ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ІМ. А.М. ПІДГОРНОГО

Повгородній Володимир Олегович

УДК 629.7.02

Прогнозування показників

НАДІЙНОСТІ МЕХАНІЧНИХ КОНСТРУКЦІЙ
бортової апаратури

05.02.09 – динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Доценко Павло Данилович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний

інститут”, професор кафедри теоретичної механіки та машинознавства

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України Божко Олександр Євгенович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, зав. відділом надійності та динамічної міцності;

кандидат технічних наук, доцент Пушня Валентин Олександрович, Харківський Державний університет будівництва та архітектури, доцент кафедри будівельної механіки.

Провідна установа:

Національний політехнічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра динаміки та міцності машин, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться 30.09.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.01 при Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10 ІПМаш НАН України.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10

Автореферат розісланий 27.08.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Б. П. Зайцев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток сучасної техніки, особливо ракетної та космічної, висунув у число актуальних проблем задачі динаміки та надійності складних конструкцій, які враховують різноманітність навантажень і конструктивних форм. Однією з важливих задач сучасної авіаційної техніки є дослідження динамічних характеристик деформованих елементів конструкцій (ЕК) приладів та конструкцій бортової радіоелектронної апаратури (РЕА). Метою таких досліджень є створення високонадійної несучої конструкції РЕА і забезпечення її захисту від високоінтенсивних механічних впливів.

Важливе місце на сучасних літальних апаратах (ЛА) займає система керування (СК). Апаратура СК зазнає інтенсивних динамічних навантажень, які породжують вібрації та призводять, в кінцевому рахунку, до появи раптових і поступових відмов і збоїв РЕА. Біля 30% відмов бортових РЕА при експлуатації ракетних комплексів виникає внаслідок впливу на конструкцію динамічних навантажень. Якість конструкцій приладів оцінюють, в основному, за допомогою випробувань на безвідмовність, довговічність тощо. Однак при цьому, по-перше, не завжди вдається відтворити реальні умови експлуатації, по-друге, в випадку несприятливого закінчення випробувань важко встановити причини відмови і визначити шляхи поліпшення параметрів конструкцій.

Тому питання оцінки міцності та надійності створеної апаратури РЕА на ранніх стадіях проектування має велике значення. Однією з основних оцінок параметрів, які характеризують нову конструкцію, є надійність об’єктів, в яких виникають вібраційні відмови через великі віброприскорення в місцях установлення електрорадіоелементів, відмови через порушення статичної міцності. Одночасно, в умовах зростання складності конструкцій, якісно нові результати можуть бути одержані тільки на основі конструктивних рішень, що базуються на чисельних методах розрахунку динамічних характеристик та оптимізації несучої конструкції РЕА на необхідному рівні надійності при проектуванні нових виробів авіаційного приладобудування.

Таким чином, визначення показників безвідмовності (імовірність безвідмовної роботи та наробіток на відмову), яке ґрунтується на чисельному моделюванні та аналізі динамічного стану просторових пластинчасто-стрижневих конструкцій ЛА на етапі проектування, є на сьогодні актуальною та далеко не вирішеною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до тематики досліджень кафедри теоретичної механіки та машинознавства Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” в період з 1994 по 2003 рр. Динамічні розрахунки параметрів елементів конструкцій виконувались автором у рамках держбюджетних науково-дослідних тем № Г202-72/97 ”Розробка нового методу математичного моделювання та програмного забезпечення розрахунків складних деформованих структур” та
Г202-11/00 “Розробка теоретичних методів аналізу динамічних процесів у вузлах та елементах конструкцій літальних апаратів та їх двигунів”.

Згідно з угодою №477/Т_від 24.09.1996 р. між АНТК “АНТОНОВ” та ВАТ “АВІАКОНТРОЛЬ” було виконано оцінку показників безвідмовності блоку повітряних параметрів та плат з електрорадіоелементами висотоміра барометричного кодового (ВБК) літака АН-140.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка науково-обгрунтованих розрахунково-експериментальних методів та їх застосування до визначення показників надійності механічних конструкцій бортової апаратури для зменшення кількості відмов при експлуатації.

Для досягнення мети необхідно вирішити такі задачі:

- адаптувати метод розрахунку показників безвідмовності до несучої конструкції блоку повітряних параметрів (БПП) з використанням теорії викидів, виходячи з результатів розрахунку імовірнісних характеристик напружено-деформованого стану (НДС);

- розробити комплекс програм розрахунку детермінованих та імовірнісних параметрів напружено-деформованого стану БПП з подальшим використанням цього комплексу для розрахунку показників безвідмовності;

- провести експериментальну оцінку показників надійності (безвід-
мовності) БПП на стендах комплексної дії, включаючи вібростенд ST /300, камеру тепла та вологи КТВ-0,4, термобарокамеру ТВV-1000-V зі зміною температур від –60 до 85 С та тиску до 5 мм рт. ст. за допомогою випробувань на безвідмовність;

- виконати розрахунки показників надійності реальної нової приладової конструкції, призначеної для встановлення на літак АН-140.

Об’єкт дослідження – динаміка та надійність конструкцій бортової апаратури – блоку повітряних параметрів літаків.

Предмет дослідження – детерміновані та імовірнісні характеристики параметрів НДС та показники безвідмовності приладового блоку повітряних параметрів на основі теоретичних та експериментальних методів досліджень.

Методи дослідження. Методи теорії викидів використовуються для розв’язання задачі прогнозування показників надійності. Для розв’язання задач власних та вимушених коливань конструкції використовується метод скінченних елементів (МСЕ). Послідовний метод експериментальної оцінки показників безвідмовності, визначений ГОСТ 27.002-89 і МУ150-88, використовувався як основний апарат практичного дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримані наступні нові наукові результати:– 

дістали подальшого розвитку теоретичні дослідження та розрахунки показників безвідмовності – імовірність безвідмовної роботи та наробіток на відмову пластинчасто-стрижньової конструкції бортової апаратури в залежності від логарифмічного декременту коливань;– 

дістали подальшого розвитку методи практичного застосування теорії викидів для прогнозування показників безвідмовності з урахуванням характеристик пружнодемпфірувальних опор (амортизаторів) та демпфуючих шарів;– 

дістало подальшого розвитку розв’язання задачі статистичної динаміки для складної конструкції, що являє пакет плат з електронними радіотехнічними елементами (ЕРЕ), при випадковому кінематичному навантаженні;– 

вперше проведені дослідження та експериментально визначені показники надійності (безвідмовності) нової приладової конструкції ЛА за допомогою спеціальної вимірювальної апаратури.

Практичне значення одержаних результатів

1. Метод з використанням теорії викидів дозволяє розглянути значну різноманітність проектних рішень приладів та апаратури, стійких до вібраційної дії та оцінити їх потенційні можливості на ранніх стадіях проектування. Це дає можливість підвищити якість та провести сертифікацію нових виробів, підвищити якість проектних рішень, скоротити термін розробки та випуску приладів та апаратури, скоротити кількість конструкторів і розробників, зайнятих проектуванням, особливо на етапах технічного та робочого проектів.

2. Розроблені автором алгоритми та комплекс програм використовувались для розрахунків показників безвідмовності просторових конструкцій під дією широкого класу зовнішніх навантажень з використанням різних критеріїв міцності. Вони впроваджені в виробництво на ВАТ “АВІАКОНТРОЛЬ” на етапі розробки замовлень, призначених для серійного випуску нових виробів авіаційної техніки (акт впровадження від 24.07.2000 р.) для літака
АН-140.

3. Результати роботи використовувались при розрахунку нових приладових комплексів, які входять до складу єдиного інформаційного комплексу висотно-швидкісних параметрів польоту. Цей комплекс призначений для встановлення і експлуатації на літаку АН-140.

4. Комплекс програм для розрахунку показників безвідмовності може використовуватись як безпосередньо, так і в системах автоматизованого проектування для розрахунків показників безвідмовності пластинчасто-стрижневих конструкцій широкого призначення (наприклад, приладових стійок).

5. За результатами дисертаційної роботи розроблено “Методику визначення показників параметричної надійності ...”, яка впроваджена на підприємстві ВАТ “АВІАКОНТРОЛЬ”.

Особистий внесок здобувача. Усі розробки, розрахунки й дослідження в дисертації виконані особисто здобувачем. Автором був вдосконалений та набув подальшого розвитку аналіз динамічного напружено-деформованого стану конструкцій, як найбільш небезпечного з точки зору надійності. У автора є спільні праці з О.В.Дзюбенком [4, 5], в яких здобувачем визначаються показники безвідмовності, виходячи з результатів розв’язання задачі динаміки БПП; з П.Д. Доценком [6, 7], де здобувачем визначаються показники безвідмовності з застосуванням теорії викидів для нової конструкції бортової апаратури та її механічних елементів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на Міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизація проектування та виробництва виробів у машинобудуванні” (м. Луганськ, 1996 р.) [8]; на засіданнях науково-технічної ради Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” щорічно у 1995-2003 рр.; на Міжнародній науково-практичній конференції “Ресурс-2000” (м. Київ, Інститут проблем міцності НАН України, 2000 р. [9]); на конференції молодих вчених Харківщини (м. Харків, ХДУ, 2002 р. [7]); на науково-проблемній раді ІПМаш ім. А.М. Підгорного НАН України.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 9 наукових роботах [1–9], серед яких 6 статей у збірниках наукових праць, 3 – матеріали та тези доповідей на конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів та чотирьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 183 сторінки, включає 26 ілюстрацій, які займають 18 стор., 3 таблиці, які займають 2 стор., додатки на 22 стор. Перелік використаних джерел містить 101 найменування та займає 9 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовується актуальність та важливість вибраного напряму досліджень, практична і наукова цінність одержаних результатів розрахунків показників надійності, а саме безвідмовності, формулюється мета та задачі роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану і розвитку методів розрахунку показників надійності конструкцій, ЕК літальних апаратів і складних тривимірних конструкцій ЛА та оцінюється вплив вібрацій на їх несучі конструкції, визначається модель механічної коливальної системи як просторової структури взаємозв’язаних пластин, наведено огляд досліджень, які присвячені надійності пластинчастих конструкцій. Схема конструкції приладу СК зображена на рис. . Показники надійності визначаються за допомогою методу, який використовує теорію викидів з урахуванням можливих функцій навантаження. Серед вчених, роботи яких присвячені розвитку методів розв’язання задач прогнозування надійності машин та конструкцій різного призначення, можна виділити В.Я.Аніловича, А.М. Арасланова, В.В. Болотіна, О.Є. Божка, І.А. Біргера, А.С. Гусева, В.О. Жовдака,
С.Р. Ігнатовича, В.П. Когаєва, Є.І. Літвака, Є.С. Переверзева, О.С. Пронікова, В.О. Светлицького, С.В. Серенсена, С.А. Тимашева, В.Т.Трощенка,
Crandall S.H., Lin Y.K., Shinozuka M., Yang J.N. тощо.

Переваги методу з використанням теорії викидів дозволяють підійти до аналізу надійності конструкцій приладів СК. Ці конструкції приладів СК можна описати матричним рівнянням МСЕ з урахуванням інерціальних сил, як на це вказано в роботі Ю.Л. Тарасова, Е.І. Міноранського, В.М. Дуплянкіна.

З огляду робіт Д.І.Федорова, П.В.Перегонова відомо, що використання

Рис. 1. Конструкція блоку повітряних параметрів

статистичних методів контролю якості та надійності тонкостінних конструкцій ЛА неможливо без вживання визначених допусків на галузь виготовлення, що слід брати до уваги.

Важливим і останнім етапом розрахунків будь-якої конструкції за міцністю, жорсткістю та стійкістю є визначення надійності, а саме, імовірності безвідмовної роботи (ІБР) та порівняння її з нормативною. Якщо надійність конструкції дорівнює нормативній або перевищує її, то обчислення припиняють. Якщо ж ІБР конструкції менша за нормативну, необхідно змінювати розміри та робити перерахунок доти, доки ІБР конструкції не стане припустимою. В роботах В.В.Болотіна, А.Д.Єпіфанова, В.П.Шубіна розв’язується “пряма” задача визначення показників безвідмовності – імовірність безвідмовної роботи та наробіток на відмову. Ці показники визначаються, виходячи з геометричних характеристик конструкцій, фізичних характеристик їхнього матеріалу та характеристик навантаження.

Отже, виходячи з аналізу літературних джерел, сформульовано такі задачі: побудова математичних моделей для оцінки показників безвідмовності ЕК приладів ЛА та конструкцій РЕА з урахуванням їх особливостей, побудова алгоритмів та комплексу програм розв’язання задачі оцінки показників безвідмовності, виконання чисельних та експериментальних перевірок показників безвідмовності.

У другому розділі проведено побудову математичних моделей та викладено метод визначення показників НДС і безвідмовності (ІБР та наробіток на відмову) пластинчасто-стрижневих конструкцій. Розглядаються багатошарові пластини, підкріплені ребрами жорсткості, які можуть мати отвори та нести сконцентровані маси. На ЕК – пластини (плати з ЕРЕ) діє зовнішнє стаціонарне випадкове навантаження, яке виникає внаслідок руху опор. Для такого ЕК вирішуються задачі власних та вимушених коливань, визначаються власні частоти та форми, знаходяться амплітудно-частотні характеристики (рис. 2), а також віброрельєф – розвинута картина ліній рівня амплітудних значень віброприскорень на площині конкретної плати. Потім за допомогою цих даних розраховуються показники безвідмовності.

Рис.2. Амплітудно-частотна характеристика плати разових
команд в середній точці

У першому підрозділі розглянуті питання прогнозування надійності об’єктів при випадковому навантаженні та раптових відмовах, а саме, основи теорії викидів, вібраційні відмови. Враховано, що відмови в самому ЕК (пластині, платі з ЕРЕ) можуть виникати в результаті неприпустимо великих значень таких величин:

1)

2)

Ці ЕРЕ мають обмеження за віброприскореннями, що впливає на надійність самої конструкції. Крім того, раптові відмови можуть бути в результаті порушення статичної міцності. Також у цьому підрозділі розв’язана задача статистичної динаміки.

Матричне рівняння руху з використанням МСЕ має вигляд

де глобальні матриці мас, демпфування, жорсткості, вектор узагальнених вузлових вібропереміщень, зовнішнє навантаження.

Якщо задано прискорення рухомих опор, то

де – вектор, що знаходиться зі співвідношення заданий вектор прискорення опор. Одержано вираз правої частини Q(t) для випадку руху кожної опори по гармонійному закону та випадковій функції часу. В скінченноелементній моделі використовуються скінченні елементи (СЕ) ЕТ9 (трикутний згінний СЕ з 9-ма степенями вільності), ЕQ16 (прямокутний згінний СЕ з 16-ма степенями вільності). Імовірність безвідмовної роботи, враховуючи віброприскорення, визначається за формулою

(1)

де Р(t) – імовірність безвідмовної роботи; Г – припустиме віброприскорення в місці установки ЕРЕ; – дисперсія віброприскорення в місці установки ЕРЕ; е – ефективна частота процесу; t– час безперервної роботи.

Демпфування здійснюється за допомогою амортизаторів та демпфуючих шарів (покриттів). Для врахування розсіяння енергії демпфуючими шарами (покриттями) застосовано модель, що базується на теорії розсіяння енергії в багатошарових анізотропних тілах та волокнистих композитних матеріалах, запропонованій П.А. Зінов’євим. В основу теорії покладено наближений енергетичний метод врахування внутрішнього тертя при коливаннях механічних систем.

Імовірність безвідмовної роботи внаслідок порушення статичної міцності (раптові відмови) визначається за формулою, аналогічною (1).

У другому підрозділі розглянуті питання прогнозування надійності об’єктів при випадковому навантаженні та поступових відмовах.

Імовірність безвідмовної роботи при поступових відмовах визначається за формулою

,

де z – міра пошкоджень; – інтеграл імовірності; mz – математичне сподівання міри пошкоджень; Dz – дисперсія міри пошкоджень.

У третьому підрозділі наведено результати проведених чисельних досліджень динаміки та надійності окремої плати з ЕРЕ, що входить до складу БПП, з використанням МСЕ та теорії викидів. Кожна плата виготовлена з фольгованого стеклотекстоліту СТЕФ з демпфуючим покриттям, а в сітці СЕ передбачено розташування вузлів у місцях приєднання ЕРЕ. Зміщення структурних елементів вважаються малими. Плата з ЕРЕ закріплена в чотирьох кутах за допомогою точкових опор. На плату діє зовнішнє динамічне навантаження типу “білого шуму”. Для плати з ЕРЕ розв’язуються задачі власних та вимушених коливань, визначаються власні частоти та форми, знаходиться амплітудно-частотна характеристика.

Функція надійності для цієї плати в найбільш небезпечній точці, за допомогою якої можна спрогнозувати ІБР має вигляд

P(t) =1 – t,

де  ,3910-7.

Також визначена ІБР та наробіток на відмову при втомі для плати (Р = ,9999, T = ,1 роки).

В третьому розділі наведено результати проведених чисельних досліджень динаміки та надійності реальної пластинчасто-стрижневої конструкції (ПСК), що несе бортову РЕА з використанням МСЕ та теорії викидів. Блок повітряних параметрів складається з корпусу, кришки та днища, виготовлених з матеріалу Д16Т. В середині корпусу знаходиться блок плоских конструкцій, що складається з пластин (плат з ЕРЕ), розташованих паралельно координатним площинам, та стрижнів, розташованих паралельно координатним осям декартової системи координат.Вся конструкція БПП закріплена в чотирьох кутах за допомогою пружнодемпфірувальних опор. На елементи конструкції діє зовнішнє динамічне навантаження, що одержане внаслідок руху опор. Функція навантаження є випадковою типу “білого шуму”. Для всієї конструкції розв’язуються задачі власних та вимушених коливань, визначаються власні частоти та форми, знаходяться амплітудно-частотні характеристики. Одержано віброрельєф плоских конструкцій (плат з ЕРЕ) на першій резонансній частоті (рис. 3). На рис. 3 маркером позначений екстремум, поруч наведено значення вібропереміщення.

Визначені показники надійності (ІБР, наробіток на відмову) з урахуванням раптових вібраційних відмов, відмов статичної міцності та поступових відмов як для корпусу конструкції БПП, так і для небезпечних її елементів – плат, що входять у БПП і мають найбільш низьку надійність у самому БПП. На рис. 4 наведено залежність дисперсії віброприскорень в найбільш небезпечній точці БПП (середня точка плати разових команд ) від логарифмічного декременту коливань. На рис. 5 наведена залежність ІБР від наробітку на відмову для БПП.

Отримані результати можуть бути застосовані для оцінки показників безвідмовності в визначених окремих точках елементів конструкцій бортової апаратури ЛА. Також визначена ІБР та наробіток на відмову при втомі (Р = ,99828, T = ,3 роки). Вся ця інформація може бути передана до системи автоматичного проектування для подальшої роботи.

Наведено загальний опис комплексу програм розрахунків показників надійності пластинчасто-стрижневих конструкцій, розробленого за побудованим алгоритмом. Комплекс програм, побудований за модульним принципом, має відкриту архітектуру. Програмні модулі написані алгоритмічною мовою Fortran 90 в системі Microsoft Fortran Power Station 4,0. Програмні модулі поділяються на функціональні групи: головний модуль, модулі структури, топології, скінченних елементів, вирішення рівнянь, функцій, інструментарію й графіки. Для розв’язання задач визначення показників надійності генерується робоча програма. Для кожної конструкції складається файл вхідних даних, а інформація виводиться у вигляді таблиць та графіків.

Розроблено програми та модулі розрахунку на ЕОМ “PENTIUM-1”, які можуть з успіхом застосовуватися для розрахунку показників надійності різноманітних систем у різних галузях.

Рис.3. Лінії рівня віброрельєфу на 1-му резонансі (середня точка)

Рис. 4. Залежність дисперсії віброприскорень від логарифмічного

декременту коливань

Рис. 5. Залежність імовірності безвідмовної роботи від

наробітку на відмову

У четвертому розділі наведено опис та результати проведених контрольних та визначальних випробувань на надійність (безвідмовність) БПП –реальної ПСК, що несе бортову апаратуру літака АН-140.

Планування випробувань та обробка їх результатів проводяться з застосуванням методів математичної статистики. Оцінка значень показників надійності при випробуваннях проводиться з необхідною точністю. В роботі використовуються прискорені випробування. Прискорення (форсування) випробувань, згідно з методикою, не приводить до зниження точності та достовірності оцінок показників безвідмовності (ІБР та наробіток на відмову). Також проведено аналіз та обробку експериментальних оцінок показників безвідмовності (ІБР та наробіток на відмову).

Отже, в першому підрозділі розглядаються питання, пов’язані з забезпеченням надійності виробів, та критерії відмов.

У другому підрозділі розглядаються контрольні та визначальні випробування авіаційного бортового обладнання на безвідмовність, а в третьому – подано приклад побудови циклу прискорених випробувань на безвідмовність для БПП.

Випробування на безвідмовність проводяться послідовним методом (рис. ) з використанням циклу з широкосмуговою випадковою вібрацією та складаються з ряду чинних факторів: вібрація, вологість, циклічне змінення температур. В експерименті застосовується наступна апаратура: вібростенд ST 5000/300, камера тепла та вологи КТВ-0,4, термобарокамера ТВV-1000-V. В результаті проведених за планом прискорених випробувань одержана оцінка наробітку на відмову.

В четвертому підрозділі наведено розрахунок параметрів плану контрольних випробувань на безвідмовність для блоку повітряних параметрів.

Рис.6. Послідовний спосіб реалізації зовнішніх чинних факторів

У п’ятому підрозділі виконано розрахунок обсягу визначальних випробувань на безвідмовність для БПП.

Згідно з планом проведення прискорених випробувань на безвідмовність, встановлено, що відмов під час випробувань за циклограмою (рис. 7) не було. Одержані показники надійності при дії зовнішніх чинних факторів зведені в табл. 1.

Рис.7. Циклограма послідовних випробувань

– вібрація; – атмосферний тиск; – температура; волога

В шостому підрозділі для блоку повітряних параметрів наведена порівняльна оцінка заданих та експериментальних показників надійності (табл.2). Також наведена порівняльна оцінка розрахункових та експериментальних показників надійності при вібрації (табл.3). Експериментальна залежність ІБР від часу безперервної роботи для БПП наведена на рис.8.

Експериментально одержане значення ІБР:

Р ,9995 – tп tп2,

де tп – час польоту;  ,510-4;  ,1810-5.

При плануванні загальна формула для визначення імовірності безвідмовної роботи за результатами випробувань згідно з роботою Й.З. Аронова буде такою:

,

де Кпр– коефіцієнт прискорення випробувань на безвідмовність; Nц– кількість циклів випробувань послідовним методом; r – кількість відмов.

Автором введено коефіцієнти А, В, С, що враховують вплив вібрації, температури та тиску, вологи на імовірність безвідмовної роботи

,

де А=0,134; В=0,041; С=0,084.

Значення наробітку на відмову, згідно з експлуатаційними (статистичними) даними ВАТ “АВІАКОНТРОЛЬ”, складає 1106 г.

Таблиця 1

Показники надійності при дії зовнішніх чинних факторів

Зовнішні чинні фактори | Час випробувань, г | Показники безвідмовності

Імовірність безвідмовної роботи | Наробіток на відмову Т, г

Вібрація, температура | 7,57 ,5 | 0,99514 | 1132

Температура, вологість | 24,57=171,5 | 0,98889 | 12112

Температура, тиск | 12784 | 0,97731 | 2902,5

Таблиця 2

Порівняння заданих та експериментальних значень Т для блоку повітряних параметрів

Нормативні документи | Наробіток на відмову, г | Розбіжність експерименту на безвідмовність порівняно з нормативними даними , %

Технічне завдання | 500 –

Експериментальні результати випробувань на безвідмовність (нижня межа) згідно з МУ150-86 | 475 | 5,0

Таблиця 3

Порівняння розрахункових, експериментальних та статистичних значень Т для блоку повітряних параметрів

Методи | Наробіток на відмову, г | Розбіжність порівняно з експлуатаційними (статистичними) даними, %

Теорія викидів (розрахунок тільки на вібрацію) | 1125 | 1,7

Експеримент (час випробувань на вібрацію – наробіток на відмову) | 1132 | 2,4

Експлуатаційні (статистичні) дані | 1106–

Рис. 8. Експериментальна залежність імовірності безвідмовної роботи

від часу безперервної роботи

У додатках наведено акт впровадження у виробництво на підприємстві авіаційного приладобудування ВАТ “АВІАКОНТРОЛЬ”. Наведено розв’язання задачі динаміки при гармонійному та випадковому навантаженнях з урахуванням демпфуючих шарів, типи скінченних елементів, головний модуль програми розрахунку показників надійності, а саме, безвідмовності – ІБР та наробітку на відмову елементів конструкцій (плати з ЕРЕ) та власне приладових конструкцій ЛА (наприклад, БПП). Розглянуто вибір, обґрунтування та призначення показників надійності, які найчастіше зустрічаються в техніці, та таблиці коефіцієнтів, необхідних для експериментального визначення показників надійності.

ВИСНОВКИ

В роботі розв’язано важливу науково-технічну задачу прогнозування показників надійності бортової апаратури з метою своєчасного виявлення кількості відмов на етапі експлуатації.

1. Основні результати роботи викладені в межах єдиного методологічного підходу, який включає: побудову стохастичних моделей конструкцій та їх відмов; розв’язання задач статистичної динаміки з урахуванням випадкового навантаження; визначення інформаційних показників надійності (ІБР, наробіток на відмову) при поступових та раптових відмовах.

2. В скінченноелементній постановці розв’язані лінійні задачі статистичної динаміки при сумісному урахуванні демпфуючих шарів та демпфування за допомогою амортизаторів.

3. Розв’язана задача прогнозування показників безвідмовності для нової приладової конструкції ЛА з використанням теорії викидів.

4. Розв’язана задача прогнозування показників надійності (безвідмовності) з використанням теорії викидів випадкових функцій при стаціонарному випадковому зовнішньому навантаженні типу “білого шуму”. Задача статистичної динаміки розв’язана за допомогою МСЕ.

5. Застосовані методи базуються на комплексному підході та дозволяють керувати надійністю, здійснювати вибір раціональної конструкції з точки зору надійності (безвідмовності), виходячи з результатів розрахунку напружено-деформованого стану конструкцій.

6. Одержані чисельні оцінки показників безвідмовності (імовірність безвідмовної роботи та наробіток на відмову) в залежності від різних значень логарифмічного декременту коливань.

7. На основі розроблених методів визначення показників надійності створені алгоритми та програмне забезпечення для ПЕОМ, з використанням яких розв’язана прикладна задача надійності. Програмні розробки можна використовувати як самостійно, так і у вигляді складових частин САПР конкретних ЕК.

8. Максимальна розбіжність за наробітком на відмову для БПП між експлуатаційними (статистичними) даними та експериментальними, що одержані за допомогою випробувань на надійність (безвідмовність) послідовним методом з урахуванням чинних факторів (широкосмугова випадкова вібрація, вологість, температура та тиск), складає приблизно 2,4 %.

9. Максимальна розбіжність між експлуатаційними (статистичними) даними та теоретичними , що одержані за допомогою теорії викидів за віброприскореннями за наробітком на відмову, складає приблизно 1,7%.

10. Виконане порівняння розрахункових показників надійності БПП, що одержані з використанням теорії викидів, з показниками надійності, що одержані експериментально за допомогою послідовного методу при випробуваннях на вібрацію. Максимальна розбіжність за наробітком на відмову складає приблизно 1що свідчить про задовільну відповідність результатів.

11. Виконані розрахунки показників надійності конструкцій приладів та їх елементів для літака АН–140 з використанням теорії викидів впроваджені в виробництво на ВАТ “АВІАКОНТРОЛЬ”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ
ДИСЕРТАЦІЇ

1. Повгородний В.О. Определение параметрической надежности некоторых элементов конструкций летательных аппаратов //Авиационно-космическая техника и технология. – Харьков: Гос. аэрокосмический университет “ХАИ”. – 1998. – С.472-484.

2. Повгородний В.О. Методика исследования параметрической надежности элементов конструкций и приборов СУЛА //Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Харьков: Гос. аэрокосмический университет “ХАИ”. – 1998. – Вып.2. – С.184-192.

3. Повгородний В.О. Определение вероятностных характеристик параметров нагружения конструкций летательных аппаратов //Вопр. проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. – Харьков: Гос. аэрокосмический университет “ХАИ”. – 1998. – Вып.12. – С.48-52.

4. Дзюбенко О.В., Повгородний В.О. Анализ динамических характеристик и надежности конструкций приборных блоков самолета //Авиационно-космическая техника и технология. – Харьков: Гос. аэрокосмический университет “ХАИ”. – 1998. – Вып.6. – С.7-11.

5. Дзюбенко О.В., Повгородний В.О. Расчет вынужденных колебаний и надежности приборного блока самолета //Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Харьков: Гос. аэрокосмический университет “ХАИ”. – 1999. – Вып.4. – С.191-196.

6. Доценко П.Д., Повгородний В.О. Прогнозирование надежности приборных конструкций летательных аппаратов //Вестник Национального технического университета “ХПИ”. Динамика и прочность машин. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2002. – Вып. 10. – С.73-77.

7. Доценко П.Д., Повгородний В.О. Надежность элементов конструкций машин, приборов и аппаратуры //Вестник Харьковского национального университета №551. Серия: актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых г. Харькова. Часть 1. Харьков, 2002. –С.94-99.

8. Повгородний В.О. Определение вероятностных характеристик параметров нагружения конструкции летательного аппарата (ЛА) //Труды Международной научно-практической конференции “Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении”. –Часть 2. –Луганск: Министерство образования Украины. –1996. –С.222.

9. Повгородний В.О. Экспериментальные исследования показателей безотказности изделий авиационной техники //Труды конференции “Оценка и обоснование продление ресурса элементов конструкций”, 6–9 июня, Киев, 2000, Т.2. – Национальная академия наук Украины. Институт проблем прочности. – С.843-850.

АНОТАЦІЯ

Повгородній В.О. Прогнозування показників надійності механічних конструкцій бортової апаратури. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2003 р.

Дисертацію присвячено питанням визначення і дослідження показників надійності (безвідмовності) механічних конструкцій бортової апаратури літальних апаратів. У роботі розглянуто відомий метод в динаміці та надійності, що ґрунтується на оцінці та прогнозуванні показників надійності (а саме, показників безвідмовності) елементів конструкцій, враховуючи прості двовимірні конструкції (наприклад, плати з електрорадіоелементами), а також складні тривимірні конструкції (наприклад, пакети плат з електрорадіоелементами), що являють собою пластинчасто-стрижневу конструкцію. Визначення показників безвідмовності (імовірність безвідмовної роботи та наробіток на відмову) здійснюється, виходячи з розрахунку напружено-деформованого стану конструкції та її елементів, що є новою задачею дослідження вищеназваних конструкцій. При розрахунку показників безвідмовності застосовано метод з використанням теорії викидів, котрий дозволяє визначити, при яких резонансних частотах конструкція та її елементи будуть найменш надійними. Результати, одержані за цим методом, порівнюються з експериментальними результатами, одержаними за допомогою випробувань на надійність (безвідмовність), та експлуатаційними (статистичними). Основні результати роботи знайшли промислове застосування в проектуванні нового приладового устаткування для літальних апаратів України.

Ключові слова: надійність, безвідмовність, імовірність, міцність, конструкція, проектування, бортова апаратура.

АННОТАЦИЯ

Повгородний В.О. Прогнозирование показателей надежности механических конструкций бортовой аппаратуры. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 – динамика и прочность машин. – Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2003 г.

Диссертация посвящена вопросам определения и исследования показателей надежности (безотказности) механических конструкций бортовой аппаратуры летательных аппаратов. В работе развивается новое направление в динамике и надежности, основанное на оценке надежности (а именно, показателей безотказности ) элементов конструкций, включая простые двумерные конструкции (например, платы с электрорадиоэлементами), а также сложные трехмерные конструкции (например, пакеты плат с электрорадиоэлементами), представляющие собой пластинчато-стержневую конструкцию. Прогнозирование показателей безотказности (вероятность безотказной работы и наработка на отказ) производится на основании расчета напряженно-деформируемого состояния конструкций и их элементов и является новой задачей исследований вышеназванных конструкций. При расчете показателей безотказности используется метод с применением теории выбросов, который позволяет определить, при каких резонансных частотах или в каком диапазоне частот вынужденных колебаний конструкция и ее элементы будут наименее надежными.

Все полученные результаты удовлетворяют требованиям нормативно-технических документов (технического задания и технических условий) и подтверждены экспериментально путем проведения циклических испытаний на безотказность сокращенным последовательным методом, включая такие возмущающие факторы, как широкополосная случайная вибрация, влагоустойчивость, циклическое воздействие температуры и перепады давления, а также хорошо согласуются с эксплуатационными (статистическими) данными по аналогичным конструкциям.

Информация по надежности (безотказности) используется при принятии конструкторского решения, в частности: применить амортизаторы и демпфирующие покрытия с нужными характеристиками, изменить геометрические размеры и т.д. Все разработанное программное и методическое обеспечение может быть использовано системе автоматизированного проектирования. Проведенные расчеты показали адекватность примененных математических моделей, а также эффективность использования комплекса программ для определения оценок динамического напряженно-деформированного состояния конструкций на стадии проектирования с точки зрения надежности и как инструмента численных исследований конструкций. Основные результаты работы нашли промышленное применение при проектировании нового приборного оборудования для летательных аппаратов Украины.

Ключевые слова: надежность, безотказность, вероятность, прочность, конструкция, проектирование, бортовая аппаратура.

SUMMARY

Povgorodny V.O. Prognosis of reliability’s parameters of mechanical constructions of the airborne equipment. – Manuscript.

Dissertation for degree of candidate of Science (Technology), specialty 05.02.09 “Dynamics and resistance of machine”. – The A.N.Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of the NAS of Ukraine, Kharkov, 2003.

The dissertation is devoted to problems of definition and study of reliability and probable operability of mechanical constructions of airborne hardware. The work develops a new approach in dynamics and reliability based on evaluation and prognosis of reliability (namely, reliability coefficients) and operability of structural elements, simple two dimensional structures (for example, boards with radio components) as well as complex three-dimensional lamellar-bar structures (for example, pack of boards with radio components). It is the calculation of the mode of dynamic deformation of structures and structural elements that the evaluation of reliability coefficients (probability of no-failure and error-free running time) and theory of exhaust’s is based upon. This is a radical departure from conventional practice of investigating the above-mentioned structures. In calculation of reliability coefficients of theory of throw out method allowing definition of resonance frequencies of the least reliability and of what diapason frequencies of structures and structural parts was applied. The results of this method compare with results by the experimental method. The main results of the work have been implemented in industrial production in developing new aircraft instrumentation in Ukraine.

Keywords: reliability, fail-safe, probability, resistance, structure, design, airborne equipment.

Підписано до друку

Формат 6084 1/8

Обл.-вид. арк 1,0. Т. 100 прим. Замов 113.

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського“

Харківський авіаційний інститут”

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17