойств материалов деталей КС осуществлялась на основе теоретических основ информатики, радиоэлектроники и микропроцессорных вычислительных средств, а также с учетом теории измерения электрических и тепловых величин. Оценка погрешностей измерений основана на теории точности измерительных систем.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами системного анализа функционирования контактных устройств авиационных приборов, использованием конечиоэлементных математических моделей КС и основополагающих методов теплофизики, теории дифференциальных уравнений и функционального анализа.

Алгоритмы имитационного моделирования динамики КС основаны на вычислительном эксперименте, теории обработки сигналов и информационных технологиях для определения физических характеристик материалов КС.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений, большим объемом экспериментального материала и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся разработанные автором диссертации математические модели динамики КС, а также информационно-измерительные средства и методики виброакустической диагностики и неразрушающего контроля материалов деталей КС, в том числе:

- алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, совершающих свободные ударные и вынужденные колебания;

- расчет колебаний контактной системы при кинематическом возбуждении, получение основных соотношений для вычислений напряжений методом конечных элементов в стержневой контактной системе;

- структурные и функциональные схемы технических средств для верифи-

кации теплофизических свойств материалов КС на основе коэффициента температуропроводности; алгоритмы распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры; устройство для определения анизотропии свойств материалов конструкций КС;

- конечно-элементная дискретизация деталей конструкции КС; некоторые подходы к разбиению области на КЭ; определение выражений функций формы для стержневых КЭ;

- анализ полученных экспериментальных зависимостей температуропроводности от температуры для материалов, широко используемых в конструкциях КС; применение импульсного метода лазерного нагрева для исследования теплофизических свойств материалов КС;

- использование метода магнитных шумов, основанного на перемагничи-вании контролируемой поверхности, последующего излучения ей магнитного поля шумоподобного вида, которое преобразовывается в электрический сигнал с помощью зонда - датчика, состоящего из измерительной катушки на ферри-товом сердечнике.

Научная новизна полученных результатов определяется созданием математических моделей динамики КС на основе их конечноэлементной дискретизации, разработке алгоритмов и информационно-измерительных средств виброа-кустичсской диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофизических характеристик КС, в ходе которых:

- представлен алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, совершающих свободные ударные и вынужденные колебания. Упругие звенья дискретизированы на конечные элементы. Оптимизация виброударной системы, моделируемой при помощи прямого интегрирования Ньюмарка производится методом проекции градиента. Полученные оптимальные конфигурации звеньев дают возможность сократить переходный режим движения системы, увеличить ее вибро- и удароустойчивость;

- представлена формулировка задачи о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей. Рассмотрены особенности получения реологических моделей контактных пар в соединении с конечноэлементной моделью системы, а также определение зон виброустойчивости и виброударных режимов конечноэлементной модели;

- разработаны основополагающие принципы селекции признаков для распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры, установленного в точке детали КС, на расстоянии между которой и точкой воздействия лазерного луча определяется коэффициент температуропроводности;

- имитационное моделирование виртуальных картин напряженно-деформированного состояния деталей КС осуществлено с помощью разбиения конструкции КС на КЭ, определения аппроксимирующей функции для каждого элемента, объединения КЭ в ансамбль, позволяющий составить систему алгебраических уравнений, размерность которой определяется суммарным количеством узлов всех КЭ, и определения вектора узловых значений перемещений на поверхности деталей КС;

- построен алгоритм распознавания дефектов деталей КС по вибрациям и акустическим шумам, описываемым авторегрессиоными последовательностями на базе полученных в работе выражениях, позволяющих существенно сократить объем вычислений необходимых для принятия решения о состоянии диагностируемого КС;

- разработаны алгоритмы и устройства для диагностирования методами неразрушающего контроля внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений, которые приводят к преждевременному старению материала деталей и деформированию КС. В алгоритмах в качестве информативных параметров используются временные характеристики сигналов: длительность фронтов нарастания и спада функции выходного сигнала, соотношение между реперными точками, например время между участками, в которых производные сигнала равны нулю. Также разработаны более сложные устройства виброакустической диагностики, потребовавшие использования временных характеристик сигнала вместо ранее измеряемых амплитудных, что значительно повышает помехоустойчивость алгоритмов преобразования сигнала с сохранением его информативности.

Практическая ценность. Важный для практики результат исследований автора диссертационной работы заключается в применении эффективных технических средств, математических моделей и методов классификации и распознавания акустических сигналов, вибраций и шумов.

Для построения приближенной модели конструкции КС применен подход, в основе которого лежит метод МКЭ, который обеспечивает хорошую точность, он доступен и прост для понимания, применим для задач с произвольной формой области решения и позволяет создавать высококачественные универсальные программные комплексы для ЭВМ.

Разработаны технические средства для диагностирования ресурса материалов КС и других наиболее важных напряженно-деформированных деталей контактных устройств на основе изучения спектральных характеристик.

Созданы методика и устройство, реализующие ее, для преобразования сигналов объектов для контроля их технического состояния, предназначенный для неразрушающего контроля и технической диагностики ресурса материалов КС в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов. Экспериментальные испытания методики показали, что она обладает большей точностью, поскольку процесс распознавания технического состояния объектов осуществляется по всему спектру частот напряжений классифицируемого объекта, а не по одной заведомо установленной гармонике. Введенная новая последовательность операций позволила существенно повысить точность контроля технического состояния объектов.

Получены экспериментальные зависимости коэффициентов температуропроводности с помощью созданных информационно-измерительных средств, обеспечивающих импульсное воздействие лазерного луча в точки поверхности конструкции КС, преобразование тепловой энергии, снимаемой в контролируемой точке конструкции, в электрический сигнал, предварительной обработки сформированного сигнала и вычисления этого коэффициента с помощью компьютера.

Реализации работы в производственных условиях. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке, создании и серийном изготовлении целой гаммы контактных устройств: 2ВНИ, 2ВНИК, 2ППИ, 2ППИК, ВНМ, 2ВНМ, ВНМ-С, КП-С, 2ВНМ-С, ЗППМ-С5, ППНМ, 2ППНМ, ЗППНМ, ПСР, П2Н, ПК4А, ПК4Н, ПНП, РШС1, ТД-70, ТД-70-1, ТД-70-2, ТД-70-3 и др.

Данные изделия разрабатывались при непосредственном участии автора работы в ОАО «КБ Электроизделий XXI века» по заказам предприятий и организаций: ОАО «ОКБ Сухого», ОАО «МВЗ им. M.JI. Миля», ОАО «Туполев», ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева», ОАО «ОКБ им. А С. Яковлева», ОАО «КА-МОВ», авиационный научно-технический комплекс «Антонов», ОАО «Авиационный комплекс им. С.В. Ильюшина».

Данные изделия были использованы в качестве комплектующих на самолетах и вертолетах следующих марок: Ту-134, Ил-76, Ил-86, Ил-96-30, Ан-38, Бе-200, Ил-76тд, Ил-96-300, Ил-114, Ту-22М, Ту-204-200, Ту-214, Су-21, Су-25, Су-27, Ан-70, Ту-22М, Ту-160, Бе-32, Бе-103, Ми-8, Ми-24, Ка-26, Ка-50 и др.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Российской па-учно-тсхнической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2001); Международной НТК, посвящ. 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002); International conference «Vibroingeneering, 2002» (Kaunas, 2002); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003); 6-м Международном конгрессе по мат. моделированию (Н.Новгород, 2004); Международной НТК «Искусственный интеллект-2005» (Таганрог, 2005); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2005,2006); Международной НТК «Интеллектуальные и многопроцессорные системы-2006» (Таганрог, 2006); 33 международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях н бизнесе» (Украина, Крым, Ялта - Гурзуф, 2006).

Публикации. Результаты работы отражены в 14 научных трудах: 3 статьи в центральной печати, 9 публикаций в сборниках материалов всероссийских и международных научно-технических конференций, 1 депонированная рукопись (объемом 41 страницу).

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 169 с. машинописного текста. В работу включены 69 рис., 2 табл., список литературы из 130 наименований и приложения, в котором представлены результаты испытаний различных контактных соединений и акт об использовании результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.

В первой главе описаны виды контактных устройств и соединителей, показан принцип их действия, рассмотрены контактное сопротивление, физико-химические процессы, происходящие в электрических контактах, тепловые явления при контактировании. Проведен анализ точности параметров КС на приме-

ре контактного нажатая и надежности контактных устройств, указаны особенности конструирования контактных устройств.

В данной главе представлены серийные образцы КС нажимного типа, разработанные и изготовляемые в ОАО «КБ Электроизделий XXI века» при непосредственном участии автора диссертации (рис.1).

Колпачок предохранительный (КП-С)

Переключатель однополюсный постоянного и переменного тока с нажимной и перекидной позициями (Ш1П)

Выключатель нажимной, переключатель

Переключатель кнопочный

перекидной двухполюсный для цепей повышен- четырехполюсныи со световой сигнализа-ной ицдуктаыюсти гермстгаированньш (2ВНИ) «ией с арретиром и нажимной (ПК4А)

Кнопка двухполюсная последо- .

вательного включения (П2Н) Рукоятка штурвала (РШС1)

Рис. I. Образцы КС нажнмного типа

Во второй главе применен метод конечных элементов для моделирования динамики контактных устройств и оптимизации формы их звеньев.

Рассмотрены звенья А, В, С, D контактной системы, общий случай которой представлен на рис. 2.

Возможно контактирование звеньев в точках i,j,k,l.... Примем, что площади контактирования ничтожно малы по сравнению с размерами звеньев. В процессе динамического контактирования происходят сложные явления, определяемые характером микронеровностей площади контактирования, жесткостью контактных пар и т.п.

Рис. 2. Общий случай контиктиой системы

Обычно для оценки интегральных свойств контактирующих пар в каждой точке i,j,k,l... используются реологические модели, содержащие упругие и различные диссипативные элементы, характеристики которых обычно, определяются путем непосредственного измерения или при сопоставлении результатов исследования движения или деформации математической модели подгоняются к результатам, полученным экспериментально на соответствующем реальном объекте.

. Рассмотрим особенности получения реологических моделей контактных пар в соединении с конечноэлементной моделью системы. Несмотря на различные возможности комбинации соединения упругих ri дисснпативных элементов в реологических моделях, ограничимся рассмотрением наиболее простой модели, состоящей из параллельно соединенных упругих и вязких диссипативных элементов в нормальном и тангенциальном направлениях. lía рис. 3 показана окрестность контактной точки /. Введем в этой точке локальную прямоугольную систему координат (*,>>',)> ось ординат которой совпадает с нормалью к контактирующим поверхностям в точке i. Коэффициенты жесткости и вязкого трения реологической модели в нормальном и тангенциальном направлениях обозначены KN, CN и Кт, Ст соответственно.

Перемещения любой точки в глобальной систем

координат обозначим

системе

Рис. Л Окрестность контактной точки i

локальной

к [><].

щих косинусов перехода из глобальной системы в локальную запишем:

Обозначив через

.матрицу направляю-

^| = М | | ^ Д-та удобства при математическом описании условно отделим

от реологической модели (рис. 3) звено сухого трения и оставшуюся часть представим в виде конечного элемента с узлами г, ь, присоединяемого к конечноэле-ментной конструкции звена.

Так как рассматриваемый конечный элемент (КЭ) обладает сосредоточенными упругими и вязкими параметрами, вместо относительной деформации е и напряжений ег используем абсолютные деформации £а и внутренние усилия сг0. Тогда деформации КЭ в направлениях осей локальной системы координат представим в виде: ег = \ }•, (2) а внутренние силы - в виде

{¿Л (3)

Работы внутренних сил КЭ Л1 и внешних сил Ае, действующих на КЭ при виртуальном изменении деформации 3{еа}, соответственно равны

<т„ -

Кт О О Ки

ст О о с„

кт о о к„

Д Т)1 |д7/ о с„_1д7

(4)

Ле = 5 {Еа}т {/}, (5) где {/} - вектор внешних сил.

Перемещение -{ ' выражается через узловые перемещения соотноше-

нием дни

, (6) где [ЛГ] =

-10 10 0-101

Подставляя (6) в (4), (5),

приравнивая работе А, работу А, и учитывая, что между локальными и глобальными узловыми перемещениями справедливо соотношение

X V

п. И ч ч

4, о [4

Л. Р..

■,(7) получаем для /-гоКЭ: [ + [С']Г51 = (8)

где (/]' = {«„«,}, [*'] =

М =

а' 0 0 а'

И

~кт о о к„

[К]

а' 0 0 а'

жесткости

а1 0 0 а'

И

0 С»,

[л]

а' 0 0 а'

(9) - матрица (10) матрица демпфиро-

вания

О

я'

[Л'П/} (11) вектор узловых усилий, обусловленных

внешними силами. В явном виде матрицы записываются:

[С>

о

а'

О

а'

О

Кт

О

-кт о о

см

о

о

К» о

К» о

ст о

-кт

о

О -Кы кт о о к„

(12)

(13) =

о

а'

-Л -Л Л Л

(14)

Полученные матрицы реологических моделей обычным образом включаются в структурные матрицы системы.

В случае объединения полученных матриц со структурными матрицами стержневой системы, число степеней свободы узла который больше двух, приведенные матрицы (12) и (13) должны быть дополнены необходимым числом нулевых строк и столбцов. Например, если тело представить ансамблем из стержневых КЭ, работающих на рас растяжение-сжатие и на изгиб, матрица жесткости принимает вид

Схема включения [ЛГ( ] в структурную матрицу системы показана на рис. 4.

[Л,] =---- (12') Запишем уравнения равнове-

~ П П ' Л п сия для КЭ реологической модели

контактной пары г, являющегося частью системы, в виде:

-кт 0 0 -кт 0 0

0 К» 0 0 -К, 0

0 0 0 0 0 0

—К-р 0 0 Кт 0 0

0 -К* 0 0 К-Н 0

0 0 0 0 0 0

(15). Здесь {/г'}. {/*"} являются узловыми сила-

ми взаимодействия КЭ в точках г и «. Узловые силы в точке 5 представим в локальной системе координат в виде вектора {-Р5}, где = • (16)

Тогда, учитывая возможность отрыва и проскальзывания в контактной зоне, образованной точками л, /, общую систему уравнений запишем в виде

[А/]{«} + [С]{«}+[К]{М} =

И И

(17)

Рис. 4. Схема включения в

структурную матрицу системы

где М, С, К - структурные матрицы системы, С/ - вектор узловых перемещений системы. Первое слагаемое правой части обозначает узловые усилия, воздействующие на узловые точки г и 5, а {/•"} обозначает внешние узловые усилия, воздействующие на остальные точки.

Очевидно, что в системе (17) неизвестных больше, чем уравнений, так как в общем случае, кроме узловых перемещений, неизвестны также и |/г'|,

поэтому к (17) должны быть присоединены дополнительные уравнения, записываемые в зависимости от условий взаимодействия в контактной паре в трех

возможных вариантах: 1. При ([я']2{/•"} й°)и([а']2({"'} (Реоло_

гическая модель растягивается в нормальном направлении, либо точки / и 5 не находятся в механическом контакте из-за зазора между ними) = {/•"} = О (18) Здесь означает зазор между звеньями в точке г. 2. При

1в'1И<0)Пв:«'1И*^Гв,1И|) (наличне к011такта; сила нормального взаимодействия такова, что проскальзывания не происходят)

= = (19) При получении конечноэлсмснтной модели сис-

темы узловых точек $ и! могут быть отождествлены и число степеней свободы уменьшено на два. 3. При (|[в']2 {/■1} <о)П(|[«']2 <([«'], (наличие проскальзывания при контактировании) [а']2({гг'}-{м3}) = 0; Здесь означает

' И,И = М{*"}^((У!({и1}-{«'})) (20) 1 "У- «Р«У матицы [а'], а

К - коэффициент сухого трения.

Система уравнений аналогично может быть обобщена как для случая нескольких контактных пар, так и для трехмерного случая. Заметим, что система уравнений (19) является частным случаем уравнений (20), полученных при равных тангенциальных скоростях точек 5 и / = 0 (21)

Что касается численного решения системы уравнений, формулировка в виде (19), (20) обладает тем преимуществом, что в ней совместное движение точек 5, / определяется не по практически никогда не удовлетворенному на ЭВМ равенству (21), а по неравенству (18), оценивающему внешние силы нормального взаимодействия. Это позволяет на практике значительно, улучшить сходимость численного интегрирования и не требует чрезмерно малого шага (период колебаний достаточно разделить на 30-50 частей).

Не всегда целесообразно использовать реологические модели для представления контактного взаимодействия из-за очень больших значений Кх, СА, по сравнению с жесткостными коэффициентами моделей самих звеньев. В таком случае рекомендовано исключить из рассмотрения реологическую модель и ото-

ждествить узловые точки г, ^, принимая в системах (17)-(20). {г/} = (22)

В данной главе также определены зоны виброустойчивости и виброударных режимов конечноэлементной модели.

Определение зон виброустойчивости контактной системы сводится к задаче расчета экстремальных параметров внешних возмущений, не приводящих к нежелательному соприкосновению контактных пар (самопроизвольному кон-

¡//М] тактированию) в случае разъеди-

1 + ненных контактов и нежелатель-

ного отрыва контактных пар - в , , , , ,,,, случае соединенных контактов.

|м|=|и| Запишем данную формулировку в

виде системы уравнений, следуя , , , ч обозначениям параграфа 1. В

Д^ /=~1 Г случае соединенных контактов в

точке она имеет вид (23) Условием виброустойчивости является соотношение

В случае разъединенных контактов система уравнений принимает вид:

№№]{*}+[*]{«}=и (25)

Условием виброустойчивости является [«']({«'}_ {"*}) > £/ (26)

Системы уравнений (23) и (25) являются линейными, и их решения удобно отыскать в форме суперпозиции реакций на гармоническое возбуждение, представив внешнее воздействие разложенным в ряд Фурье. Виброустойчивость в каждом конкретном случае возбуждения определяется путем проверки условий (24) или (26).

Для расчета динамического контактирования, т.е. переходных процессов и режимов периодических соударений контактов, следует воспользоваться системой уравнений (17)-(20). Существенная нелинейность и большая размерности такой системы, как правило, требует использования ЭВМ для ее решения. С этой целью здесь используется известный безусловно устойчивый метод Хаубольта, а для экстраполяции значений правой части в момент времени (+ А/ используется разложение в виде двух первых членов ряда Тейлора: {■Р}(+Д( = - {/Г}( Д/ (27)

В третьей главе предложена методика диагностики механических напряжений деталей контактных устройств с помощью верификации виброакустических сигналов.

Предложенная методика реализуется с помощью устройства (рис. 5), предназначенного для использования в неразрушающем контроле и технической диагностике ресурсов деталей контактного соединения в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных процессов.

При распознавании образов ресурса объектов записанные реализации считывают с помощью блока 5 считывания, полученный на его выходе сигнал считывания усиливают в усилителе 6 и- подают на вход персонального компь-

ютера 7 и триггеров 8 и 9, на вторые входы которых подключаются уровни напряжения соответственно численно равные величинам С/1 и С/2, где С/, - величина предела выносливости материала классифицирующего объекта (первый пороговый уровень). На триггере 8 сравнивают считанный сигнал с уровнем £/| (рис. 6) и формируют импульсы, длительность которых равна времени, в течение которого считанный сигнал повышает уровень Триггер 9 формирует импульсы, длительность которых соответствует времени, в течение которого считанный сигнал понижает уровень С/2. Считанный сигнал сравнивают с первым пороговым уровнем 17поскольку известно, что значения напряжения в объекте, превышающие величину являются критическими.

Сформированные на выходе триггеров 8 и 9 импульсы первой последовательности опорных сигналов проходят логический элемент ИЛИ 12 и поступают на управляющий вход ключа 14, через второй вход которого с выхода генератора 15 тактовых импульсов следуют с высокой частотой прямоугольные импульсы на вход счетчика 16 импульсов. Ключ 14, генератор 15 и счетчик 16 преобразуют длительность импульсов в код, который поступает на вход персонального компьютера (ПК) 7. Кроме ключа 14 импульсы с выхода логического элемента ИЛИ 12 поступают на вход формирователя 13 импульсов, который по заднему фронту поступающего импульса вырабатывает короткие импульсы второй последовательности опорных импульсов. Эти импульсы поступают на счетчик 17, который подсчитывает их число, вводимое в ПК 7.

и Л о1),

Рис. 5. Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ:

1 - классифицируемый объект; 2 - датчик; 3 -регистратор; 4 - транспортируемый носитель; 5 - блок считывания; б - усилитель; 7 - ПК; 8, 9 - триггеры Шмидта; 10, 11 - источники постоянного напряжения; 12 - элемент ИЛИ; 13 -формирователь импульсов; 14 - ключ; 15 - генератор тактовых импульсов; 16,17 - счетчики

Рис. 7. Спектральная плотность мощности сигнала

Рис. 6. Диаграмма работы объекта, идентифицирующегося случайным

стационарным процессом Со второго выхода усилителя 6 сигнал непосредственно подается на вход ПК 7, где получают его спектральную плотность мощности. Последнюю сравнивают со вторым пороговым уровнем и} (рис. 7), численно равным квадрату напряжения предела выносливости а2. С помощью ПК 7 определяют частоты}; и амплитуды при которых пики спектральной плотности мощности превышают пороговый уровень £/3.

Таким образом, по длительности первых опорных сигналов U, числу вторых опорных сигналов с учетом выделенных значений опорных частот судят о техническом состоянии объектов.

С помощью вышеописанного устройства испытан предлагаемый способ. Экспериментальные испытания показали, что он обладает большой точностью, поскольку процесс распознавания технического состояния деталей КС осуществляется по всему спектру частот напряжений классифицируемого объекта, а не по одной заведомо установленной гармонике.

Работа механизмов, таких как КС, обычно сопровождается случайными явлениями различной природы, например, вибрациями, акустическими шумами. Эти явления часто отражают определенные состояния механизмов. Верификация случайных явлений дает возможность получить сведения о состоянии функционирования механизмов.

Следует отметить, однако, что решение этой задачи верификации часто требует громоздких, большого объема вычислений. Поэтому в работе предложен способ верификации, позволяющий существенно сократить объем вычислений, дает возможность удобно использовать цифровую вычислительную технику для осуществления необходимых расчетов.

В связи с этим рассмотрена следующая ситуация. Пусть имеется М классов случайных процессов. Случайные процессы заданны на конечном интервале и имеют конечную полосу частот. Поэтому они могут быть представлены при помощи случайных последовательностей X = {Х1,...,Х„}. Класс случайных процессов fls (s = 1 ,...,М) описывается условной функцией плотности вероятности р(х,,...,х„ | s), a(s) - априорная вероятность появления объектов класса Qs. Задана функция потерь ¿(r,s) (r,s = ОД,..., М). Опа определяет потери, возникающие при принятии решения о том, что х принадлежит классу Г2,., когда в действительности х принадлежит классу Qs.

Наблюдается реализация х = {x|,...,x„} случайной последовательности X = {Хи...,Х„ }. Требуется определить какому классу Qs (s = 1 ,...,М) принадлежит наблюдаемая реализация х. Если нет достаточного основания отнести реализацию х к какому-либо классу Qs (s = 1,..., Л/), то следует отказался от принятия решения.

При этом требуется принять одно из М +1 решений ds (s = 0,1,...,М) так, чтобы средний риск ошибиться был бы минимальный. Тогда решение ds означает, что х eCls. Решение d0 означает, что верификатор отказывается принять какое-либо решение ds (.s = 1,...,А/).

Известно, что такая задача (задача Байеса) решается следующим образом.

м

Принимается решение ds, если: zs = ^l(r,s)a(r)f(x \ г) = min. (28)

г=О

В выражении (28) /(х|г) - функция правдоподобия, соответствующая функции условной плотности вероятности р(х \ г).

При решении практических задач компоненты Х{ (г = 1 ,...,ri) случайной последовательности X обычно бывают коррелированные, а их число п большое (тысячи и больше). Такая ситуация имеет место и при решении задач диагностики механизмов по вибрациям и акустическим шумам. При этих условиях вычислить zs и тем самим решить задачу верификации очень трудно. Вычислительные проблемы возникают в основном из-за сложности вычисления функции f{x \ г).

Указанные трудности могут быть устранены, если допустимо представление рассматриваемых случайных процессов при помощи случайных последовательностей таких, что

Х^ = (' = '.....")> (29) где V, (/ = 1,...,и) после-

довательность независимых гауссовых случайных величин с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией: параметры а^

(/ = 1.....qs■,s = 1 ,...,М) такие, что уравнения г4' Н-а^г'1"1 + = О

(5 = 1 ,...,М) имеют корни |гу|<1 (/ = 1,.= 1,...,М); (1 =

т(у = 1 = 1 ,...,М) - случайная последовательность с регулярной составляющей (у = 1,; 5 = 1,...,А/) и корреляционной матрицей

Заметим, что в ряде случаев практики такое представление случайных явлений является вполне приемлемым. Представление (29) можно получить практически, если известны корреляционные матрицы К^

К

М.

i-M t-(') ... !г (О

О 1 и

W ...

М ь(*) ... м

и и | О

и регулярные компоненты

(а = 1,...,м)(зо) С/=1.....=1.....М) СЛУ"

чаинои последовательности

Тогда для определения (т = \,...,М) целесообразно воспользоваться свойством частных корреляционных функций 0, / <

^(1)=0,1>д!1, (31). Параметры а^ {] = = 1.....М) и ¿М(у = 1.....М)

можно найти по формулам:

,(* = !.....Л/); (32)

¿(i) = (*<'> + a[skis) +... + ' (J = 1.....(33)

В этом случае функцию р(х \ г) (r = 1,..., А/), которая необходима для получения функции F(x | г), можно .представить следующим образом:

р{х\г)= р{х1,...,хЧг |г) f[p{xt\xi_b...,xi_qr-,r),QA)

i=qr +!

где р{х|г)=(2лО^)Г^ехрГ-1 £4')(r,-т^)

L

- элементы матрицы, обратной матрице А'^ = j,

Г*." кч,-1 Кг

Ко = — *2W

№ М 0 J л\ kM

- ' - — - 0,1.....);

аР -1; = Л/{ДГ,. |= (б^)2.

Использование выражения (34) позволяет существенно сократить объем вычислений, которые необходимо проделать для отыскания К(3с [ л), а тем самым и для принятия решений с13 (я = 1 ,...,М). Это достигается потому, что при решении многих практических задач д5 «п (я = 1,..., А/).

Следует отметить, что на практике матрицы К^ (з =1,...,Л/) и параметры (я = 1,...,А/), а^ (/ = 1,..,д'1;5 =1 ,...,М), Ф^ ($ = 1,...,М) бывают часто неизвестными. Но если >>«,тоив этом случае задачу верификации можно решать описанным выше способом заменив параметры (.у = 1,...,А/), а^ (/' = 1,.5 = 1 ,...,А/) и Ф^ (,г = 1,...,М) их выборочными оценками с^ (« = 1,...,Л/), аф (/' = 1,..,^;5 = 1 ,...,М) и Ъ^ = 1,...,М). При этом оценки а^ Ь^ получаются по следующим формулам:

, (» = 1.....А/); (35)

№ "о т

- *м 0 .4>.

*2" ■

= =1,...,Л/; А = 0,1,..,^ );

~ЧI Г -Ч,+1

Изложенный способ верификации виброакустических сигналов, описываемых авторегрессионными последовательностями, позволяет существенно сократить объем вычислений. Полученные выражения являются удобными для осуществления вычислений на компьютере.

В четвертой главе предложены алгоритмы и технические средства для неразрушающего контроля контактных соединений путем измерения теплофи-зических и магнитных характеристик их деталей.

Следует отметить, что при определении температуропроводпости используется значительный участок экспериментальной кривой, обработка которой по логарифмической зависимости более точна по сравнению с отысканием максимальной температуры.

В работе был предложен алгоритм определения коэффициента температуропроводности путем сканирования поверхности исследуемого объекта лазерным лучом, преобразования тепловой энергии в электрический сигнал,

'1*2 ' Рис.8. Вид электрического сигнала с выделенным квазилинейным участком

Д и

фильтрации последнего, формировании второго электрического сигнала путем задержки первого электрического сигнала на фиксированный интервал времени, определения разностного сигнала между первым и вторым разностными сигналами, сравнении его с нижним и верхним пороговыми уровнями напряжения, определения первого ц и второго г2 моментов времени (рис.8), когда разностный сигнал (рис.9) заходит в интервал между нижним и верхним пороговыми уровнями и выходит из него. В моменты времени ц и т"2 определяются значения С/( и 02 первого электрического сигнала, далее коэффициент температуропроводности находится по формуле а = х2(т2 -^^^г-гИс/г/г/О + ^ЗЬ^/г,)]} (37). Устройство представленное на рис.10 обладает вы-1 2 ' сокой точностью, которая достигается тем, что оно

Рис.9. Вид разностного снабжено техническими средствами, позволяющи-енгнала с пороговыми

уровнями МИ определять вторую производную электрического

сигнала (рис.8), снимаемого с усилителя датчика температуры. Устройства определяет временной интервал второй производной сигнала, на котором она принимает значение близкое к нулю с учетом помех (рис.11), что соответствует линейному участку электрического сигнала (рис.8). При определении начала и конца линейного участка устройство формирует цифровые сигналы, пропорциональные С/) и 02, Г) и т2.

Рис.10. Устройство для селекции признаков при распознавании квазилинейного участка напряжения

1,33 - формирователь импульсов; 2, 3 - источники излучения; 4 - объект контроля; 5 - датчик температуры; 6 - усилитель; 7 - фильтр; 8 - АЦП; 9-18 - регистры; 19 - вычислитель; 20 - формирователь импульсов; 21 - триггер; 22, 23 - генераторы импульсов; 24 - счетчик; 25, 26 - блоки вычитания; 27, 28 - блоки сравнения; 29 - триггер 29; 30-32 - элементы И.

Рис.12. Устройство, устраняющее влияние шумов на определение квазилинейного участка температурной кривой

1, 20 - формирователь импульсов; 2,3 - источники излучения; 4 - объект контроля; 5 — датчик температуры; 6 — усилитель; 7- фильтр; 8 - АЦП; 9-18 - регистры; 19 - вычислитель; 21,30 - триггер; 22,23 - генераторы импульсов; 24 - счетчик; 25,26 - блоки вычитания; 27-29 - блоки сравнения; 31,32 -элементы И; 33 - блок деления; 34 - инвертор

ЛГ-

0

АЧ

а)

/

Рис.11. График изменения кода числа на выходе второго блока вычитания

г

Устройство на рис.12, обеспечивает большую точность, чем предыдущее. В нем кроме определения по значению второй производной электрического сигнала длительности квазилинейного участка, реализована возможность автоматического выбора порога срабатывания устройства. Максимальные амплитуды зависимости второй производ-

в) V/

Рис.13 Графики изменения кодов электрического сигнала (а) и его второй производной (б,в)

ной от времени при различных измерениях могут быть разными. Амплитуды шумов второй производной, как правило, коррелированны с максимальной ее амплитудой, поэтому необходим автоматический выбор порога нуля во избежание случая ненахождения устройством имеющего место физически квазилинейного участка. Для достижения этого устройство определяет максимальную амплитуду второй производной электрического сигнала (рис.13.б,в). На рис.13.а показан график изменения кодов электрического сигнала.

С целью диагностики теплофизических свойств материалов деталей КС, рассматриваемых как тел с распределенными параметрами, в работе предложен соответствующий алгоритм и устройство для его реализации.

Особенность его заключается в том, что оно определяет коэффициент температуропроводности в точках исследуемой детали, равномерно распределенных по окружности с центром в точке воздействия лазерного луча на поверхность детали. По различию величин температуропроводности в указанных точках можно судить об анизотропии теплофизических свойств материала исследуемой детали.

В данной главе также разработано устройство для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных деталей КС, осуществляющее неразру-шающий контроль материалов и изделий из них и предназначенное для контроля структуры ферромагнитных материалов после их термической или холодно-катанной обработки, а также для определения содержания отдельных элементов в сплавах (рис. 14). Повышение надежности контроля достигается за счет сравнения интегрированного интегратором сигнала преобразователя с заданным диапазоном его изменения. При попадании сигнала в этот диапазон сигнал дифференцируют, а амплитуду исследуемого сигнала масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд и по результату сравнения судят о структуре материала.

Разработан алгоритм определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов, заключающийся в ограничении исследуемого импульса между уровнями 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды сигнала в целях повышения точности измерения. Ограниченный между уровнем 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды импульс дифференцируют, а амплитуду исследуемого импульса масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд исследуемого импульса и по результатам сравнения определяют время нарастания и спада фронтов Рис.15. Характеристика Рис. 14. Блок-схема устройсг- исследуемого Импульса.

устройства ва для определения времени Для реализации алгорит-

парастаннн и спада фронтов ма разработаны устройства для импульсных сигналов определения времени нараста-

ния и спада импульсных сигналов, предназначенные для использования в измерителях параметров импульсов, одно из которых изображено на рис.14., где 1-аттенюатор, 2- первый пиковый детектор, 3-первый ограничитель, 4-1, 4-2,..., 4-Ы -масштабные усилители, 5-1, 5-2, ... , 5-2Л'- элементы сравнения, 6- второй ограничитель, 7-дифференциатор, 8-второй пиковый детектор , 9-инвертирующий усилитель, 10-третий пиковый детектор, 11-1,11-2,.,., 11-ЛГ-ключи.

На рис. 15 представлена характеристика устройства, показывающая зависимость входного напряжения от выходного.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате впервые проведенных комплексных исследований, направленных на разработку научно-обоснованных технических и методических решений, созданы математические модели динамики КС на основе их конечно-элементной дискретизации, разработаны алгоритмы и информационно-измерительные средства виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофизических характеристик КС.

1. Представлен алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, дискретизированных на конечные элементы и совершающих свободные ударные и вынужденные колебания. Оптимизация виброударной системы, моделируемой при

помощи прямого интегрирования Ныомарка, производится методом проекции градиента. Полученные оптимальные конфигурации звеньев дают возможность сократить переходный режим движения системы, увеличить ее вибро- и удароустойчивосгь.

2. Рассмотрена возможность модификации структурных матриц стержневого элемента с целью уточнения модели контактной системы. Узловые точки выбираются не на нейтральной линии конечного элемента, а на его поверхности. Рассмотрены возможности расчета колебаний контактной системы при кинематическом возбуждении, представлены основные соотношения для вычислений напряжений МКЭ в стержневой контактной системе. •

3. Представлена формулировка задачи о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей. Рассмотрены особенности получения реологических моделей контактных пар в соединении с конечноэлементной моделью системы, а также определение зон виброустойчивости и виброударных режимов конечноэлементной модели.

4. Проведена конечно-элементная дискретизация конструкций КС; даны некоторые подходы к разбиению области на КЭ; способы нумерации узлов с учетом оптимального использования оперативной памяти ЭВМ; алгоритм работы подсистемы автоматизированной подготовки топологической информации; определение выражений функций формы для КЭ, наиболее удобных при исследовании стержневых конструкций деталей КС.

5. Созданы методика и устройство, реализующие ее, для преобразования сигналов объектов для контроля их технического состояния, предназначенный для неразрушающего контроля и технической диагностики ресурса материалов КС в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов. Экспериментальные испытания методики показали, что она обладает большей точностью, поскольку процесс распознавания технического состояния объектов осуществляется по всему спектру частот напряжений классифицируемого объекта, а не по одной заведомо установленной гармонике. Введенная новая последовательность операций позволила существенно повысить точность контроля технического состояния объектов.

6. Предложен алгоритм верификации виброакустических стохастических сигналов, описываемых авторегрессионной моделью и отображающих вибрационные процессы, включая дребезг контактов в контактных устройствах авиационных приборов, который позволяет существенно сократить объем вычислений, необходимых для принятия решения о состоянии диагностируемого КС.

7. Разработаны основополагающие принципы селекции признаков для распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры для определения коэффициента температуропроводности путем импульсного воздействия лазерного луча в точку поверхности конструкции материалов КС, теплофизические свойства которой исследуются. Предложены структурные и функциональные схемы двух информационно-измерительных средств, обладающих элементами искусственного интеллекта, которые обеспечивают расчет коэффициент температуропроводпости материала КС с существенно большей точностью по сравнению с существующими.

8. Разработано устройство для мапштошумовой структуроскопии ферромаг-

нитных деталей КС, которое относится к неразрушающему контролю материалов и предназначено для контроля структуры ферромагнитных материалов после их термической или холоднокатанной обработки, а также для определения содержания отдельных элементов в сплавах. Повышение надежности контроля достигается за счет сравнения интегрированного интегратором сигнала преобразователя с заданным диапазоном его изменения. При попадании сигнала в этот диапазон сигнал дифференцируют дифференциатором, а амплитуду исследуемого сигнала масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд и по результату сравнения судят о структуре материала.

9. Предложен алгоритм неразрушающего контроля, в котором в качестве информативных параметров используются временные характеристики сигналов, такие как, время нарастания и спада фронтов импульсных сигналов. Принцип, на котором построен алгоритм, заключается в ограничении исследуемого импульса между уровнями 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды сигнала в целях повышения точности измерения. Ограниченный между уровнем 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды импульс дифференцируют, а амплитуду исследуемого импульса масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд исследуемого импульса и по результатам сравнения определяют время нарастания и спада фронтов исследуемого импульса.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Уланов A.B. Технические средства-для-измерения теплофизических свойств материалов КС // Мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 50-летию ИжГТУ - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. - С. 147-152.

2. Уланов A.B. Устройства для определения температуропроводности, обеспечивающее распознавание квазилинейного участка напряжения // Информационные технологии в инновационных проектах: Тр. IV Междунар. науч.-техн. конф. - В 4 ч. - Ч. 2. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - С. 29-30.

3. A. Ulanov Technique and devices of definition of time of increase And recession of fronts of pulse signals // International conference Vibroingeneering 2005, Oktober 2005 - Kaunas: Litiluanian Academy of Sciences - P. 45-53.

4. Уланов A.B., Рагульскис K.M. Оптимизация формы звеньев контактных устройств с распределенными параметрами // Известия Тульского гос. университета, 2006, - Том 11.- Вып. 4. - С. 36-46.

5. Лялин В.Е., Уланов A.B. Применение метода конечных элементов для расчета контактных устройств // Известия Тульского гос. университета, 2006, -Том 11.-Вып. 4.-С. 47-52.

6. Рагульскис K.M., Уланов A.B. Применение метода конечных элементов для моделирования динамики контактных устройств Известия Тульского гос. университета, 2006, - Том 11.- Вып. 4. - С. 53-61.

7. Разработка технических средств для неразрушающего контроля деталей и материалов контактных соединений / Уланов A.B., Лялин В.Е.- Ижевск: ИжГТУ, 2006.- Деп. в ВИНИТИ 28.02.06 № 198-В2006 - 41 с.

8. Лялин В.Е. Уланов A.B. Использование полунатурного и имитационного моделирования при САПР модулей РЭС // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе: Материалы 33 Междн. конф. - Украина, Крым, Ялта - Гурзуф: Ж. «Открытое образование», 2006, Прилож., М. «Академия естествознания»,- С.121-122.

9. Уланов A.B. Верификация виброакустических сигналов, описываемых авторегрессионной моделью при диагностике миниатюрных контактных соединений // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе: Материалы 33 Междн. конф. — Украина, Крым, Ялта-Гурзуф: Ж. «Открытое образование», 2006, Прилож., М. «Академия естествознания».- С.123-124.

10. Уланов A.B. Конструирование миниатюрных контактных соединений для авиационной промышленности // Надежность и качество: Труды междунар. симпозиума.- Пенза: Информ.-издат. центр ПТУ, 2006.-С. 327-336.

11. Лялин В.Е., Уланов A.B. Применение проекционных методов мического расчета контактных устройств для авиационной техники //

Надежность и качество: Труды междунар. симпозиума.- Пенза: Информ.-издат. центр ПТУ, 2006.-С. 336-342.

12. Уланов A.B. Исследование динамики миниатюрных контактных устройств на основе их конечноэлементной дискретизации // Надежность и качество: Труды междунар. симпозиума.- Пенза: Информ.-издат. центр 111 У, 2006.-С. 343-350.

13. Загребин Л.Д., Лялин В.Е., Уланов A.B. Устройства для измерения коэффициента температуропроводности материалов контактных соединений путем распознавания квазилинейного участка напряжения на выходе датчика температуры // Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении: Материалы Всеросс. НТК — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. - С.65-71.

14. Загребин Л.Д., Лялин В.Е., Уланов A.B. Разработка технических средств для верификации теплофизических свойств материалов контактных соединений на основе коэффициента температуропроводности // Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении: Материалы Всеросс. НТК - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. - С.85-92.

A.B. Уланов

Лицензия ЛР № 020764 от 29.04.98

Подписано в печать 19.07.2006. Формат 60x84 1/16. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд.л. 1,97. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ № 505/1.

Издательство Института экономики УрО РАН 620014, Екатеринбург, ул. Московская, 29

Введение.

Глава 1. Анализ, конструкция и функционирование различных видов контактных соединений в коммутационных устройствах

1.1. Устройства и соединители. Принцип действия и контактное сопротивление.

1.2. Физико-химические процессы в электрических контактах

1.3. Анализ точности параметров контактных соединений на при» мере контактного нажатия. Надежность контактных устройств.

1.4 Особенности конструирования контактных устройств.

1.5 Методы оптимального синтеза динамических систем по частотным спектрам.

1.6. Обзор КС и автоматов защиты, разработанных ОАО «КБ электроизделий XXI века».

1.7. Постановка цели и задач исследований.

Глава 2. Метод конечных элементов для моделирования динамики контактных устройств и оптимизации формы их звеньев.

2.1. Оптимизация формы звеньев контактных устройств с распределенными параметрами.

2.2. Применение метода конечных элементов для расчета контактных устройств.

2.2.1. Модификация матриц стержневого КЭ.

2.2.2. Расчёт колебаний контактной системы под воздействием кинематического возбуждения.

2.2.3. Основные соотношения, для вычисления напряжений

МКЭ в стержневой системе.

4 2.3. Применение метода конечных элементов для моделирования динамики контактных устройств. ^

2.3.1. Конечноэлементная формулировка задачи о контактном динамическом взаимодействии звеньев: системыс использованием реологических моделей.

2.3.2. Определение зон виброустойчивости и виброударных режимов конечноэлементной модели.

2.4. Определение временных параметров контактной системы с жесткими ограничителями. ^

2.5. Полученные результаты и выводы.

Глава 3. Диагностика механических напряжений деталей контактных устройств с помощью верификации виброакустических сигналов.

3.1. Введение.

3.2. Методика измерения механического напряжения контактов контактного соединения.

3.3. Верификация виброакустических стохастических сигналов, описываемых авторегрессионной моделью. j Q

3.4. Физические механизмы случайных отказов в несущей способности деталей контактных устройств.

3.5. Пластические (необратимые) деформации. цу

3.6. Полученные результаты и выводы.

Глава 4. Разработка алгоритмов и технических средств для неразрушающего контроля контактных соединений путем измерения теплофизических и магнитных характеристик их деталей.

4.2. Устройство для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных деталей контактного устройства. 125

4.3. Методика и устройства определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов. 129

4.4. Технические средства для измерения теплофизических свойств материалов контактного соединения. 135

4.5. Устройства для определения температуропроводности, обеспечивающее распознавание квазилинейного участка напряжения. 138

4.6. Диагностика анизотропии структурной плотности материалов КС. 146

4.7. Полученные результаты и выводы. 152

Заключение.154

Литература.157

Приложение.170

Акт о внедрении результатов диссертационной работы. 171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной электронной промышленности одной из важнейших задач является обеспечение качества контактных соединений (КС). КС в огромных количествах присутствуют в любом оборудовании (бытовые приборы, автомобили, бытовая техника, военная техника, авиация и др.). Плохое КС рано или поздно выведет из строя любое оборудование, где бы оно ни было установлено. Самое простое, что может случиться из-за плохого КС: это перегрев провода и оплавление контактной колодки. В результате, из-за одного некачественного соединения может выйти из строя сложнейший прибор, от которого зависит функционирование огромного комплекса. Последствия этого трудно предсказать, могут быть и человеческие жертвы.

Конечно, производители бытовой техники или несложных приборов могут сказать, что отказ одного-двух изделий не приведет к человеческим жертвам и не нанесут большой вред. Однако это утверждение вряд ли можно применить по отношению к таким направлениям, как авиация или космос, где цена ошибки может быть очень высока.

Авиационные приборы - это широкий класс устройств, предназначенных для измерения, анализа, обработки и представления информации, управления агрегатами и системами летательного аппарата (J1A). Приборы вырабатывают информацию, которая необходима для управления движением J1A, контроля и обеспечения безопасности полета. Учет возрастающих требований к точности и надежности решения современных полетных задач ведет к объединению приборов в приборные комплексы.

К приборному оборудованию относятся системы и комплексы высотно-скоростных параметров JIA, приборные комплексы двигательных установок и топливных агрегатов, электронные системы отображения информации, системы предупреждения критических режимов полета, диагностические системы, системы регистрации аварийных режимов, экспертные системы и др.

Здесь выход из строя практически любого прибора может грозить множеству человеческих жизней и потерей высокостоимостного технологического оборудования. К сожалению, печальная статистика авиакатастроф по причине технической неисправности заставляет задуматься о потенциальной опасности, которую несут приборы, не обладающие достаточной степенью надежности.

В состав контактного устройства помимо контакт-деталей входит много конструктивных элементов, предназначенных для того, чтобы в совокупности создать законченное в конструктивном и технологическом отношении устройство, способное выполнять определенные функции.

На качество контакта влияют следующие факторы: физико-химическое состояние контактирующих поверхностей, т.е. наличие пленок, затрудняющих металлический контакт, и неровность поверхностей; процессы, происходящие при соединении, которые могут быть чисто механическими (при отсутствии тока); износ материала КС; протекающий ток и количество выделяющегося тепла; процессы, происходящие в контакте при замыкании и размыкании при наличии токов и напряжений.

Все вышеперечисленные факторы снижают надежность приборов, поэтому, тема диссертационной работы, посвященная повышению надежности контактных устройств авиационных приборов, является актуальной.

Объектом исследования являются: динамика и прочность КС авиационных приборов, информационно-измерительные средства для определения теп-лофизических характеристик конструкций деталей КС, устройства для виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных, теплофи-зических и магнитно-шумовых характеристик материалов деталей КС.

Предметом исследования являются: математические модели динамики КС, конечноэлементная дискретизация контактирующих деталей КС, алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, задача о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей, алгоритмы и технические средства для измерения температуропроводности, диагностики ресурса и магнитошумовой структуроскопии деталей КС.

Целью работы является проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических и методических решений, способствующих созданию математических моделей динамики КС на основе их конечноэлементной дискретизации, разработке алгоритмов и информационно-измерительных средств виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофизических характеристик КС, что будет способствовать оптимизации конструирования, повышению вибро- и удароустойчивости, а также надежности функционирования КС авиационных приборов.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- построить математические модели динамики КС, провести их компьютерное моделирование и получить значения колебаний звеньев КС в любой его точке;

- осуществить аппроксимацию непрерывной искомой функции перемещения деталей КС, кусочно-непрерывной, определенной на множестве стержневых конечных элементов (КЭ); обеспечить функционирование автоматизированной подготовки топологической информации; определить наиболее подходящие функции формы для аппроксимирующих КЭ;

- разработать информационно-измерительные средства для определения коэффициента температуропроводности путем импульсного воздействия лазерного луча в точку поверхности конструкции КС, теплофизические свойства которой исследуются; определить аналитическую зависимость коэффициента температуропроводности от полуамплитуды напряжения на выходе датчика температуры, установленного в контролируемой точке детали конструкции КС;

- разработать способы диагностики анизотропии структурной плотности материала деталей конструкции КС в различных направлениях;

- создание устройств для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных изделий после их термической или холоднокатанной обработки, а также алгоритма и устройств определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов для выявления внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях КС;

- разработка алгоритма для распознавания образов дефектов по спектральным характеристикам деталей КС и устройства преобразования сигналов датчиков, установленных на деталях КС для контроля их технического состояния и диагностики ресурса в условиях воздействия динамических нагрузок;

- представить алгоритм верификации виброакустических стохастических сигналов, снимаемых с контактного устройства, описываемых авторегрессионной моделью, позволяющей существенно сократить объем вычислений.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования.

Теоретические исследования основаны на решении уравнений математической физики, а также на фундаментальных основах теплофизики. Для построения приближенной исследуемой модели КС применен подход, в основе которого лежит метод сеток, а именно: метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет создавать высококачественные универсальные программные комплексы для ЭВМ.

Определение вектора узловых значений конечно-элементной модели конструкции КС осуществлялось на основе метода, основанного на вариационной постановке задачи, требующей минимизации специально подобранного функционала, и метода Галеркина, сводящего решение уравнения теплопроводности к системе алгебраических уравнений.

Разработка информационно-измерительных средств для верификации те-плофизических и магнитно-шумовых свойств материалов деталей КС осуществлялась на основе теоретических основ информатики, радиоэлектроники и микропроцессорных вычислительных средств, а также с учетом теории измерения электрических и тепловых величин. Оценка погрешностей измерений основана на теории точности измерительных систем.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами системного анализа функционирования контактных устройств авиационных приборов, использованием конечноэлементных математических моделей КС и основополагающих методов теплофизики, теории дифференциальных уравнений и функционального анализа.

Алгоритмы имитационного моделирования динамики КС основаны на вычислительном эксперименте, теории обработки сигналов и информационных технологиях для определения физических характеристик материалов КС.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений, большим объемом экспериментального материала и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся разработанные автором диссертации математические модели динамики КС, а также информационно-измерительные средства и методики виброакустической диагностики и неразрушающего контроля материалов деталей КС, в том числе:

- алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, совершающих свободные ударные и вынужденные колебания;

- расчет колебаний контактной системы при кинематическом возбуждении, получение основных соотношений для вычислений напряжений методом конечных элементов в стержневой контактной системе;

- структурные и функциональные схемы технических средств для верификации теплофизических свойств материалов КС на основе коэффициента температуропроводности; алгоритмы распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры; устройство для определения анизотропии свойств материалов конструкций КС;

- конечно-элементная дискретизация деталей конструкции КС; некоторые подходы к разбиению области на КЭ; определение выражений функций формы для стержневых КЭ;

- анализ полученных экспериментальных зависимостей температуропроводности от температуры для материалов, широко используемых в конструкциях КС; применение импульсного метода лазерного нагрева для исследования теплофизических свойств материалов КС;

- использование метода магнитных шумов, основанного на перемагничи-вании контролируемой поверхности, последующего излучения ей магнитного поля шумоподобного вида, которое преобразовывается в электрический сигнал с помощью зонда - датчика, состоящего из измерительной катушки на ферри-товом сердечнике.

Научная новизна полученных результатов определяется созданием математических моделей динамики КС на основе их конечноэлементной дискретизации, разработке алгоритмов и информационно-измерительных средств виброакустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофи-зических характеристик КС, в ходе которых:

- представлен алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, совершающих свободные ударные и вынужденные колебания. Упругие звенья дискретизированы на конечные элементы. Оптимизация виброударной системы, моделируемой при помощи прямого интегрирования Ныомарка производится методом проекции градиента. Полученные оптимальные конфигурации звеньев дают возможность сократить переходный режим движения системы, увеличить ее вибро- и удароустойчивость;

- представлена формулировка задачи о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей. Рассмотрены особенности получения реологических моделей контактных пар в соединении с конечноэлементной моделью системы, а также определение зон виброустойчивости и виброударных режимов конечноэлементной модели;

- разработаны основополагающие принципы селекции признаков для распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры, установленного в точке детали КС, на расстоянии между которой и точкой воздействия лазерного луча определяется коэффициент температуропроводности;

- имитационное моделирование виртуальных картин напряженно-деформированного состояния деталей КС осуществлено с помощью разбиения конструкции КС на КЭ, определения аппроксимирующей функции для каждого элемента, объединения КЭ в ансамбль, позволяющий составить систему алгебраических уравнений, размерность которой определяется суммарным количеством узлов всех КЭ, и определения вектора узловых значений перемещений на поверхности деталей КС;

- построен алгоритм распознавания дефектов деталей КС по вибрациям и акустическим шумам, описываемым авторегрессиоными последовательностями на базе полученных в работе выражениях, позволяющих существенно сократить объем вычислений необходимых для принятия решения о состоянии диагностируемого КС;

- разработаны алгоритмы и устройства для диагностирования методами неразрушающего контроля внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений, которые приводят к преждевременному старению материала деталей и деформированию КС. В алгоритмах в качестве информативных параметров используются временные характеристики сигналов: длительность фронтов нарастания и спада функции выходного сигнала, соотношение между реперными точками, например время между участками, в которых производные сигнала равны нулю. Также разработаны более сложные устройства виброакустической диагностики, потребовавшие использования временных характеристик сигнала вместо ранее измеряемых амплитудных, что значительно повышает помехоустойчивость алгоритмов преобразования сигнала с сохранением его информативности.

Практическая ценность. Важный для практики результат исследований автора диссертационной работы заключается в применении эффективных технических средств, математических моделей и методов классификации и распознавания акустических сигналов, вибраций и шумов.

Для построения приближенной модели конструкции КС применен подход, в основе которого лежит метод МКЭ, который обеспечивает хорошую точность, он доступен и прост для понимания, применим для задач с произвольной формой области решения и позволяет создавать высококачественные универсальные программные комплексы для ЭВМ.

Разработаны технические средства для диагностирования ресурса материалов КС и других наиболее важных напряженно-деформированных деталей контактных устройств на основе изучения спектральных характеристик.

Созданы методика и устройство, реализующие ее, для преобразования сигналов объектов для контроля их технического состояния, предназначенный для неразрушающего контроля и технической диагностики ресурса материалов КС в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов. Экспериментальные испытания методики показали, что она обладает большей точностью, поскольку процесс распознавания технического состояния объектов осуществляется по всему спектру частот напряжений классифицируемого объекта, а не по одной заведомо установленной гармонике. Введенная новая последовательность операций позволила существенно повысить точность контроля технического состояния объектов.

Получены экспериментальные зависимости коэффициентов температуропроводности с помощью созданных информационно-измерительных средств, обеспечивающих импульсное воздействие лазерного луча в точки поверхности конструкции КС, преобразование тепловой энергии, снимаемой в контролируемой точке конструкции, в электрический сигнал, предварительной обработки сформированного сигнала и вычисления этого коэффициента с помощью компьютера.

Реализация работы в производственных условиях. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке, создании и серийном изготовлении целой гаммы контактных устройств: 2ВНИ, 2ВНИК, 2ППИ, 2ППИК, ВНМ, 2ВНМ, ВНМ-С, КП-С, 2ВНМ-С, ЗППМ-С5, ППНМ, 2ППНМ, ЗППНМ, ПСР, П2Н, ГЖ4А, ПК4Н, ПНП, РШС1, ТД-70, ТД-70-1, ТД-70-2, ТД-70-3 и др.

Данные изделия разрабатывались при непосредственном участии автора работы в ОАО «КБ Электроизделий XXI века» по заказам предприятий и организаций: ОАО «ОКБ Сухого», ОАО «МВЗ им. M.JI. Миля», ОАО «Туполев»,

ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева», ОАО «ОКБ им. А.С. Яковлева», ОАО «КА-МОВ», авиационный научно-технический комплекс «Антонов», ОАО «Авиационный комплекс им. С.В. Ильюшина».

Данные изделия были использованы в качестве комплектующих на самолетах и вертолетах следующих марок: Ту-134, Ил-76, Ил-86, Ил-96-30, Ан-38, Бе-200, Ил-76тд, Ил-96-300, Ил-114, Ту-22М, Ту-204-200, Ту-214, Су-21, Су-25, Су-27, Ан-70, Ту-22М, Ту-160, Бе-32, Бе-103, Ми-8, Ми-24, Ка-26, Ка-50 и др.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Российской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2001); Международной НТК, посвящ. 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002); International conference «Vibroingeneering, 2002» (Kaunas, 2002); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003); 6-м Международном конгрессе по мат. моделированию (Н.Новгород, 2004); Международной НТК «Искусственный интеллект-2005» (Таганрог, 2005); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2005,2006); Международной НТК «Интеллектуальные и многопроцессорные системы-2006» (Таганрог, 2006); 33 международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта - Гурзуф, 2006).

Публикации. Результаты работы отражены в 14 научных трудах: 3 статьи в центральной печати, 9 публикаций в сборниках материалов всероссийских и международных научно-технических конференций, 1 депонированная рукопись (объемом 41 страницу).

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 169 с. машинописного текста. В работу включены 69 рис., 2 табл., список литературы из 130 наименований и приложения, в котором представлены результаты испытаний различных контактных соединений и акт об использовании результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате впервые проведенных комплексных исследований, направленных на разработку научно-обоснованных технических и методических решений, созданы математические модели динамики КС на основе их конечно-элементной дискретизации, разработаны алгоритмы и информационно-измерительные средства виброаккустической диагностики и неразрушающего контроля прочностных и теплофизических характеристик КС.

1. Представлен алгоритм оптимизации формы звеньев контактных устройств, дискретизированных на конечные элементы и совершающих свободные ударные и вынужденные колебания. Оптимизация виброударной системы, моделируемой при помощи прямого интегрирования Ныомарка, производится методом проекции градиента. Полученные оптимальные конфигурации звеньев дают возможность сократить переходный режим движения системы, увеличить ее вибро- и удароустойчивостъ.

2. Рассмотрена возможность модификации структурных матриц стержневого элемента с целью уточнения модели контактной системы. Узловые точки выбираются не на нейтральной линии конечного элемента, а на его поверхности. Рассмотрены возможности расчета колебаний контактной системы при кинематическом возбуждении, представлены основные соотношения для вычислений напряжений МКЭ в стержневой контактной системе.

3. Представлена формулировка задачи о контактном взаимодействии звеньев контактных устройств с использованием реологических моделей. Рассмотрены особенности получения реологических моделей контактных пар в соединении с конечноэлементной моделью системы, а также определение зон виброустойчивости и виброударных режимов конечноэлементной модели.

4. Проведена конечно-элементная дискретизация конструкций КС; даны некоторые подходы к разбиению области на КЭ; способы нумерации узлов с учетом оптимального использования оперативной памяти ЭВМ; алгоритм работы подсистемы автоматизированной подготовки топологической информации; определение выражений функций формы для КЭ, наиболее удобных при исследовании стержневых конструкций деталей КС.

5. Определены временных параметры КС с жесткими ограничителями. Получены результаты расчетов времени движения контактной пружины до соударения и продолжительности соударения с жестким ограничителем. Установлено, что для первых пяти форм изгибных колебаний контактной пружины, изготовленной из электротехнической стали, при увеличении начальной деформации время движения до соударения увеличивается, а продолжительность соударения уменьшается. При увеличении предварительного натяга в КС наблюдается уменьшение временных характеристик

6. Созданы методика и устройство, реализующие ее, для преобразования сигналов объектов для контроля их технического состояния, предназначенный для неразрушающего контроля и технической диагностики ресурса материалов КС в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов. Экспериментальные испытания методики показали, что она обладает большей точностью, поскольку процесс распознавания технического состояния объектов осуществляется по всему спектру частот напряжений классифицируемого объекта, а не по одной заведомо установленной гармонике. Введенная новая последовательность операций позволила существенно повысить точность контроля технического состояния объектов.

7. Предложен алгоритм верификации виброакустических стохастических сигналов, описываемых авторегрессионной моделью и отображающих вибрационные процессы, включая дребезг контактов в контактных устройствах авиационных приборов, который позволяет существенно сократить объем вычислений, необходимых для принятия решения о состоянии диагностируемого КС.

8. Разработаны основополагающие принципы селекции признаков для распознавания квазилинейного участка электрического напряжения на выходе датчика температуры для определения коэффициента температуропроводности путем импульсного воздействия лазерного луча в точку поверхности конструкции материалов КС, теплофизические свойства которой исследуются. Предложены структурные и функциональные схемы двух информационно-измерительных средств, обладающих элементами искусственного интеллекта, которые обеспечивают расчет коэффициент температуропроводности материала КС с существенно большей точностью по сравнению с существующими.

9. Разработано устройство для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных деталей КС, которое относится к неразрушающему контролю материалов и предназначено для контроля структуры ферромагнитных материалов после их термической или холоднокатанной обработки, а также для определения содержания отдельных элементов в сплавах. Повышение надежности контроля достигается за счет сравнения интегрированного интегратором сигнала преобразователя с заданным диапазоном его изменения. При попадании сигнала в этот диапазон сигнал дифференцируют дифференциатором, а амплитуду исследуемого сигнала масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд и по результату сравнения судят о структуре материала.

10. Предложен алгоритм неразрушающего контроля, в котором в качестве информативных параметров используются временные характеристики сигналов, такие как, время нарастания и спада фронтов импульсных сигналов. Принцип, на котором построен алгоритм, заключается в ограничении исследуемого импульса между уровнями 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды сигнала в целях повышения точности измерения. Ограниченный между уровнем 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды импульс дифференцируют, а амплитуду исследуемого импульса масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд исследуемого импульса и по результатам сравнения определяют время нарастания и спада фронтов исследуемого импульса.

1. А. с. 1333090, СССР, МКИ G06 К 9/00. Устройство для селекции признаков при распознавании образов / Поздеев В. С., Гараев P.M., Соловьев А.Б. (СССР) - №3989145/24-10; Заявлено 10.12.85; Опубл. -Бюл. 1987, №2.

2. А. с. 463047, СССР, МКИ G 06 К 9/36, 1975.

3. А.с. 1038857, СССР, МКИ G 01 К 25/72, 1983.

4. А.с. 1361589, СССР, МКИ G 06 К 9/00. Устройство для распознавания образов / P.M. Гараев, B.C. Поздеев, В.Е. Лялин, П.Г. Кузнецов (СССР). -№4101945; Заявлено 13.05.86; Опубл. Бюл. 1987, №47.

5. А.с. 1525622, СССР, МКИ G 01 R 29/02. Устройство для определения времени нарастания и спада импульсных сигналов / B.C. Поздеев, А.Е. Кайсин, М.В. Мурзак (СССР). №4392506; Заявлено 14.03.88; Опубл. Бюл. 1989, №44.

6. А.с. 1585738, СССР, МКИ G 01 N 27/83. Устройство для магнито-шумовой структуроскопии ферромагнитных изделий / B.C. Поздеев, А.Е. Кайсин (СССР). -№4297885; Заявлено 21.08.87; Опубл. Бюл. 1990, №30.

7. А.с. 932515 СССР МКИ G 06 К 9/80. Способ преобразования сигналов объектов для контроля их технического состояния / В.В. Волков, В.Е. Лялин, К.М. Рагульскис, А.В. Гудялис, С.И. Оржекаускас (СССР). -№2961563; Заявлено 23.06.80; Опубл. Бюл. 1982, №20.

8. Адамия Р.Ш. Оптимизация динамических нагрузок прокатных станов. М.: Металлургия, 1978. - 232 с.

9. Алабужев П. М., Минкевич Л. М. Основы теории подобия и моделирования. Новосибирск: СО АН СССР, 1965. 83 с.

10. Андрюшкевичюс А.И. Оптимальный синтез лентопротяжных механизмов по частотному спектру. Канд. дисс. Каунас, 1973,182 с.

11. Андрюшкевичюс А.И., Рагульскис К.М. Синтез по частотному спектру вибрационных систем, обладающих групповой симметрией или квазисимметрией. В кн.: Кибернетическая диагностика механических систем по виброакустическим процессам, Каунас, 1972, С. 240-242.

12. Артоболевский И. И., Ильинский Д. Я. Основы синтеза систем машин автоматического действия. М.: Наука, 1983. 278 с.

13. Асташев В.К., Бабицкий В.И. Способы настройки резонансных машин. Машиноведение, 1982, № 5, С. 3-9.

14. Ашавский А. М., Вольперт А. Я., Шейнбаум В. С. Силовые импульсные системы. М.: Машиностроение, 1978. 199 с.

15. Бабаков И. М. Теория колебаний. М.: Наука, 1965. 560 с.

16. Бабицкий В. И. Теория виброударных систем. М.: Наука, 1978. 349 с.

17. Банах Л.Я. Уменьшение числа степеней свободы при использовании многомерных систем. Машиноведение, 1979, № 1, С. 21-26.

18. Баничук Н. В. Оптимизация форм упругих тел. М.: Наука, 1980.255 с.

19. Бате К., Вильсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. 448 с.

20. Блехман И. И. Синхронизация динамических систем. М.: Наука, 1971.894 с.

21. Броек Д. Основы механики разрушений. М.: Высшая школа, 1980.368 с.

22. Буль Б. К- Основы теории и расчета магнитных цепей. М; Л.: Энергия, 1964. 464 с.

23. Бутковский А. Г. Черкашин А. Ю. Оптимальное управление электро механическими устройствами постоянного тока. М.: Энергия, 1972. 112 с.

24. Вейц В. JL, Кочура А. Е., Царев Г. В. Расчет механических систем приводов с зазорами. М.: Машиностроение, 1979. 183 с.

25. Вейц B.JL, Кочура А.Е. Многовариантные расчеты собственных спектров машинных агрегатов на основе эквивалентных структур преобразований-Машиноведение, 1980, №6, С. 11-19.

26. Вейц B.JL, Кочура А.Е. Об одном методе определения собственных спектров составов упругих систем. Прикладная механика, 1978, том XTV, № 7, С. 88-96.

27. Вейц B.JL, Кочура А.Е. Собственные спектры динамических моделей с варьируемыми и случайными параметрами. Машиноведение, 1979, № 3, С. 3-9.

28. Вейц В.Л., Кочура А.Е. Структурные преобразования динамических моделей машинных агрегатов с сосредоточенными параметрами. Прикладная механика, 1978, том XIV, № 5, С. 99-107.

29. Вульфсон И.И. Колебательные системы с идентичными цикловыми механизмами. В кн.: Тез. докл. Всесоюзного совещания по методам расчета механизмов - машин автоматов, Львов, 1979, С. 5-6.

30. Габасов Р.Ф., Кириллова Ф.М. Построение последовательных приближений для некоторых задач оптимального управления. Автоматика и телемеханика, 1966, № 2, С. 5-17.

31. Гальперин Е.А., Медник А.И. Экстремальные задачи управления спектром собственных колебаний механических систем при наличии ограничений. Изв. АН СССР, Механика твердого тела, 1971, №5, С.57-60.

32. Ганиев Р. Ф., Кононенко В. О. Колебания твердых тел. М.: Наука, 1976. 431 с.

33. Глазман И.М., Штейнвольф Л.И. Освобождение резонансно-опасных зон от собственных частот вибрационной системы варьированием ее параметров. Изв. АН СССР, «Механика и машиностроение», 1964, №4, С. 126-128.

34. Гринев В. Б., Филиппов А. П. Оптимизация элементов конструкций по механическим характеристикам. Киев: Наукова думка, 1975. 292 с.

35. Гринев В.Б., Иванова В.Н. Управление спектром собственных частот дискретно-непрерывных крутильных систем. Машиноведение, 1981, № 1, с. 24-30.

36. Гринев В.Б., Филиппов А.П. Оптимизация элементов конструкций по механическим характеристикам. Киев: Наукова думка, 1975-294с.

37. Гринкевич В.К., Статников Р.Б. Исследование статистическими методами влияния параметров динамической системы на спектр собственных частот. Машиноведение, 1970, № 4, С. 3-9.

38. Давтян М.Д. Одна модель отказов оборудования при механических нагрузках// Известия АН СССР. Сер. Техническая кибернетика. 1984. №6. С.194-195.

39. Давтян М.Д., Коненков Ю.К. Исследование надежности оборудования при накоплении повреждений// Надежность и контроль качества. 1984. № 10. С. 9-12.

40. Данилов-Данильян В.И. Задачи большой размерности и итеративные методы оптимального планирования. Сборник программ и алгоритмов для решения на ЭЦВМ, М. Статистика, 1967. - 320 с.

41. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения, М., "Мир", вып. 1,2,1971, 1972.

42. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко B.JI. Методы сплайн-функции.- М.: Наука, 1980. 352 с.

43. Загребин Л.Д. Учет влияния теплообмена при определении тепло-физических параметров лазерным нагревом Тез. докл. Пятой Всесоюзн. научн.-техн. конф. по теплофизике технологических процессов. Волгоград, 1980, с. 21.

44. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Сипайлов В.А. Измерение температуропроводности массивных металлических образцов импульсным методом. -ИФЖ, 1978, т.35, 3, С. 450-454.

45. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.541 с.

46. Кайсин А.Е., Анисимов С.В. Устройство контроля крутизны фронта импульсов // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы радиоэлектроники и автоматики» (Свердловск, 1984). -Свердловск: СДТНТО, 1984. С. 20

47. Кайсин А.Е., Загребин А.П., Поздеев B.C. Устройство допускового контроля длительности фронтов импульсов // «Электронная промышленность», 1985, вып. 5.-С. 56-57.

48. Калман Р.Е., Бьюси Р.С. Новые результаты в линейной фильтрации и теории предсказания. Тр. Амер. об-ва инж.-мех., сер. D, «Техническая механика», Изд. ИЛ, № 1.

49. Клименко М.М., Кржижановский Р.Е., Шерман В.Е. Импульсный метод определения температуропроводности. ИФЖ, 1976, т.17,6, С. 1216-1223.

50. Кобзарь В. В., Ивакин Б. Ф. К вопросу расчета механических характеристик некоторых типов контактных систем // Техника средств связи. Сер. Техника провод, связи. 1976. Вып. 5. С. 11 — 18.

51. Кобринский А. Е., Кобринский А. А. Виброударные системы: Динамика и устойчивость. М.: Наука, 1973. 591 с.

52. Коваленко Р.А. Верификация виброакустических стохастических сигналов, описываемых авторегрессионной моделью // Вестник ИжГТУ № 5. -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. С. 44-46.

53. Кожевников С.Н. Метод упрощения динамических моделей при расчете приводов металлургических машин. Машиноведение, № 1,1981, С. 3-6.

54. Коловский М.З. Об оптимальном управлении установившимся движением машинного агрегата. Машиноведение, 1980, № 1, С. 10-16.

55. Коловский М.З. Об уменьшении динамических ошибок приводных механизмов. Машиноведение, № 6, 1978, С. 18-23.

56. Коненков Ю. К., Ушаков И. А. Вопросы надежности радиоэлектронной аппаратуры при механических нагрузках. М.: Сов. радио, 1975. 144 с.

57. Коненков Ю.К. О постановке статистических задач взаимодействия упругих тел с окружающей средой// ДАН АН СССР. Т.209.1973. №6. С.1307-1310.

58. Коненков Ю.К., Ушаков И.А. Надежность и корреляция частей сложной динамической системы// Надежность и контроль качества, 1969. №11. С.65-72.

59. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

60. Лялин В.Е., Уланов А.В. Применение метода конечных элементов для расчета контактных устройств // Известия Тульского гос. университета, 2006, Том 11.- Вып. 4. - С. 47-52.

61. Лялин В.Е., Уланов А.В. Применение проекционных методов динамического расчета контактных устройств для авиационной техники // Надежность и качество: Труды междунар. симпозиума.- Пенза: Информ.-издат. центр1. ПГУ, 2006.-С. 336-342.

62. Митин В.Н., Штейнвольф Л.И. Синтез дискретных вибрационных систем с максимально сжатым спектром. Прикладн. математ. и механика, 1975, т. 39, С. 614-620.

63. Нагаев Р. Ф., Ходжаев К. Ш. Колебания механических систем с периодической структурой. Ташкент: ФАН, 1973. 268 с.

64. Олхофф Н. Оптимальное проектирование конструкций. М.: Мир, 1981.276 с.

65. Пальмов В.А. Колебания упругопластических тел. М.: Наука, 1976.231 с.

66. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машиностроение, 1967, 315 с.

67. Плявниекс В. Ю. Расчет косого удара о препятствие // Вопросы динамики и прочности. Рига, 1969. Вып. 18. С. 87—109.

68. Постнов В.А. Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1974. - 344 с.

69. Применение сплайн функций для аппроксимации зависимостей температуропроводности в печатных узлах радиоэлектронных средств / Кузьминых В.Н.; ИжГТУ, 2001.-46 с. Деп. в ВИНИТИ 10.12.2001, № 2557 - В 2001.

70. Рагульскене В. Л. Виброударные системы. Вильнюс: Минтае, 1974.320 с

71. Рагульскис К.М., Уланов А.В. Применение метода конечных элементов для моделирования динамики контактных устройств Известия Тульского гос. университета, 2006, Том П.- Вып. 4. - С. 53-61.

72. Разработка и применение средств технического диагностирования и методов неразрушающего контроля при создании регистраторов информации / Кайсин А.Е., Лялин В.Е.,Гурьянов А.В., Журавлев А.В.; ИжГТУ, 1999.- Деп. в ВИНИТИ 1999, №3427 -В99. 38с.

73. Разработка информационно-измерительных средств с элементами искусственного интеллекта для определения температуропроводности материалов / Кузьминых В.Н., Лялин В.Е.; ИжГТУ, 2001. 35 с.- Деп. в ВИНИТИ 10.12.2001,№2561-В 2001.

74. Разработка технических средств для неразрушающего контроля деталей и материалов контактных соединений / Уланов А.В., Лялин В.Е.- Ижевск: ИжГТУ, 2006.- Деп. в ВИНИТИ 28.02.06 № 198-В2006 41 с.

75. Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. М.: Сов. радио, 1976. - 326 с.

76. Рябой В. М., Генкин М. Д., Яблонский В. В. Построение и оптимизация дискретных линейно-упругих систем с заданными частотными характеристиками // Машиностроение. 1981. № 2. С. 32—38.

77. Северцев Н.А. Надежность сложных систем в эксплуатации и отработке: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989. - 432 с.

78. Соболь И. М., Статникоа Р. Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. 110 с.

79. Сотсков Б, С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. М.; Л.: Энергия, 1965. 576 с.

80. Тарханов Г.В. Влияние случайного изменения параметров на собственные частоты и формы колебаний сложных механических систем. Машиноведение, № 6,1976, С. 28-31.

81. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: ГИФМЛ, 1963.636 с.

82. Троицкий В. А., Петухов Л. В. Оптимизация формы упругих тел. М.: Наука, 1982.431 с.

83. Тэрнер М. Проектирование конструкций минимального веса, имеющих заданные собственные частоты // Ракеты, техника и космонавтика. 1967. № 5. С. 27—35.

84. Уланов А.В. Исследование динамики миниатюрных контактных устройств на основе их конечноэлементной дискретизации // Надежность и качество: Труды междунар. симпозиума.- Пенза: Информ.-издат. центр ПГУ, 2006.-С. 343-350.

85. Уланов А.В. Конструирование миниатюрных контактных соединений для авиационной промышленности // Надежность и качество: Труды междунар. симпозиума.- Пенза: Информ.-издат. центр ПГУ, 2006.-С. 327-336.

86. Уланов А.В. Технические средства для измерения теплофизических свойств материалов КС // Мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 50-летию ИжГТУ Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. - С. 147-152.

87. Уланов А.В., Рагульскис К.М. Оптимизация формы звеньев контактных устройств с распределенными параметрами // Известия Тульского гос. университета, 2006, Том П.- Вып. 4. - С. 36-46.

88. Устройство измерения параметров импульсов на базе мико-ЭВМ / Кайсин А.Е., Поздеев B.C., Кузнецов П.Г.; ИжГТУ, 1986.- Деп. в ВИНИТИ 1986, №6873 -В86. 12 с.

89. Фесенко А.И. Цифровые устройства для определения теплофизических свойств материалов. М.: Машиностроение, 1981, С. 173-182.

90. Филиппов А. П. Колебания деформируемых систем. М.: Машиностроение, 1970. 733 с.

91. Фролов К- В., Фурман Ф. А.Прикладная теория виброзащитных систем. М.: Машиностроение, 1980. 275 с.

92. Харазов К. И. Переключатели с магнитоуправляемыми контактами. М.: Энергия, 1978. 80 с.

93. Хог Э., Арора Я- Прикладное оптимальное проектирование. М.: Мир, 1983. 479 с.

94. Чернецкий В.И. Анализ точности нелинейных систем управления. -М.: Машиностроение, 1968.-247 с.

95. Черноусько Ф. JL, Акуленко JI. Д., Соколов Б. Н. Управление колебаниями. М.: Наука, 1980. 383 с.

96. A. Ulanov Technique and devices of definition of time of increase and recession of fronts of pulse signals // International conference Vibroingeneering 2005, Oktober 2005 Kaunas: Litiluanian Academy of Sciences - P. 45-53.

97. Asano N. A finite element method applicable to eiasto-impact contact structures// Memoir of fac. of eng. / Tamagawa University. 1982. N 7. P. 39—54.

98. Bathe K.J., Wilson E.L. Numerical Vethods in Finite Element Analysis. Prentice Hall, INC, Englewood Cliffs, New Jersey, 1976. - 528p.

99. Bosch W., Kimpel R. D., Rauterberg U. A miniature relay desing // Elektronics a. Instrumentation. 1980. March. P. 51—54.

100. Chow С. K. An Optimum Character Recognition System Using Decision Functions. IRE Trans., EC-6, No 4,1957.

101. Herrman L. R. FEM Analysis of Contact Problems, J. of Eng. Mech. Div., 1978, v. 104, Nr. 5.-p. 1043-1057.

102. Kikuchi F., Aizawa T. A numerical method for free vibration analyses of structures with small design changes/7 Bull. ISME. 1984. Vol.27, N229. P. 1479—1486.

103. Kitfs L., Pilkey W. D-, Wang B. P. Optimal frequency response shaping by appendant structures//Sound a. Vibration. 1984. Vol.95. N2. P. 161 — 175.

104. KJusalaas J., Shaw R. С J. An algorithm for optimal structural design with frequency constraints // Intern. J. for Numerical Methods in Eng. 1978. Vol. 13. P. 283—295.

105. Lenk A., Elektromechanische Systeme, Band I, Berlin, VEB Ver-lag,Technik, 1971.

106. Miya K., Takagi Т., Ando Y. Finite-element analysis of magnetoelastic buckling of ferromagnetic beam plate.//J. App. Mech. 1980. Vol.47, June. P. 377—382.

107. Orr W.f Morrifl V. New concepts in the design and manufacture of reed switches // Proc. of the 23 rd Annual National Relay Conf. / USA, Oklahoma State University. 1975. P. 1—7.

108. Parker W.J., Jenkens R.S., Buttler C.P., Abbott G.L. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity. J. Applied. Phys. - 1961, v.32, N 9, p. 1679-1684.

109. Parzen E. An Approach to Time Series Analysis. Ann. of Math. Stat., vol. 32, No 4, 1961.

110. Petersen К. E. Micromechanical membrane swtches on silli-con//IBM J. Res. a. development. 1979. Vol.23, N 4. P. 376—385.

111. Rao S. S. The finite element method in engineering. Pergamon Press. Oxford, 1982.625 р.

112. Slutsky S., Chon С. Т., Yeung К. S. On the best mode form in the mode approximation technique using the finite element method//J. Struct, mech. 1982. N 10(1). P. 117—131.

113. Spyrakos С. C, Beskos D. E. Dynamic response of frameworks by fast

114. Fourier transform/7 Computers a. Structures, 1982. Vol.15. N5. P. 495—505.

115. Unbehauen R., Systemtheorie Eine Einfiihrung fur Ingenieure, Berlin Akadimie - Verlag, 1969.

116. Vich R., Eine Verallgemeinerung der Filteranalyse und synthese X. Intern. Wiss. Koll. TH Ilmenau 1965, Reihe Nachrichtentheorie, 7-12.

117. Wald A. Statistical decision functions. J. Willey and Sons, New York. 1950.