Испытание на механические воздействия

[Участник]

 Всем доброго дня!
Прошу помощи опытного испытателя РЭА, или других аппаратов на механические воздействия, а именно на вибрацию и удары на вибростендах. Есть ГОСТ РВ 20.57.305-98, в нём раздел 8. Испытание на воздействие механических факторов в условиях транспортирования, в таблице 19 указывается пиковое ударное ускорение в 735 м/с или 75 (g) для аппаратов до 50 кг. Так же дана допустимая длительность ударного ускорения, 1-5 мс.
Собственно такие нагрузки и смущают, 75 единиц это не укладывается в голове, т.е. аппарат будет весить 3750 кг в момент пиковой нагрузки. Но это просто невероятно, там просто компоненты по отлетают. Есть подозрения, что дело в длительности ускорения, если умножить ускорение на время то получаем всего 2,2 м/с, т.е. с этой скоростью будет перемещаться аппарат и тормозиться за 3 мс, вроде и не страшно , но тем не менее, перегрузка то будет 75. Поясните пожалуйста, кто в курсе данного вопроса.

[Warlock-72]

Мы по согласованию с Заказчиком  и на основании п.8.5 ГОСТ РВ 20.57.305 выпускали совместное Решение о том, чтобы испытания на транспортирование во время ПИ не проводить, вместо данного вида испытаний провести проверку работоспособности аппаратуры после ее отгрузки и транспортирования на объект Заказчика.
Отгружаемую аппаратуру сопровождают представитель нашего предприятия, представитель нашего ПЗ, берут с собой заранее подготовленный протокол испытаний, подписывают его представителем Заказчика на объекте.
Мотивировка данных действий: сокращение трудоемкости проведения ПИ и отказ от сокращения ресурса работы опытных образцов (у нас аппаратура, мягко говоря, не дешевая - Заказчик предпочитает использовать в эксплуатации опытный образец, а не "убивать" его на ПИ с последующим заказом нового).

[Участник]

 У нас такое не прокатит. Да и данные испытания не являются разрушающими. Всё как раз должно работать после тряски и ударов. Аппаратура у нас тоже весьма не дешёвая, но поменять/отремонтировать её в процессе эксплуатации, если случится отказ, будет весьма проблематично и затратно, а то и невозможно, поэтому только испытания.

[Warlock-72]

У нас такое не прокатит...

Вы уверены? Пробовали? Я же не зря ссылку на п. 8.5 ГОСТа дал - все законно.

Да и экономический аспект тоже со счетов сбрасывать нельзя. Кстати, именно экономические факторы и "сломали" наших ПЗ:
они как увидели счета на испытания от испытательной лаборатории, так сразу и стали искать - где бы сэкономить,
а мы им предложили способ.

[Участник]

 Уверен, уверен. Тут всё серьёзно, и механические испытания стоят "копейки", относительно других испытаний, которые обязательно будут проводить с этими изделиями.

[Ё]

Всем доброго дня!
Прошу помощи опытного испытателя РЭА, или других аппаратов на механические воздействия, а именно на вибрацию и удары на вибростендах. Есть ГОСТ РВ 20.57.305-98, в нём раздел 8. Испытание на воздействие механических факторов в условиях транспортирования, в таблице 19 указывается пиковое ударное ускорение в 735 м/с или 75 (g) для аппаратов до 50 кг. Так же дана допустимая длительность ударного ускорения, 1-5 мс.
Собственно такие нагрузки и смущают, 75 единиц это не укладывается в голове, т.е. аппарат будет весить 3750 кг в момент пиковой нагрузки. Но это просто невероятно, там просто компоненты по отлетают. Есть подозрения, что дело в длительности ускорения, если умножить ускорение на время то получаем всего 2,2 м/с, т.е. с этой скоростью будет перемещаться аппарат и тормозиться за 3 мс, вроде и не страшно , но тем не менее, перегрузка то будет 75. Поясните пожалуйста, кто в курсе данного вопроса.

Здесь надо "зрить в корень". Вы "прикладываете" ускорение к чему? К КОРПУСУ аппарата. "Жэ*тэ квадрат- пополам" - расстояние, которое пройдЁт корпус аппарата. Если всЁ, что внутри корпуса - "монолит" заодно с корпусом, то у Вас и получится сила, ПРИЛОЖЕННАЯ к КОРПУСУ(!) 3750 кгс. А если "нутрянка" упруго присоединена к корпусу?!

(Помнится, ещё в конце 80-х прошлого века один профессор - большой спец по защите от вибраций, - говорил мне, что большой дефицит специалистов по виброзащите в РЭП...)

[Участник]

Нутрянка конечно к корпусу жёстко присоединена, как и в любой обычной РЭА, ну в смысле не ракета и не торпеда и не управляемый снаряд. И требования к РЭА в плане вибрации вполне обычные, эксплуатироваться вообще в статике будет. Испытания в таре и на удар без тары проводятся исключительно для подтверждения способности транспортировки и погрузо/разгрузочным работам, с возможным падением при этом. И именно для таких условиях в ГОСТе стоит значений пикового ускорения 735 М/С^2, (75g).

[Ё]

 Испытания - испытаниями, а знаменитые "русские две беды" никто не отменял, поверьте! Разговор, собственно, о том, что если приложить "75жэ" к упаковке или корпусу, то на элементах, которые могут получить повреждения при таком "сценарии", ускорение будет МЕНЬШЕ "75-ти жэ" из-за "естественной" либо СПЕЦИАЛЬНО продуманной амортизации!
Сейчас имеется широкий спектр самых интересных амортизационных материалов для упаковки! Спасибо "китайскому чуду"... Или так: "китайское чудо" - зависит от этих упаковочных материалов?..

[Николай]

А ну как кишки войдут в резонанс?

[Участник]

 Не вошли. Уже оттрясли. Как я и предполагал, ничего страшного и особенного. В теорию так и не вник, единственное нашёл, что бортовые самописцы должны выдерживать 3400 g!!!, с течении 6 мс. Так что 75g при 1-5 мс ерунда.

[Valery-Moscow]

нормативные документы по испытаниям РЭА - писались давно....
там много "странного".....

но вот что забавно:
в России почему-то выполняют расчеты используя спектральный анализ - ну по существу суммирование по всем частотам - т.е. без учета "реального" знаков гармоник, которые вычисляются (учитываются в данном расчете) - что автоматически ни при каких условиях не может совпадать с результатами экспериментов!

тем не менее, "умельцы" пытаются сравнивать полученные результаты с результатами экспериментов?!
и часто - они совпадают ..., чего как я уже писал не может быть по определению, так как суммирование по всем частотам - подразумевает ЗНАЧИТЕЛЬНО ЗАВЫШЕННЫЕ результаты расчетов, по сравнению с экспериментами


чуть-чуть про эксперименты:

кто-то может мне внятно объяснить, как можно воздействовать на РЭА на стенде - прикладывая на него одновременно несколько гармоник?
да еще если нужно эти гармоники прикладывать с определёнными сдвигами по фазе?!

т.е. как это чисто технически можно реализовать?

сколько я не спрашивал - никто не может ничего внятно ответить.... 
некоторые чего-то невнятно бормочут про сертифицированные методики испытаний и прочий бред....

ну и далее, даже если каким-то чудом - данное механическое воздействие может быть реализовано, то возникает еще несколько правомочных вопросов, на пример:

1. имеется спектр ускорений по амплитудам, но почти 100% - что нет спектра по частотам, тогда ЧТО же прикладывают в эксперименте?
какие нагрузки?
ведь если нет спектра по частотам - то невозможно преобразовать СПЕКТР ускорений по амплитудам , с помощью обратного преобразования Фурье - в какие-то КОНКРЕТНЫЕ гармоники , без спектра по частотам!
и потом, без спектра по частотам - невозможно понять - какие будут фазовые углы (сдвиги) для каждой гармоники?
ну т.е. какое будет запаздывание у каждой гармоники?
РЕЗЮМЕ: Какие нагрузки прикладывают в эксперименте, если имеется только спектр по амплитудам?


2. почти все платы - это многослойные оболочки (пластины) , которые вообще-то имеют "сложную" жесткость - ну проще говоря их даже классифицировать невозможно, поскольку там как угодно может меняться жесткость по площади плат.... - соответственно их деформации - никак не могут быть расчитаны по теории ЛИНЕЙНЫХ колебаний (деформаций)!
ну и более того, сами эти платы почти на 100% геометрически нелинейны - т.е. опять же - их нельзя расчитывать используя линейную теорию!


3. любой РЭА - это совокупность элементов, большая часть которых соединяется болтами и заклепками - что опять же исключает возможность применения теории линейных деформаций и колебаний!
Поскольку в принципе невозможно моделировать  контакты , если используется теория линейных колебаний (никакие программы этого делать не могут в принципе) - так как контакты - это "переменные" граничные условия - что уже само по себе исключает нахождение собственных частот!


4. все эти соединения - болтовые, заклепки и пр. - сильно влияют на сами колебания - они являются модуляторами по частоте, амплитуде и фазе и если это не учитывать - то результат будет "сильно неточный"


5. Про резонанс - о котором так много говорят и пишут....
термин "резонанс" - подразумевает ЛИНЕЙНОСТЬ, т.е. это как бы "фиксация" вероятного набора частот - где можно ожидать резкого скачка амплитуд, при этом почему-то многие забывают о демпфировании (структурном, материальном и пр..)
наверно главное определение линейности колебаний, это независимость друг от друга амплитуд, частот и фаз колебания,
ну еще "статические" граничные условия и независимость свойств материалов от частоты воздействия
но вот сами "значения" результатов ЛИНЕЙНЫХ расчетов в области резонансных частот - должны рассматриватьсся очень осторожно, ибо очень часто - в этих областях частот , даже казалось бы геометрически линейная конструкция, проявляет сильно нелинейные свойства

ну и так далее....

Был бы рад пообщаться по скайпу с теми, кто проводит эксперименты

[Valery-Moscow]

чуть-чуть "исправлюсь" :
термин "резонанс" - подразумевает ЛИНЕЙНОСТЬ отклика конструкции на нагрузки данной частоты и амплитуды.

я имел ввиду, что собственные частоты вычисляются путем решения ЛИНЕЙНОЙ системы уравнений!

т.е. главное условие этой ЛИНЕЙНОЙ постановки - это МАЛЫЕ перемещения!

т.е. получив значения собственных частот - инженер получает информацию о том, гармонические (или полигармонические) нагрузки - не должны быть близки по частоте воздействия к собственным частотам.

НО получение собственных частот - совсем не является универсальным способом изучения конструкции!

т.е. при "малых" нагрузках - весьма возможно конструкция будет себя вести "адекватно" = линейно
, и гипотеза о малости линейности системы - будет справедлива,
однако вполне возможно - что при нагрузках большей амплитуды и/или иной частоты - конструкция будет вести себя уже как нелинейная система и вот тогда - результаты расчетов полученные с помощью разложения колебаний по собственным частотам будут совершенно не верны

то же самое относится и к любому иному виду анализа - основанному на разложении по собственным частотам - в частности и к спектральному анализу , который очень часто применяют там - где это совершенно недопустимо!

РЕЗЮМЕ:
правомерность применения линейной теории колебаний в каждом конкретном случае - должна быть проверена и опробирована!


немного о демпфировании, к которому часто относятся пренебрежительно.
для данного рода РАЭ конструкций есть четыре способа учета демпфирования:

1. Демпферы , которые задаются в "явном" виде - как элемент КЭ модели - могут быть линейными или нелинейными (в зависимости от частоты, времени, температуры и пр..)

2. "материальное" демпфирование - "по Релею" - задаются два параметра в свойствах материалов - для низких и высоких частот, которые опять же могут быть функциями каких-то переменных

3. структурное демпфирование - учет демпфирующих свойств самой конструкции - т.е. учет диссипации энергии при трении между поверхностями элементов конструкции - на пример при болтовом соединении

4. Вязкоэластика (вязкоупругость) - это когда демпфирующие свойства материала зависят от частоты воздействующей нагрузки.

[Ё]

 А "высокая математическая физика" говорит: чем короче импульс - тем шире его спектр...

[Valery-Moscow]

совершенно верно, вот кстати достаточно понятные подробные пояснения по этому вопросу:

§ 12. Связь между длительностью импульса и шириной его спектра
http://www.rfcmd.ru/books/harkevich/1-12.htm

http://lib.sernam.ru/book_hsa.php?id=12


следует отметить, что авторы всех этих работ подчеркивают, что РЕШАЕМАЯ СИСТЕМА - ЛИНЕЙНА!!!
т.е. собственные частота "стационарны" во время всего исследуемого процесса!
и конечно частоты, фазы и амплитуды исследуемого процесса колебаний независимы


вообще-то, такое воздействие на удар - изучать с помощью линейного частотного анализа более чем "сложно"...,
тем более что удар - обычно подразумевает:
1. появление зон пластических деформаций - что может вносить значительный вклад в картину диссипации энергии
2. геометрическую нелинейность отклика самой системы

если удар - очень "быстрый" , т.е. нужно рассматривать не колебания конструкции, а распространение ударной волны в среде элементов конструкции - тогда нужно решать волновую задачу - т.е. использовать явный решатель, со всеми вытекающими последствиями ...

если удар "медленный" - то опять же нужно подумать:
- Сколько же нужно учесть собственных частот, что бы получить более-менее достоверные результаты?
*** как правило, выгоднее и разумнее использовать прямое интегрирование уравнений динамики - в явном или неявном виде.


Кстати, импульс - не является "полной" характеристикой ударного (структурного) воздействия на конструкцию - это более "интегральная"характеристика.
Разумнее изучать воздействие "ударных" нагрузок путем прямого интегрирование уравнений динамики, когда нагрузка задается как функция времени!

*** кстати о нагрузках - в нормативной литературе, чаще всего предлагаются "очень грубые" зависимости нагрузки от времени, используя которые получают совершенно "нефизичные" (нереальные) результаты.

*** термин "очень грубые" подразумевает что обычно предлагаются кусочно-линейные зависимости, которые при использовании приводят к огромным (нереальным) инерционным откликам конструкции.
в реальности, любая нагрузка имеет "гладкий" характер приложения - т.е. всегда есть как минимум первая производная графика - "нагрузка-время".

Поэтому разумнее задавать график нагрузки не по нормативам, а по измеренным в эксперименте зависимостям, ну в отчете писать "как положено - дескать строго следовали нормативной документации"!

[Ё]

 Вот ссылка на хорошие книжечки в рамках затронутых Вами вопросов:

1. Н.Г.Бондарь, "Нелинейные стационарные колебания", "Наукова думка", Киев, 1974
2. Я.Г.Пановко, "Основы прикладной теории колебаний и удара", Ленинград, "Машиностроение", 1976

Вторая книга очень хороша для самообразования "линейных" инженеров...

P.S.: сдаЁтся, в Москве нет проблем со старыми добрыми книгами? Если не так - пишите.

[Ё]

 Я, собственно, почему ссылки на книги даю? Во-первых: что б не изобретали велосипед! Это трудно осознать, не поколесив по миру, но СССР в некоторый период был ВЕЛИЧАЙШЕЙ научно-технической державой! А во-вторых: книги, на которые ссылаюсь, - "ядро-подобные". После происходило "разжижение" знаний...

[Ё]

 Вот ещЁ отличная книга по близкому вопросу: Дружинский И.А., "Механические цепи". Л., "Машиностроение", 1977

[Vitalij Lysanov]

Датчик вибрации на велосипеде

Видел как на ниппель камеры велосипеда накручиваются датчики и они светятся при вибрации. 

Этот свет можно применить как сигнал и получить даже количественные характеристики резонанса в механических конструкциях.

Источником сигнала берем звуковую карту.
Приемник света, это WEB камера.

Выход звуковой карты управляется по частоте и амплитуде.
Управляя выходом генератора колебаний и оптически принимая свет от датчиков можно даже количественно провести все испытания на вибрации.

Есть примеры когда принимали сигналы от множества светодиодов на WEB камеру. Источником сигнала была звуковая колонка подключенная к звуковой карте компьютера.


Характеристики свечения светодиодов нелинейны, но если все время настраиваться на момент начала свечения светодиода или на определенную яркость, все можно точно измерить. При этом нужно точно измерять выход генератора (запоминать значение выхода при выставленной нужной яркости свечения светодиода).

Например в диапазоне частот поддерживаем слабое или определенное свечение датчика. Полученная зависимость выходного напряжения генератора от частоты представляет собой частотную характеристику вибраций в выбранной точке изделия.

Метрология
Параметры датчиков на велосипеде неизвестны, подкупает что их можно установить много. Аттестованный датчик можно немного усилить и подать на светодиод, будет аналог велосипедного датчика.

Приспособления для виброиспытаний
При виброиспытаниях существует проблема равномерной передачи вибраций в полосе частот без резонансов. Эта проблема уже есть в самом вибростенде, когда вибрация с катушки передается на стол вибростенда. Эта конструкция уникальна. Что то вроде части шара с пазами для облегчения конструкции. И ни одного постоянного размера, изменяется толщина или ширина пазов, все кривое.

Например рама в велосипедах, на краях в сечении овал, только развернутый на 90 градусов. В велосипедах это сделано для облегчения стыковки рулевой колонки с педалями, но на резонансы тоже должно хорошо работать.
Или уголок с увеличивающейся толщиной. Попробуй такой уголок раскачать.

Если приходят проверять, смотрят и на приспособления для крепления изделия. Графики можно не смотреть, достаточно постучать по приспособлению и все сразу ясно. Обычно все из уголков сваривается. И по другому ничего не сделаешь, можно только больше уголков наварить для исключения какого то резонанса.

Для маленьких приборов делают все из цельного металла и чтобы можно было поворачивать в разные плоскости. При больших конструкциях, только уголки.

Обычно вибрация задается в одной точке, в остальных точках крепления как получится. При аттестации снимают все резонансные характеристики и можно оговорить уменьшение на каком то участке частот.
Есть конечно вибростенды учитывающие все точки крепления, но это все сложно аппаратно.

Между тем при датчиках вибраций со светодиодами на выходе датчика, вся проблема только в математике. Отслеживаются свечения во всех точках крепления, вычисляется среднее или по формуле.

Подробней про учет вибраций на всех точках крепления.
Выставляя начало свечения на одной точке, остальные могут или ярко светиться или быть вообще без света. Яркость свечения светодиода не калибрована, хотя для качественных испытания можно и откалибровать.

Предполагается на каждой точке крепления выставить начало появления яркости и запомнить значения выхода. Затем по формулам вычислить необходимую для испытаний вибрацию. Могут конечно быть нелинейности на все равно лучше чем ничего.

Тензометры и вибрации
Интересно запитать мост с тензометром частотой вибростенда, это позволит легче выделить сигнал. Килогерц частоты вибраций тензометры должно взять. Получим не ускорение в точке, а деформации в точке в зависимости от частоты.

Допустим полоска металла и посередине тензометр, который показывает удлинение металла в точке тензометра. Если мост не полностью сбалансирован, будет слабый сигнал пока без вибрации. Лучше на осциллограф X и Y подать сигнал с генератора и с тензометрического моста. Ослабляя сигнал генератора добиваемся  наклонной линии.

Подавая вибрации должны получить вторую гармонику сигнала пропорциональную деформациям. Линия на осциллографе уже не прямая. Линия может даже раздвоиться, что говорит о фазовых процессах при колебаниях. 

Для усиления выхода тензометрического моста можно приклеить второй датчик с противоположной стороны пластины и включить его в другую ветвь тензометрического моста. В литературе пишут про второй тензометр для компенсации влияния температуры. Только в литературе второй тензометр не нагружен. 

[Valery-Moscow]

Уважаемый Vitalij Lysanov,

Вы написали замечательную статью... - понятно, просто и главное грамотно!

мой респект !

*** попробуйте перевести её на английский и опубликовать на иностранных форумах - полагаю это будет весьма полезно для Вас.

[Евгений Борисович]

В том же ГОСТ есть раздел В, пункт В. 1.2 , в котором приведена методика оценки, как бы перевода ударного воздействия в ускорение, которое получает прибор. Сила, которая действует на тело, зависит не только от ускорения, но и от его массы. Так что элементы на плате вряд ли будут весить 3750 кг )