автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Влияние упругости конструкции летательного аппарата на воспроизведение переменных нагрузок при прочностных испытаниях

На правах рукописи

БЕЛОУСОВ Анатолий Иванович

ВЛИЯНИЕ УПРУГОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК ПРИ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

I

Специальность 05.07.03 - «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2003

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Присекин Виктор Леонтьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Филимонов Борис Петрович

кандидат технических наук, доцент Красовский Валерий Викторович

Ведущая организация:

I

ФГУП «Сибирский НИИ авиации им. С.А.Чаплыгина», г. Новосибирск

Защита диссертации состоится 18 декабря 2003г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.173.07 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан / Ц ноября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор_Д?' Г.И. Расторгуев

/

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Лабораторные испытания конструкции летательного аппарата (ЛА) являются основным методом для подготовки окончательного суждения о прочности самолета. Результаты натурных испытаний используются при сертификации конструкции. Особое значение имеет обеспечение достоверности результатов. Поэтому точное воспроизведение внешних воздействий на конструкцию является одной из основных задач 6 области экспериментальных исследований прочности самолетов. Такие исследования выполняются в специальных стендах, оснащенных многоканальными системами нагружения. Рост эффективности лабораторных прочностных испытаний самолетов непосредственно зависит от развития функциональных возможностей испытательных стендов. В многоканальных системах каждый канал представляет собой независимый контур регулирования. Такая система не всегда отвечает предъявляемым к ней требованиям, так как алгоритмы управления не учитывают особенности нагружения упругой конструкции. Вывод уравнений состояния свободно подвешенного ЛА и использование этих уравнений в алгоритмах управления нагружением позволяют учесть многосвязность нагружающих воздействий и в полной мере реализовать возможности цифрового управления.

Одно из направлений совершенствования методики ресурсных испытаний связано с моделированием процессов нагружения на основе математических моделей, в которых учитываются упругие свойства конструкции ЛА. Применение этих моделей на этапе подготовки натурных исследований позволяет с малыми затратами решать оптимизационные задачи, связанные с выбором оборудования и эффективных алгоритмов управления. Поэтому численное исследование процессов воспроизведение переменных нагрузок при многосвязном нагружении упругой конструкции с помощью математической модели, выполненное в диссертационной работе, является актуальным и практически важным.

Цель работы заключается в создании полной математической модели испытательного стенда, учитывающей деформирование упругой конструкции и ее перемещение как жесткого целого, разработке и исследовании новых алгоритмов управления процессом воспроизведения переменных во времени нагрузок.

Методы исследований основаны на численном моделировании процесса нагружения упругой конструкции ЛА с использованием полной системы уравнений состояния систем стенда для прочностных испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем.

• Выведена полная система уравнений состояния систем стенда для прочностных испытаний конструкций летательных аппаратов. Уравнения состояния систем стенда и результаты их исследований являются оригинальными и не имеют аналогов.

• На основе анализа полученных уравнений предложены эффективные алгоритмы управления воспроизведением действующих на конструкцию нагрузок.

• Исследовано влияние упругости конструкции ЛА на точность воспроизведения программы испытаний.

• Предложены способы определения параметров алгоритмов управления по результатам предварительного нагружения конструкции.

• Предложены алгоритмы, позволяющие управлять положением свободно подвешенной конструкции в процессе нагружен) ^(^иадедяЮодэдвддоЗна ЛА.

БИБЛИОТЕКА 1

оэ тй^^та !

• Предложен алгоритм управления нагружением жестких конструкций, не требующий предварительного определения параметров исполнительных устройств гидравлической системы нагружения.

Практическая значимость и реализация результатов исследований заключаются:

• в исследовании полной системы уравнений состояния систем стенда для прочностных испытаний конструкций летательных аппаратов;

• в результатах численного моделировании процесса нагружения упругой конструкции ЛА в испытательных стендах;

• в разработке эффективных алгоритмов управления воспроизведением действующих на конструкцию ЛА нагрузок;

• во внедрении отдельных результатов и пакетов программ в ФГУП «Сибирский НИИ авиации им. С.А. Чаплыгина» (г. Новосибирск) и в учебном процессе на факультете летательных аппаратов Новосибирского государственного технического университета.

Работа проводилась по договорам с ФГУП «Сибирский НИИ авиации им. С.А. Чаплыгина», а также выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы».

Достоверность результатов и выводов, содержащихся в работе, основывается

на:

• корректном использовании известных уравнений механики деформируемого твердого тела;

• сопоставлении результатов численного моделирования, выполненного для применяемых в практике и предлагаемых технологий испытаний.

На защиту выносятся:

• разработанная математическая модель систем стенда для прочностных испытаний конструкций ЛА;

• разработанные алгоритмы управления воспроизведением действующих на упругую конструкцию нагрузок и способы определения их параметров;

• результаты численного моделирования процесса нагружения конструкции ЛА в испытательных стендах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2000г.); на I Международном российско-корейском симпозиуме по прикладной механике 1Ш8КО-АМ-2001 (Новосибирск 2001г.); на IV Международном российско-корейском научно-техническом симпозиуме по науке и технологии КОШЛв (Новосибирск, 2002г.); на 1-м семинаре ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» «Проблемы развития гидропривода в различных отраслях промышленности» (Новосибирск, 2003г.), на расширенном семинаре кафедры прочности летательных аппаратов НГТУ. Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 52 наименований. Объем диссертации - 147с., включая 46 рис., 14 таблиц, приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и дана общая характеристика работы.

В первой главе описывается методика проведения стендовых испытаний с применением многоканальных систем нагружения. Стендовые испытания как метод экспериментальной лабораторной проверки прочности конструкций получили широкое признание в авиационной промышленности. В работах Баранова А.Н., Мохова В.Ф. анализируется развитие техники испытаний в зависимости от использовавшихся средств. Отмечается, что большой вклад в развитие методик экспериментального исследования прочности и проведения испытаний натурных конструкций внесли Басов Н.В., Беклемещев А.И., Белов В.К., Белозеров Л.Г., Белый Н.Г., Брысин Н.В., Волобуев B.C., Воробьев А.З., Григоренко А.И., Дровянкин В.В., Дубинский B.C., Замула Г.Н., Ильин Ю.С., Каляев Е.А., Кольман Е.М., Кутьинов В.Ф., Лукьяненко С.Н., Марин Н.И., Миодушевский П.В., Райхер В.Л., Ржевуский A.A., Ро-винский М.Н., Санькович Э.Л., Серьезное А.Н., Син В.М., Страшный В.М., Стрижиус В.Е., Стучалкин Ю.А., Стыцюк В.И., Щербань К.С., Янишевский А.Э. и др.

В многоканальных системах управления каждый канал представляет собой следящий контур регулирования, включающий в свой состав систему управления, гидравлическую систему нагружения (ГСН), объект испытаний. Взаимодействие этих трех компонентов системы определяет точность воспроизведения программной нагрузки. Используемые в практике испытаний алгоритмы управления не учитывают взаимозависимость приложения нагрузок, обусловленную упругими свойствами конструкции ЛА. Это является одной из причин, по которым возникают ошибки в реализации программы испытаний - сигналы управления формируются независимо в каждом канале. Однако при нагружении упругих конструкций изменение усилий в одном канале приводит к изменению усилий в других каналах, что не учитывается в указанных алгоритмах. Одним из следствий этого является несинхронность нагружения в разных точках упругой конструкции, которая может привести к ошибкам в оценке прочности ЛА.

В полной мере использовать возможности многоканальных систем для синхронного нагружения упругих конструкций возможно, если при формировании управляющих сигналов учитывать свойства объекта испытаний и характеристики гидравлической системы нагружения. Исследования в этом направлении необходимо проводить на математических моделях, в которых заложены соответствующие факторы реального процесса. Поэтому в первой главе приводится общая постановка задачи диссертационной работы - создание и исследование математической модели систем стенда для прочностных испытаний с учетом деформирования объекта испытаний и использование результатов моделирования для совершенствования методики ресурсных испытаний. Приведены схема нагружения ЛА

(рис.1), структурная схема Рис. 1. Схема нагружения

б

стенда, описано ее функционирование. В дальнейшем в работе получены и исследованы уравнения состояния всех систем стенда с учетом упругих деформаций конструкции JIA и его смещений как жесткого целого при испытаниях в свободно подвешенном состоянии.

Во второй главе выводятся и исследуются уравнения состояния систем стенда при нагружении силами в вертикальной плоскости крыла большого удлинения, закрепленного по корневой нервюре.

Исходными данными для разработки системы нагружения крыла JIA являю гея эпюры внешних нагрузок и программа их изменений по времени. В зависимости от требуемой точности моделирования нагружения крыла выбирается число каналов нагружения т, размеры зон распределенных нагрузок, разрабатывается рычажная система (РС). При расчете схемы нагружения задаются значения, направления действия и координаты точек приложения равнодействующих нагрузок. Направление действия сил определяется единичными ортами =е/ у, j=\,.2...,m (у - орт вертикальной оси), где ej принимают значение +1, если сила действует по направлению оси _у, и —1 в противном случае.

Реализованные в процессе нагружения силы Р, характеризуются своими значениями и направлением действия. Значения сил определяются показаниями динамометров Pj , Силы вычисляются через показания динамометров как Р, = e]P¡ .

Для описания рабогы всей системы вводятся: диагональная матрица направляющих ортов E=diag{e¡,ei,...,em}. Тогда действующие силы Р = col^Pv...,Pm^ выражаются через показания динамометров Р = со/ j/^,...,/^} как Р = ЕР .

Вертикальные перемещения точек крыла w = col\wv...,wm] с координатами приложения равнодействующих вычисляются через матрицу податливости крыла А,„ для заданного распределения действующих сил: w = Aw Р = А„Е Р.

При нагружении конструкции происходит удлинение АН = col{Ah¡,...,Ahm] ветвей рычажной системы, которое определяется диагональной матрицей податливо-стиРСА,,: АН = А0Р .

Перемещения штоков гидроцилиндров S = col {-5,,..., } считаются положительными по направлениям ортов . Это позволяет записать условие совместного деформирования конструкции и РС в виде w + АН - ES или (А„ + All,)P = ES . Используя обозначение А = ЕГ(А0 + А,„)Е , получим уравнение связи между перемещениями штоков и показаниями динамометров АР = S .

Каждый гидроцилиндр (ГЦ) подключен к маслонасосной станции через электрогидравлический усилитель (ЭГУ), который определяет расход жидкости от напорной магистрали в зависимости от сигнала управления /. В работе предлагается один из вариантов представления свойств гидравлической системы нагружения от действующей нагрузки, сил трения и управляющего сигнала. Потребность в выводе этих уравнений и оценке их параметров объясняется необходимостью получения полной системы уравнений состояния стенда для численного моделирования процесса нагружения конструкции с использованием различных алгоритмов управления и определения их эффективности при прочих равных условиях.

Для описания скорости штока без нагрузки в работе получена антисимметричная линейная характеристика. Перемещения штоков, значения которых используются для вычисления реализуемых усилий, определяются из системы уравнений

I

¿=<¿£(1 -к^¡¡^¡У — , Т3Х +х = //, где: Р* - относительное усилие, развиваемое

ГЦ; значения коэффициентов и кг определяются по паспортным расходным характеристикам ЭГУ и известным площадям ГЦ; Тэ - характерное время запаздывания золотника (постоянная времени ЭГУ); х - смещение золотника от нейтрального положения; / - коэффициент чувствительности ЭГУ к току (коэффициент усиления). При выводе законов управления и определении управляющего сигнала для многоканальной системы характеристика гидравлических устройств системы нагружения задается в виде в = В I, где I - вектор-столбец управляющих токов: 1 = со1 {/,,...,/„}, Ом - диагональная матрица, элементы которой зависят от характеристик используемых ЭГУ, действующих усилий, направления движения штоков.

Формирование управляющего тока осуществляется в соответствии с используемым алгоритмом. В качестве алгоритма управления обычно применяется ПИД-закон: при вычислении управляющих сигналов учитываются не только значения текущей погрешности в реализации усилий АР] (пропорциональная составляющая), но и изменение погрешности за шаг (или несколько шагов) нагружения (дифференциальная составляющая) и сумма погрешностей за время ншружения (интегральная составляющая). Для многоканальной системы нагружения правило формирования управляющих сигналов записывается в виде:

ЛР' - АР'"1 '

1 = к.ДР'+к2 - + ^з Д/У]ДР" .

12 Дг 3 £

Здесь: кь к2, к3 - диагональные матрицы коэффициентов; ДР" - вектор-столбец текущих погрешностей по каналам управления ДР' = ДР = со/{д/|',...,Д/^},

ДР\ = Р* (I,)- Р] , Р*и,) - программное значение усилия в у'-м канале для момента

времени /,; Р - усилие, реализованное на момент времени .

Настройка системы управления заключается в подборе оптимальных элементов матриц к|, к2, к3, обеспечивающих устойчивое функционирование системы нагружения. Если каналы управления являются независимыми и не влияют на работу друг друга, то настройка каждого канала осуществляется по отдельности. При нагружении упругих конструкций, когда изменение усилий в одних точках приводит к изменению усилий в других, независимая настройка каналов фактически невозможна. В диссертационной работе предлагается алгоритм вычисления управляющих сигналов сформулировать, исходя из требования: в любой момент времени скорости штоков в должны быть пропорциональны перемещениям Д8, необходимым для устранения ошибок по нагружению ДР. Правило сформулировано для случая, когда в алгоритме управления используется только пропорциональная ошибке нагружения составляющая (П-регулятор). Учет свойств гидравлической системы нагружения и упругих свойств объекта испытаний привел к закону формирования управляющих сигналов:

I = А ДР. Теперь управляющие сигналы для каждого канала не являются независимыми и должны вычисляться с учетом параметров гидравлической системы на-гружения и упругих свойств объекта испытаний и рычажной системы. Использование для управления этого алгоритм позволяет настройку всей системы управления свести к определению оптимального значения лишь одного параметра а|, зависящего только от интервала дискретности управления А/.

Недостатком приведенного алгоритма является то, что матрица податливости конструкции не всегда известна. В таких случаях в работе предложено сформировать некоторую матрицу А„ (матрицу управления), приближенно описывающую свойства объекта испытаний.

В простейшем случае вместо матрицы управления А„ вводится диагональная матрица Оь, элементы которой <1Ь11 определяются в ходе предварительного нагружения конструкции. Если конструкцию нагрузить системой сил Р] в соответствии с программой испытаний и измерить перемещения sJ штоков гидроцилиндров, то элементы матрицы вычисляются по формуле (]ьм = sJ /PJ. Использование диагональной

матрицы Г>4 позволяет провести настройку многоканальной системы как одноканаль-ной.

В работе также предложен прием построения матрицы управления А„, основанный на задании закона изменения изгибной жесткости по размаху крыла. Алгоритм получения матрицы управления был протестирован на примере крыла большого удлинения реальной конструкции. Проведенное тестирование позволило рекомендовать этот алгоритм для получения матриц управления нагружением крыльев большого удлинения.

Как уже отмечалось, управление без ошибки в реализации программных усилий с использованием ПИД-закона невозможно. В диссертационной работе предлагаются алгоритмы, основанные на использовании заданной программы нагружения для прогнозирования закона перемещения штоков. Обозначим перемещения штоков, необходимые для реализации программных усилий, через 8Р. Перемещения в' зависят от свойств объекта нагружения и рычажной системы и определяются через матрицу податливости в*" = АРр или в'' = . Скорости штоков ГЦ подчиняются соотношению !§'' = 1)(г . Такую скорость нагружения обеспечивает управляющий сигнал I' = В[1'П(1Р'' . Для средних значений скоростей изменения усилий на некотором отрезке времени г используется соотношение: Рр « Рг(1 + г) - Р'(/)]/г . Поэтому для управления нагружением без обратной связи (т.е. без контроля реализованных усилий) на исполнительные механизмы необходимо подавать управляющие сигналы по закону: 1'(0 = а4В;'В,[Р,'(/ + т)-Р',(0], гдеа4«1/т.

При численном исследовании алгоритмов управления принималось 1=Дг (А/ -интервал дискретности управления).

Предложенное правило формирования управляющих сигналов определяется как управление по планируемой траектории. Значение массива программных управляющих сигналов может быть вычислено заранее перед нагружением для каждого момента времени. Поэтому использование алгоритма управления по планируемой траектории фактически не приводит к увеличению объема вычислений при формировании

управляющих сигналов и не предъявляет дополнительных требований к используемой аппаратуре.

Сигнал, вычисленный по планируемым значениям нагрузок, должен корректироваться сигналом обратной связи. Коррекцию сигнала можно проводить с использованием любого из рассмотренных ранее алгоритмов. В общем случае для формирования управляющего сигнала в диссертационной работе предложена формула:

1 =

«, ДР + о2(ДР' --ДР"') + а3£ЛР"

+в404 [р'(/ +г)-Рр (>)]}•

Для пропорционального закона управления получено: 1 = 0^0;,{а, АРч-Р'}. Настройка такого закона требует определения только одного оптимального параметра

«I-

При численном исследовании алгоритмов для оценки качества нагружения проводился анализ графиков изменения программных и реализуемых усилий. В качестве количественных оценок использовались: средняя погрешность в реализации усилий рр, которая вычислялась как осредненная интегральная характеристика отношения модуля разности программных и реализуемых усилий к максимальным программным усилиям в каждом канале (в %); среднее значение модулей управляющих сигналов за цикл нагружения, отнесенное к максимальному управляющему сигналу - 1т/, среднее значение модулей изменения управляющих сигналов за один шаг нагружения (в процентах от 1тах ) Д/.

Программа нагружения при численном тестировании задавалась последовательностью линейных сегментов. Максимально возможная скорость нагружения в каждом канале вычислялась по характеристикам гидравлической системы нагружения и упругим свойствам объекта испытаний. Для времени 7} отработки программных усилий при максимально возможных скоростях в работе получено соотношение Т1 «4{АР''| , где Япшх - максимальный расход через ЭГУ,

F^J - площадь поршня ГЦ в штоковой полости. Для всей системы время нагружения задается максимальным из вычисленных по приведенной формуле значений.

Таким образом, во второй главе записаны уравнения состояния всех блоков структурной схемы испытательного стенда. Основное внимание при разработке математической модели систем стенда уделено учету влияния упругости объекта испытаний на процесс воспроизведения программных нагрузок. С использованием полученных уравнений предложены алгоритмы управления для синхронного нагружения конструкции ЛА.

В третьей главе дано краткое описание программного обеспечения компьютерной модели, разработанной на основе уравнений состояния систем стенда для испытания на прочность при произвольном количестве зон нагружения. Исследования на компьютерной модели позволяют в процессе численного эксперимента оперативно подобрать в зависимости ог используемого оборудования оптимальный алгоритм управления и его параметры для наиболее точного воспроизведения нагрузок и положения свободно подвешенной конструкции самолета в зале испытаний в соответствии с заданной программой.

Дня оценки эффективности алгоритмов управления выполнено исследование процесса нагружения закрепленного крыла реальной конструкции. Основной задачей

моделирования являлся сравнительный анализ применения различных алгоритмов управления для воспроизведения действующих на конструкцию нагрузок при многосвязном нагружении. В качестве исходных данных для подготовки характеристик всех систем стенда использовались эгаоры максимальных значений перерезывающих сил и распределения изгибной жесткости по размаху крыла. Характеристики всех систем стенда определены с использованием этих данных.

На модели проведено исследование всех предложенных законов формирования управляющих сигналов для воспроизведения заданных нагрузок на крыло ЛА. Ниже приведены графики изменения относительных программных и реализованных усилий и графики изменения управляющих сигналов для двух из пяти точек нагружения крыла: корневой (1-й канал) - графики обозначены цифрой 1 - и концевой (5-й канал) - обозначены цифрой 2. Графики на рис.2 получены при моделировании аналогового П-регулятора и соответствуют одинаковым значениям коэффициентов усиления для всех пяти каналов, численно равным 2.

04

| ¡А 1 » I

! / М 20

-Щх 0

/ Л. г к

¿И и 1 к 1 ■20

! 1 Г ! 1 1 : 1 ■^У > 1А •

—

-. 1 I

1 ! 1 ! 1 1

Рис.2. Изменение усилий и управляющих сигналов при аналоговом управлении

при ку=2

Из графиков (рис.2) видно, что если по первому каналу нагружение осуществляется достаточно точно, то для пятого канала имеет место существенное рассогласование нагрузки. При пропорциональном увеличении коэффициентов усиления рассогласование уменьшается, но тенденция сдвига фаз остается. При дальнейшем увеличении коэффициентов возникает осцилляция управляющих сигналов (неустойчивость в системе управления).

Синхронизацию нагружения по всем каналам можно осуществить, если учесть упругие свойства крыла и провести настройку аналогового П-регулятора в соответствии с формулой к1у = а, / . Графики нагружения для

а,=2 {k,=diag{0.2Ъ, 1.38,1.97, 4.07, 3.51}) представлены на рис.3. Р 0.8

Рис.3. Изменение усилий и управляющих сигналов при аналоговом управлении при к;=<&[£{0.28,1.38, 1.97, 4.07,3.51}

и

Максимальная интегральная ошибка в реализации усилий в каждом канале приблизительно одинаковая. С ростом 0(| ошибка уменьшается и при а|=57 (к; ={7.91, 39.46, 56.18,115.96, 99.93}) не превышает 1.6%.

Как показал численный эксперимент, цифровое управление с использованием ПИД-регулятора с диагональной матрицей управления не обеспечивает синхронность нагружения. На рис.4 показаны графики сил и токов, полученные на границе устойчивости закона нагружения при интервале дискретности 0.005сек. р

-У- 12 \ _

} С

— | — -

Рис.4. Графики усилий и управляющих сигналов при использовании цифрового ПИД-регулятора с диагональной матрицей На рис.5 представлены результаты моделирования процесса нагружения при использовании в ПИД-регуляторе матрицы податливости. В данном случае управление возможно даже при Д/=0.05 сек.

р 0.8

04

0

! 1 —х— /,\ / 1 \ П I < 1 А 1 1 _ {/1 _ ! |/ ' \ 1

7 | [ I \ ■

;>£„. 1__I ! 1 ! •Ь/Х : ! !

3 6 <

Рис.5. Графики усилий и управляющих сигналов при использовании цифрового ПИД-регулятора с матрицей податливости (А1=0.05сек.)

Лучшие результаты (минимум ошибки нагружения) получены при добавлении к П-регулятору планируемого значения сигнала. На рис.6 показаны характерные графики изменения усилий и управляющих сигналов (для программного блока нагружения, в котором предусмотрены площадки выдерживания одного уровня нагрузки продолжительностью 0.2 сек.).

р 0.8

04

! /\ V /\ /1 \ 7\ > —, г I 1

! 1 ! 1 1 ! N1

Рис.б. Графики усилий и управляющих сигналов при использовании управления по планируемой траектории

Из анализа полученных при моделировании результатов следует, что алгоритмы с применением планируемого значения сигнала по своим характеристикам превосходит аналоговые системы и обычно используемый в практике цифрового управления ПИД-регулятор. Дополнительно в главе исследовано влияние погрешностей в исходных данных (по объекту испытаний) на точность управления по планируемой траектории. Показано, что использование матрицы управления, приближенно описывающей поведение объекта как упругой системы, обеспечивает достаточную точность в реализации усилий.

В работе также предложен алгоритм формирования планируемого значения сигнала для управления нагружением жестких конструкций. Алгоритм позволяет в автомагическом режиме производить настройку системы управления независимо от индивидуальных особенностей характеристики гидравлической системы нагружения.

Таким образом, численные исследования, выполненные в третьей главе, позволили провести сравнительный анализ эффективности алгоритмов воспроизведения действующих на конструкцию нагрузок при многосвязном нагружении. Численный эксперимент показал, что управление по планируемой траектории с учетом упругих свойств объекта испытаний имеет неоспоримые преимущества перед классическим ПИД-регулятором и обеспечивает необходимую точность нагружения.

Программы ресурсных испытаний конструкций самолетов предусматривают испытание всего планера в свободно подвешенном состоянии. В практике испытаний принято равновесие планера и его положение в пространстве в процессе испытаний контролировать системой стабилизации. В четвертой главе предлагается путь решения этой проблемы, позволяющий управлять положением конструкции ЛА в соответствии с задаваемой программой. Для реализации управления с учетом смещения объекта испытаний как абсолютно жесткого тела выводятся все необходимые формулы. Уравнения записаны для часто встречающегося в практике случая нагружения свободно подвешенной конструкции системой сил, параллельных вертикальной оси.

Нагружение конструкции ЛА осуществляется силовыми гидроцилиндрами через рычажную систему. Каждую ветвь РС можно рассматривать как одностороннюю упругую связь, изменяющую свою длину в процессе нагружения. Такая связь соединяет точку приложения равнодействующей сил ветви РС на поверхности ЛА с некоторой, как правило, неподвижной точкой зала испытаний.

Для вывода уравнений, определяющих поведение упругой конструкции ЛА в зависимости от хода штоков силовых гидроцилиндров, вводятся две системы координат: глобальная (неподвижная) г), С, и локальная (связанная) X, У, 2. Положение ЛА в неподвижной системе определяется положением центра локальных осей £,<, >"По ^ Со и углами поворота ф,1|/,9. Координаты точек ЛА в неподвижной системе через координаты в подвижной вычисляются через матрицу преобразования координат.

Обозначим через г^ (_/'=1,...,/я, где т - число каналов нагружения) ло-

кальные координаты точки приложения равнодействующей на поверхности летательного аппарата для j-o^л ветви рычажной системы (связи). Начальный момент времени при будем обозначать верхним индексом «О». В процессе нагружения локальная координата уц меняется на величину упругой деформации конструкции ЛА уи = у^ + . Изменение соответствующей глобальной координаты определяет изменение длины связи = и>у + (5г}0 + -(рг^). Уравнение совместности пе-

ремещений штока ГЦ и смещений точек крепления связи запишется в виде — г|,у - +а0/е]Р1. Тогда для вектора-столбца хода штоков получим выражение

Ев = АуЕР + А,ЕР + МЛ или 8 = (А0+ЕтАуЕ)Р + ЕтМЛ.

Здесь А0, - матрицы податливости рычажной системы и конструкции ЛА в локальной системе координат, вектор А (А = со/{5г)о,ф,0}) определяет положение ЛА как абсолютно жесткого тела, М — матрица, образованная из координаг приложения равнодействующих РС на плоскости

Во время испытаний незакрепленная конструкция ЛА может свободно перемещаться в зале. Поэтому для параллельной системы сил должны выполняться условия равновесия, которые в матричной форме имеют вид MгEP = g, где % = со1\рйу,0,0|,

Ст,>у - вес конструкции ЛА и ветвей РС.

Таким образом, линеаризованная система деформирования ЛА на стенде записывается (Аа + ЕгАуЕ;Р + ЕГМ А = в, МГЕ Р = %.

Полученная система уравнений порядка т+3 позволяет при численном моделировании процесса нагружения свободной конструкции ЛА определять т действующих усилий и 3 компоненты перемещения в зависимости от хода штоков ГЦ. * В работе предлагается первое уравнение системы положить в основу алгоритма

формирования управляющих сигналов и сформулировать правило: в любой момент времени скорости штоков 8! пропорциональны перемещениям Дв, необходимым не >> только для устранения ошибок по усилиям ДР, но и ошибок по перемещениям

ДЛ=ЛР-А. Отсюда получен алгоритм формирования управляющих сигналов: 1 = а,В~'('Аи ДР + ЕТМДА/). Для ПИД-регулятора вычисление сигналов выполняется по формуле

I = а,В:7А„ АР + ЕТМДА) + —0-'ПТРр<7 * ДА + х) - Рр(/ + Х/)].

Д/

Предложенные алгоритмы позволяют учитывать свойства гидравлической системы нагружения, упругие свойства испытываемой конструкции ЛА и рычажной системы. Управляющий сигнал по этим алгоритмам вычисляется не только в зависимости от программных и реализуемых усилий, но также от задаваемого программой испытаний и истинного положения конструкции в зале испытаний.

Для численного исследования эффективности алгоритмов управления нагруже-нием свободно подвешенной конструкции была выбрана расчетная схема в виде двух перекрестных балок. В модель были заложены факторы, приводящих к изменению положения конструкции в зале испытаний. Введение возмущающих факторов приводит к увеличению погрешности в реализации усилий. В тоже время результаты моделирования показывает, что все исследованные алгоритмы отслеживают начальное положение конструкции. В случае возникновения возмущений управляющие сигналы формируются таким образом, что стремятся вернуть конструкцию в исходное состояние. На рис.7 приведены графики изменения

угла ф для алгоритмов управления с учетом смещения (1) и без (2). Использование управления с учетом смещения конструкции предполагает установку на стенде датчиков измерений перемещений ЛА как абсолютно жесткого тела.

Таким образом, в четвертой главе получена полная система линеаризованных уравнений деформирования свободно подвешенной конструкции ЛА на стенде при нагружении системой параллельных сил. С использованием полученной системы уравнений предложены и исследованы алгоритмы управления нагружением свободно подвешенной конструкции ЛА, позволяющие не только качественно воспроизводить программные нагрузки, но и управлять положением ЛА в зале испытаний.

При проведении испытаний возникает необходимость реализовать пространственное нагружение конструкции. В таких испытаниях равнодействующая сил не направлена ни по одной из локальных осей и, более того, в процессе нагружения может менять свое направление. Также может быть задана программа изменение положения планера ЛА во времени. Для осуществления подобного нагружения необходимо уметь управлять ходом штоков ГЦ в зависимости от положения конструкции в пространстве зала испытаний и связанным с этим изменением направлением действующих нагрузок. В пятой главе дается вывод соответствующих уравнений и указываются пути их использования в алгоритмах управления нагружением. В главе получена полная система матричных уравнений порядка т+б, определяющая усилия на конструкцию и перемещения ЛА для заданного хода штоков гидроцилиндров. Первое уравнение системы предлагается использовать в алгоритмах формирования управляющих сигналов при нагружении свободно подвешенной конструкции ЛА системой произвольно направленных сил.

ВЫВОДЫ

1. Рассмотрена структурная схема систем стенда для испытания на прочность. Для нагружения свободно подвешенной конструкции ЛА получена полная система уравнений состояния систем стенда. Основное внимание уделено упругими свойствами объекта испытаний и их влиянию на воспроизведение программных нагрузок. Для частных случаев дан детальный анализ уравнений состояния.

2. Показано, что управляющие сигналы для каждого канала не являются независимыми. Они должны формироваться с учетом упругих свойств объекта испытаний и рычажной системы. Предложены алгоритмы управления нагружением, учитывающие свойства ЛА и параметры гидравлической системы нагружения.

3. Преложен метод вычисления матрицы управления для крыльев большого удлинения. Такая матрица позволяет учесть упругие свойства объекта испытаний и взаимовлияние каналов нагружения.

4. Показано, что использование уравнений состояния объекта испытаний при формировании управляющих сигналов позволяет управлять не только нагружением, но и положением конструкции в зале испытаний.

5. Предложены алгоритмы управления процессом нагружения с использованием планируемого значения сигнала (управление по планируемой траектории).

6. Предложен адаптивный алгоритм нагружения жестких конструкций.

7. На основе уравнений состояния систем испытательного стенда создан комплекс программ для компьютерной модели, позволяющий моделировать нагружение упругих конструкций.

8. С использованием компьютерной модели проведено численное исследование нагружения упругой конструкции с применением различных алгоритмов.

9. По результатам численного моделирования показано, что управление по планируемой траектории имеет преимущества перед используемыми на практике алгоритмами и обеспечивает необходимую точность нагружения.

10. Результаты, полученные в работе, использовались в ФГУП «Сибирский НИИ авиации им. С.А. Чаплыгина» при подготовке экспериментов по улучшению качества воспроизведения программных нагрузок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Присекин B.JI., Пустовой Н.В., Белоусов А.И., Нигирич Ю.Б. Компьютерная модель систем стенда и самолета для испытаний на прочность // Научный вестник НГТУ. - 1996. - № 2. - С.79-88.

2. Pustovoi N. К, Prisekin V.L., Belousov A.I., Nigirich U.B. Research of loading system of a construction of the plane in test bed // Abstracts the Fist Korea-Russia International Symposium of Sience and Technology - Ulsan - 1997. - P.23.

Ъ.Присекин BJ1., Пустовой Н.В., Белоусов А.И., Нигирич Ю.Б. Исследование системы нагружения конструкции самолета в испытательном стендах // Научные основы высоких технологий / Тр. Междунар. Научно-техн. конф. - Новосибирск. НГТУ. - 1997. - Т.6.-С.203-206.

4.Belousov A. I. Simulation of systems of the stand for a test on strength // Abstract the second Russian-Korean international symposium on science and technology. - Tomsk, Russia. - 1998.-P. 11.

5.Belousov A.I. Computer model of the test bed II Proceedings The 4th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS 2000. - Korea. - 2000-P.201-203.

6.Белоусов A.M., Присекин. B.JI. Алгоритмы управления нагружением в испытательных стендах // Научный вестник НГТУ. - 2000. -№ 1(8). - С.3-11

7.Белоусов А.И., Присекин В.Л. Уравнения состояния систем стенда для испытания на прочность // Прикладные проблемы механики тонкостенных конструкций / Институт механики МГУ. - М.: Изд-во Моск. ун-та - 2000,- С.24-34.

8.Белоусов А.И. Компьютерная модель испытательного стенда // Проблемы механики современных машин / Материалы международной конференции. Том 1. -Улан-Удэ. - Издательство ВСГТУ. - 2000. - С.76-79.

9.Belousov A.I. Prisekin V.L. Program loading of aircraft designs in view of aeroelas-ticity // Proceedings RUSKO-AM-2001 / 1-st Russian Korean International Symposium on Applied Mechanics. - NSTU. - 2001. - P.83-85.

10.Belousov A.I. Numerical research of control algorithms of loading in the test beds // Proceedings The 4th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS 2002, vol.2. - NSTU. - 2002. - P.26-30.

11 .Присекин B.JI., Белоусов А.И. Учет зоны нечувствительности в электрогидравлических усилителях при испытаниях конструкций // Проблемы развития гидропривода в различных отраслях промышленности / Тезисы докладов 1 семинара. - Новосибирск. - 2003. - С.29-31.

Подписано в печать 11,11.2003. Формат 60x84 1/16 п.л. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л. 1. Тираж-fоо экземпляров. Заказ №611

Отпечатано в издательстве НГТУ 630092, Новосибирск, пр.К.Маркса, 20

4

f

t>

i

* 1944 7

Q.OOJ-/Í

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Методика проведения стендовых испытаний

1.2. Постановка задачи исследования

2. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ СТЕНДА ПРИ НАГРУЖЕНИИ ЗАКРЕПЛЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

2.1. Уравнения деформирования крыла

2.2. Гидравлическая система нагружения

2.3. Управления с использованием ПИД-регулятора

2.3.1. Управление в многоканальных системах

2.3.2. Настройка ПИД-регулятора с использованием упругих свойств JIA

2.3.3. Алгоритм получения матрицы управления

2.4. Алгоритм управления по планируемой траектории

2.5. Критерии оценки системы нагружения

2.6. Программа нагружения

2.7. Выводы по главе

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЖЕНИЯ ЗАКРЕПЛЕННОЙ

КОНСТРУКЦИИ

3.1. Исходные данные для проведения численного эксперимента

3.2. Результаты моделирования нагружения крыла

3.2.1. Моделирование аналогового управления

3.2.2. Моделирование цифрового управления с использованием ПИД-закона с диагональной матрицей

3.2.3. Использование ПИД-закона с матрицей управления

3.2.4. Управление по планируемой траектории

3.2.5. Влияние погрешностей исходных данных при управлении по планируемой траектории

3.3. Управление нагружением жестких конструкций

3.4. Выводы по главе

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИСТЕМ СТЕНДА ПРИ НАГРУЖЕНИИ СВОБОДНОЙ КОНСТРУКЦИИ ЛА СИСТЕМОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ СИЛ

4.1. Уравнения деформирования свободно подвешенной конструкции ЛА

4.2. Алгоритмы управления нагружением свободно подвешенной 114 конструкции ЛА

4.3. Исследование нагружения свободно подвешенной 115 конструкции ЛА

4.4. Выводы по главе

5. УРАВНЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ЛА

ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОМ НАГРУЖЕНИИ

Актуальность темы диссертации. Лабораторные испытания конструкции летательного аппарата (ЛА) являются основным методом для подготовки окончательного суждения о прочности самолета. Нормы летной годности придают огромное значение наличию натурных лабораторных испытаний. Не существует ни одного типа отечественного самолета, конструкция которого не подвергалась бы испытаниям на усталость с большим запасом по долговечности по отношению к проектному ресурсу [1].

Результаты натурных испытаний используются при сертификации конструкции. Поэтому при проведении испытаний особое значение приобретает наиболее полное воспроизведение эксплуатационных процессов нагружения конструкции и обеспечение достоверности результатов. В этих условиях точное воспроизведение внешних воздействий на конструкцию является одной из основных задач в области методики испытаний.

Экспериментальные исследования прочности самолетных конструкций в лабораторных условиях выполняются в специальных стендах, оснащенных многоканальными системами нагружения. Применение многоканальных систем и задание нагрузок по каждому каналу позволяет наилучшим образом воспроизводить эксплуатационный характер нагружения. Рост эффективности наземных прочностных испытаний самолетов непосредственно зависит от развития функциональных возможностей испытательных стендов. От системы управления нагружением требуется сочетание алгоритмической универсальности и большой производительности с точки зрения минимизации времени на проведение испытаний.

В многоканальных системах, применявшихся при испытаниях большинства самолетов в мире, каждый канал представлял собой независимый замкнутый (следящий) контур регулирования, включавший в свой состав систему непрерывного (аналогового) управления, гидравлическую систему нагружения, объект испытаний. При формирования управляющего сигнала использовался ПИД-регулятор (пропорционально-интегральнодифференциальный). В настоящее время такая система не всегда отвечает предъявляемым к ней требованиям, так как только косвенно учитывает мно-госвязность каналов нагружения и не обеспечивает требуемые на сегодняшний день синхронность и точность воспроизведения нагрузок.

В связи с интенсивным развитием вычислительной техники произошел переход от аналогового (непрерывного) управления к цифровому (дискретному), обеспечивающему лучшие характеристики при монтаже и настройке систем управления. Формирование управляющего сигнала с помощью ЭВМ теоретически позволяет производить более точное нагружение. Однако при дискретном представлении данных использование независимого ПИД-регулятора для каждого канала приводит к уменьшению точности воспроизведения нагрузок. Для полной реализации возможностей цифрового управления необходимо использовать алгоритмы, учитывающие многосвязность нагружающих воздействий. В диссертационной работе предлагается формировать управляющий сигнал как сумму двух составляющих. Основное значение сигнала, вычисленное с использованием свойств объекта испытаний, характеристик гидравлической системы и программы нагружения (планируемая траектория) корректируется добавкой, определенной по ошибке силы.

Совершенствование методики ресурсных испытаний возможно при моделировании процессов нагружения с использованием математических моделей. В диссертационной работе получена математическая модель систем стенда для прочностных испытаний, в которой основное внимание уделено поведению конструкции летательного аппарата при нагружении. Из анализа деформирования объекта испытаний следуют свойства, которыми должна обладать система управления для точного воспроизведения программной нагрузки. Основные характеристики этих свойств исследуются на примере нагружения жестко закрепленного крыла большого удлинения. В работе также предложены и исследованы алгоритмы управления нагружением свободно подвешенных конструкций.

Применение математических моделей при подготовке экспериментальных исследований позволяет с малыми затратами решать оптимизационные задачи, связанные с выбором оборудования и эффективных алгоритмов управления. Поэтому разработка и численное исследование предложенных алгоритмов воспроизведения эксплуатационных процессов нагружения конструкции с помощью математической модели, выполненные в диссертационной работе, являются актуальными и практически важными.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. В первой главе описывается методика проведения стендовых испытаний и приводится общая постановка задачи диссертационной работы - создание математической модели систем стенда для прочностных испытаний с учетом деформирования объекта испытаний, исследование на базе математической модели алгоритмов управления нагружением и выработка рекомендаций к использованию результатов моделирования для совершенствования методики ресурсных испытаний.

4.4. Выводы по главе 4

Определены алгоритмы, позволяющие не только воспроизводить нагрузки на конструкцию, но и эффективно управлять положением JIA в зале испытаний.

Для этого получена полная система линеаризованных уравнений деформирования свободно подвешенной конструкции JIA на стенде при нагружении системой параллельных сил. Предложены алгоритмы управления на-гружением свободно подвешенной конструкции J1A, позволяющие не только качественно воспроизводить программные нагрузки, но и управлять положением конструкции JIA в зале испытаний.

Проведено численное исследование предложенных алгоритмов управления. По сравнению с используемыми в настоящее время в практике испытаний, предлагаемые алгоритмы управления показали высокую эффективность в компенсации случайных смещений JIA.

5. УРАВНЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ЛА ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОМ НАГРУЖЕНИИ 1

В главе 4 записаны уравнения, связывающие ход штоков исполнительных гидроцилиндров с нагрузками на ЛА и его перемещениями как жесткого целого. Уравнения были получены для параллельнрго действия сил и требования неизменности положения конструкции ЛА в процессе нагружения. Этот случай был рассмотрен отдельно как часто встречающийся в практике испытаний. Однако при проведении испытаний бывает необходимо провести пространственное нагружение конструкции или спроектировать механическую систему нагружения на несколько расчетных случаев и параллельно с испытанием планера в целом проводить нагружение отдельных его частей — механизации, шасси. При таких испытаниях равнодействующая сил не направлена ни по одной из локальных осей и, более того, в процессе нагружения может менять свое направление. Также Ь может быть предусмотрено изменение положения планера ЛА во времени.

Для осуществления подобного нагружения необходимо уметь управлять ходом штоков ГЦ в зависимости от положения конструкции в пространстве зала испытаний и связанным с этим изменением направления действующих нагрузок. В этой главе дается вывод соответствующих уравнений и указываются алгоритмы, по которым необходимо проводить нагружение.

Задача рассматривается в следующей постановке.

Свободно подвешенная конструкция ЛА нагружается через рычажную систему с помощью т силовых гидроцилиндров. Каждый ГЦ создает усилие, характеризующееся величиной и направлением действия. Рычажная система перераспределяет усилие по поверхности ЛА. Равнодействующая каждой Ф> ветви PC может быть разложена по направлениям осей локальной системы координат XYZ, связанной с планером ЛА. Равнодействующие имеют в общем случае отличные от нуля компоненты. В процессе нагружения конструкция деформируется и перемещается, поэтому меняются направления равнодействующих и значения их составляющих. Задачей управления является отслеживание программных нагрузок и заданного положения конструкции во время испытаний. Если известны уравнения, связывающие реализуемые нагрузки и положение конструкции с величиной хода штоков ГЦ, то появляется возможность на основе таких уравнений управлять ходом штоков так, чтобы одновременно отрабатывать и программные усилия, и перемещения. Поэтому в данной главе ставится цель - получить уравнения, связывающие направления действия сил, их величину и положение JIA с ходом штоков ГЦ.

Как отмечалось ранее, каждую ветвь PC будем рассматривать как одностороннюю упругую связь, один (первый) конец которой закреплен на поверхности JIA (точка приложения равнодействующей), а второй - в пространстве зала испытаний и является неподвижным (в общем случае координаты точки крепления могут изменяться в соответствии с программой испытаний, но такой вариант здесь не рассматривается). В начальный момент времени известны координаты всех точек крепления, следовательно, известны направления действия сил и начальная длина связей. При нагружении длины связей меняются, вызывая смещения JIA и его упругие деформации. Для определения упругих деформаций необходимо знать матрицу податливости конструкции и компоненты действующих усилий по направлениям осей локальной системы координат. Смещение J1A и его упругие деформации приводят к изменению положения точек крепления связей и, как следствие, к изменению направления действия сил. Вычислив новые положения точек крепления связей, найдем изменение направления действия сил и изменения длин связей. Изменение длины каждой связи численно равно ходу штока соответствующего ГЦ за исключением упругой деформации самой связи. Эта зависимость, а также уравнения деформирования конструкции и условия равновесия позволяют по значениям хода штоков определить действующие усилия и перемещения. Для задачи управления нагружением система уравнений используется для вычисления управляющих сигналов по измеренным усилиям и перемещениям.

В главе 3 для описания поведения упругой конструкции летательного аппарата в зале испытаний введены глобальная и локальная системы координат. Координаты точки приложения равнодействующей на поверхности летательного аппарата для j-ой ветви рычажной системы (связи) обозначены через xXj1yXj,zXj. В начальный момент цикла нагружения, который будем обозначать верхним индексом «О», координаты точек крепления связей на конструкции J1A в глобальной системе будут: о „о , ri j =го +ф А

5.1) где г° =

Г1У рО \ 91J { е0\ Ьо

0 0 „0 Го = щ

С0 V* и J с0

Матрица Ф° вычисляется по формулам (3.2) для начальных углов поворота q>°, у/°,в°локальной системы координат относительно глобальной.

Примем, что второй конец связи закреплен в точке Гу = (£2у, Vij^ <?2j) •

Нагружение конструкции JIA во времени осуществляется изменением длин связей, то есть расстояния между точками г1у- и r2J. Начальные длины связей, соответствующие свободно подвешенному положению JIA на стенде, будут 1

HSij-Ф2)2 (5.2)

Начальное направление связи (действия силы) задается ее ортом для которого имеем представление в глобальной системе координат е: = et *

5о 'j Я

1 + + о

Jt

5.3)

Компоненты орта вычисляются через известные координаты точек крепления связи как о %2j ~z\j ек = о hj-ftj еЛ = п

4 =

5.4)

Индекс «О» у компонент вектора г2/ опущен, так как предполагается, что эта точка крепления связи остается неподвижной.

Представление начального орта j-ой связи в локальной системе запишется

Х + 4-Y + e» -Z. (5.5)

Введем вектора-столбцы из проекций орта на глобальные и локальные оси 0 > / 0 \ еА f° = » V

0 0 ы W)

5.6)

Тогда связь компонент орта осуществляется матрицей вращения Ф° е;=Ф%°, f;=o07"e;. (5.7)

При изменении длин ветвей PC в связях возникают реакции Pj (/=/,.,т), зависящие от упругих свойств конструкции. Реакции приводят к деформированию конструкции и изменяют ее положение в пространстве как абсолютно жесткого тела. В результате деформирования конструкции меняются локальные координаты точек крепления связей. Новые локальные координаты найдем, введя матрицу податливости конструкции, которая вычисляется в связанной системе координат.

Пусть со стороны у-ой связи на конструкцию действует сила Ру, направление которой совпадает с ортом связи. Разложим силу по направлениям осей локальной системы координат. Компоненты Pjx, Pjy, PJZ силы Ру вычисляются через компоненты орта ветви PC в локальной системе и значение реакции ветви Pj (показания динамометра). Так как при деформировании и смещении конструкции изменяются глобальные координаты точек крепления связей на поверхности JIA, соответственно меняются направления связей (ортов ветвей PC) еу f?->fy. Для компонент силы Ру имеем соотношение j* jy f Р

5.8) где fj вектор-столбец из проекций орта связи на локальные оси в текущий момент времени.

Введем в рассмотрение матрицу F, составленную из компонент ортов всех связей в локальной системе координат f1 О

F =

О f,

О О о ^ о

5.9) я» /

Произведение матрицы F на вектор-столбец реакций связей Р определяет вектор-столбец FP компонент сил, действующих на конструкцию.

За счет упругих свойств конструкции действующие силы вызывают перемещения точек их приложения. Опишем перемещение точки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Рассмотрена структурная схема систем стенда для испытания на прочность. Для нагружения свободно подвешенной конструкции ЛА получена полная система уравнений состояния систем стенда. Основное внимание уделено упругими свойствами объекта испытаний и их влиянию на воспроизведение программных нагрузок. Для частных случаев дан детальный анализ уравнений состояния.

2. Показано, что управляющие сигналы для каждого канала не являются независимыми. Они должны формироваться с учетом упругих свойств объекта испытаний и рычажной системы. Предложены алгоритмы управления нагружением, учитывающие свойства ЛА и параметры гидравлической системы нагружения.

3. Преложен метод вычисления матрицы управления для крыльев большого удлинения. Такая матрица позволяет учесть упругие свойства объекта испытаний и взаимовлияние каналов нагружения.

4. Показано, что использование уравнений состояния объекта испытаний при формировании управляющих сигналов позволяет управлять не только нагружением, но и положением конструкции в зале испытаний.

5. Отмечены недостатки используемого в настоящее время при испытаниях алгоритма. Предложено изменить принцип формирования управляющего сигнала: не отрабатывать ошибку нагружения, а использовать заданную программу и упругие свойства объекта испытаний для прогнозирования закона перемещения штоков. Записаны новые алгоритмы управления процессом нагружения с использованием планируемого значения сигнала (управление по планируемой траектории).

6. Предложен адаптивный алгоритм нагружения жестких конструкций.

7. На основе уравнений состояния систем испытательного стенда создан комплекс программ для компьютерной модели, позволяющий моделировать нагружение упругих конструкций.

8. С использованием компьютерной модели проведено численное исследование нагружения упругой конструкции с применением различных алгоритмов.

9. По результатам численного моделирования показано, что управление по планируемой траектории имеет преимущества перед используемыми на практике алгоритмами и обеспечивает необходимую точность нагружения.

10. Результаты, полученные в работе, использовались в ФГУП «Сибирский НИИ авиации им. С.А. Чаплыгина» при подготовке экспериментов по улучшению качества воспроизведения программных нагрузок.

1. Дубинский B.C., Стучалкин Ю.А. Поддержание летной годности сертифицированных самолетов в современных условиях // Колебания, прочность и ресурс авиационных конструкций / Труды ЦАГИ. 2001. -№2642. - С.20-25.

2. Баранов А.Н. Теплопрочностные испытания летательных аппаратов // Труды ЦАГИ. 1999. - №263 8. - 101 с.

3. Мохов В.Ф. Методики подготовки и проведения статических испытаний натурных авиационных конструкций // Труды ЦАГИ. 1995. -№2615.-87 с.

4. Беклемищев А.И., Волобуев В. С., Морозов Н.И. Тензометрическая аппаратура и системы для экспериментальных исследований // Труды ЦАГИ. -1994.-№2535.-С.32-44.

5. Гурьяшкин Л.П., Кулеш В.П., Орлов А.А., Петунии А.Н., Цхай Н.С., Яковлев В.А. Оптико-физические методы и средства для исследования аэродинамики и прочности летательных аппаратов // Труды ЦАГИ. 1994. -№2535. - С.45-52.

6. Оловенцов Е.П., Страшный В.М. Метод контроля и повышения точности определения нагрузок в летном эксперименте // Труды ЦАГИ. -1989.-№2437.-С.13-24.

7. Краснов А.П., Турчанников Г.И. Нагружение самолета при полете в двумерной атмосферной турбулентности с учетом нестационарности воздействия аэродинамических сил // Труды ЦАГИ. 1993. - №2506. — С.3-18.

8. Цымбалюк В.И. Расчет нагружения планера самолета в полете от действия многомерной турбулентности // Ученые записки ЦАГИ. 1985. — Т.16, №1. -С.19-24.

9. Турчанников Г.И. Нагружение самолета при полете в турбулентной атмосфере на дозвуковых скоростях // Труды НАГИ. — 1974. -№1561.-С.31-34.

10. Турчанников Г.И. Влияние нестационарности на нагружение пилонов и двигателей самолета с крылом большого удлинения // Ученые записки ЦАГИ. 1981. - Т. 12, № 1. - С. 11 -14.

11. Белый Н.Г., Дубинский B.C., Син В.М., Щёрбань К.С. Эксплуатационное нагружение конструкций самолетов и программы их ресурсных испытаний // Труды ЦАГИ. 1991. - №2483. - С.4-10.

12. Райхер B.JJ., Свирский Ю.А. Формирование программ натурных испытаний на выносливость для определения ресурсных характеристик авиаконструкций // Прочность авиационных конструкций / Труды ЦАГИ. — 1998.-№2631.-С.76-80.

13. Марин Н.И. Статическая выносливость элементов авиационных конструкций. М.: Машиностроение, 1968. - 162с.

14. Воробьев А.З., Гаврилова Е.А. Выносливость конструктивных элементов из алюминиевых сплавов при нестационарном нагружении // Труды ЦАГИ. 1965. - №945. - С.14-19.

15. Воробьев А.З., Басов Н.В., Свирский Ю.А., Ушаков И.Е., Кулына В.И. Применение типовых программ для экспериментальной оценки долговечности при нестационарном циклическом нагружении // Проблемы прочности. 1988. - №6. - С.53-58.

16. Басов В.Н., Нестеренко Г.И., Стрижиус В.Е. Типизированная программа нагружения крыла тяжелого транспортного самолета // Колебания, прочность и ресурс авиационных конструкций / Труды ЦАГИ. — 2001.- №2642. -С.26-34.

17. Дровянкин В.В., Страшный В.М. Формирование оптимальных самоуравновешенных программ нагружения для ресурсных испытаний авиаконструкций //Труды ЦАГИ. 1991. - №2483. - С. 11-18.

18. Белый Н.Г., Син В.М., Страшный В.М., Щербат К.С. Ресурсные испытания натурных конструкций пассажирских самолетов. Прочность авиационных конструкций // Прочность авиационных конструкций / Труды ЦАГИ. 1998. - №2631. - С.141-151.

19. Агдамов Р.И. и др. Автоматизированные испытания в авиастроении. М.: Машиностроение, 1989. - 232с.

20. Янишевский А.Э. Машинизация проектирования рычажных систем нагружения на уровне элементарных сил при испытаниях на прочность // Теория автоматизированного проектирования / Сб. науч. тр. Харьков. 1979. -С.85-88.

21. Брысин Н.В., Миодушевский П.В. К вопросу об определении потребного числа каналов управления нагружением для испытания крыла самолета на несколько расчетных случаев // Труды ЦАГИ. 1980. - №2073. — 31с.

22. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. — М.: Машиностроение, 1974 г. 344с.

23. Многоканальные системы управления испытаниями самолетов на прочность // Составители: Миодушевский П.В., Головина Н.Я. / Обзор ЦАГИ. -1981.-№605.-55с.

24. Автоматизация системы управления для проведения теплопрочностных испытаний (по материалам открытой иностранной печати) // Составители: Миодушевский П.В., Колыванова В.М. / Обзор ЦАГИ. 1983.-№627.-56с.

25. Белый Н.Г. Краткий обзор вибропрочностных испытаний натурных агрегатов конструкций самолетов и вертолетов // Колебания, прочность и ресурс авиационных конструкций / Труды ЦАГИ. 2001. -№2642. - С. 10-19.

26. Системы управления, электрогидравлические приводы и их элементы, применяемые при испытаниях образцов материалов и элементов конструкций на прочность // Составители: Баранов А.Н., Миодушевский П.В., Гришакова Л. С. / Обзор ЦАГИ. 1989. - №700. - 84с.

27. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1967. 496с.

28. Баженов А.И., Гамынин Н.С., Карев В.И. и др. Проектирование следящих гидравлических приводов летательных аппаратов // Под редакцией Гамынина Н.С. М.: Машиностроение, 1981. - 312с.

29. Методика испытаний элементов конструкций и образцов материалов с автоматизацией управления экспериментом, сбора и обработки данных // Составители: Миодушевский П.В., Логунов Б.А., Головкина Н.Я. / Обзор ЦАГИ. 1975. - №458. - 148с

30. Бажин И.И. и др. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода // Под редакцией Ермакова Е.С. М.: Машиностроение, 1988. - с.312.

31. Донченко В.Ю., Рубинштейн Б.П., Чубань В.Д. Экспериментально-расчетная оценка математической модели автоматизированной системы нагружения // Труды ЦАГИ. 1993. - №2506. -С.31-37.

32. Дорогое В.Н. К вопросу построения инвариантных систем многосвязного управления // Автоматическое регулирование и управление. Математическое моделирование нестационарных процессов САУ / Межвузовский сборник научных трудов. М. - 1988. - С.90-92.

33. Борцов А.А., Гнатенко А.Г., Самодуров А.А. Миниатюрные электрогидравлические следящие приводы и опыт их применения на динамически подобных моделях летательных аппаратов // Труды ЦАГИ. — 1984.-№2225.-С.3-14.

34. Исии Т., Симояма И., Иноуэр X., Хиросэ М., Накадзима Н. Мехатроника. М.: Мир, 1988. - 314с.

35. Кольман Е.М., Шевченко Е.А., Чумак С.В. Многоканальная система нагружения нового поколения на основе промышленных компьютеров // Труды ЦАГИ. 1998. - №2632. - С.51-55.

36. Присекин B.JI. Влияние упругости конструкции на синхронность нагружения в испытательном стенде // Динамика и прочность авиационных конструкций / Межвуз. сб. науч. тр. Новосиб. электротехн. ин-та. -Новосибирск. 1986. - С.113-118.

37. Присекин В.Л. Основные уравнения системы нагружения конструкции в испытательных стендах // Динамика и прочность авиационных конструкций / Межвуз. сб. науч. тр. Новосиб. электротехн. ин-та. — Новосибирск. 1990.-С.55-61.

38. Присекин В.Л., Пустовой H.B., Белоусов A.M., Нигирич Ю.Б. Исследование системы нагружения конструкции самолета в испытательном стендах // Научные основы высоких технологий / Тр. Междунар. Научно-техн. конф. Новосибирск. НГТУ. - 1997 - Т.6.- С.203-206.

39. Belousov А. I. Simulation of systems of the stand for a test on strength // Abstract the second Russian-Korean international symposium on science and technology. Tomsk, Russia. - 1998. - P.l 1.

40. Belousov A.I. Computer model of the test bed // Proceedings The 4th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS 2000. Korea. - 2000. - P.201-203.

41. Белоусов А.И., Присекин. В.Л. Алгоритмы управления нагружением в испытательных стендах // Научный вестник НГТУ. — 2000. -№ 1(8). С.3-11

42. Белоусов А.И., Присекин В.Л. Уравнения состояния систем стенда для испытания на прочность // Прикладные проблемы механики тонкостенных конструкций / Институт механики МГУ. М.: Изд-во Моск. ун-та - 2000.,- С.24-34.

43. Белоусов А.И. Компьютерная модель испытательного стенда // Проблемы механики современных машин / Материалы международной конференции. Том 1. Улан-Удэ. - Издательство ВСГТУ. - 2000. - С.76-79.

44. Belousov A.I. Prisekin V.L. Program loading of aircraft designs in view of aeroelasticity I I Proceedings RUSKO-AM-2001 / 1-st Russian Korean International Symposium on Applied Mechanics. — NSTU. — 2001. P.83-85.

45. Belousov A.I. Numerical research of control algorithms of loading in the test beds // Proceedings The 4th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS 2002, vol.2. NSTU. - 2002. - P.26-30.

46. Присекин B.JI., Белоусов А.И. Учет зоны нечувствительности в электрогидравлических усилителях при испытаниях конструкций // Проблемы развития гидропривода в различных отраслях промышленности / Тезисы докладов 1 семинара. Новосибирск. - 2003. - С.29-31.