Определение динамических характеристик конструктивных элементов на основе экспериментально-расчетных методов отработки вибрационной надежности устройств вычислительной техники

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Вибрационная надежность является одной из важнейших эксплуатационных характеристик устройств вычислительной техники и систем управления.

Обеспечение вибрационной надежности различных изделий заключается в получении таких динамических свойств их конструкций, при которых вибрация изделий в условиях эксплуатации не превышает допустимых значений. При этом необходимые конструктивные изменения проводят с использованием расчетных и экспериментальных методов.

Расчетные методы основаны на создании математической модели, с помощью которой вычисляют динамические характеристики всей конструкции, а также динамические характеристики конструктивных элементов. Однако исключительная насыщенность и конструктивная сложность радиоэлектронных устройств не позволяют получить качественное описание их динамических свойств, что существенно снижает эффективность применения расчетных методов.

В основе экспериментальных методов лежат виброиспытания, в процессе которых измеряют реакции конструкции на приложенные вибрационные воздействия. Экспериментальные методы позволяют получить оценки динамических свойств различных конструкций, однако эти оценки носят интегральный характер и не дают возможности выработать рекомендации по изменению свойств конструктивных элементов для обеспечения вибрационной надежности изделия.

Наибольшими возможностями обладают экспериментально-расчетные методы, позволяющие по результатам экспериментальных исследований изделий вычислить динамические характеристики конструктивных элементов и установить их взаимосвязь с динамическими характеристиками всей конструкции в целом. Однако пути определения динамических характеристик конструктивных элементов с помощью экспериментально-расчетных методов исследованы недостаточно, что сдерживает применение этих методов для отработки вибрационной надежности устройств вычислительной техники. Поэтому возникает актуальная задача определения динамических характеристик конструктивных элементов на основе экспериментально-расчетных методов отработки вибрационной надежности устройств вычислительной техники, решению которой и посвящена диссертационная работа.

Цель диссертационной работы заключается в повышении вибрационной надежности устройств вычислительной техники на основе использования экспериментально-расчетных методов определения динамических характеристик конструктивных элементов.

Для достижения этой цели в диссертации решена задача разработки комплекса методов и средств определения динамических характеристик конструктивных элементов на основе экспериментально-расчетных методов отработки вибрационной надежности устройств вычислительной техники.

Частные задачи диссертационной работы заключаются в разработке:

— моделей конструкции, учитывающих динамические характеристики конструктивных элементов;

— экспериментально-расчетных методов определения динамических характеристик конструктивных элементов;

— комплекса технических средств для реализации этих методов.

Частной задачей является также проведение исследований особенностей применения экспериментально-расчетных методов определения динамических характеристик конструктивных элементов в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.

Методы исследований. Основные задачи решены на основе применения: теорий системного анализа, линейных операторов, графов, спектрально-корреляционной теории, а также путем экспериментальных исследований, выполненных с использованием инструментально-графической системы Lab View, программного обеспечения MathCad и разработанного виброизмерительного комплекса.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы заключается следующем.

1. Для описания конструкций при проведении экспериментально-расчетных исследований динамических характеристик конструктивных элементов предложены модели на основе частных и обобщенных функциональных элементов. Показано, что приведенная матрица комплексных передаточных функций частных функциональных элементов, описывающая динамические характеристики конструктивных элементов, является обратной к матрице комплексных передаточных функций обобщенных функциональных элементов, описывающей динамические характеристики всей конструкции.

2. Исследованы возможности экспериментально-расчетного определения динамических характеристик конструктивных элементов при формировании детерминированных тестовых воздействий. Установлена необходимость проведения серии экспериментов, заключающихся в том, что в узлах соединения конструктивных элементов формируют тестовые воздействия, в этих узлах измеряют параметры реакций конструкции, по которым определяют комплексные передаточные функции частных функциональных элементов, полностью описывающие динамические характеристики конструктивных элементов.

3. Проведен анализ возможностей экспериментально-расчетного определения динамических характеристик конструктивных элементов при виброиспытаниях с имитацией условий эксплуатации. Показана целесообразность применения одноточечного и многоточечного методов возбуждения спектров случайной вибрации, на основе которых в узлах соединения конструктивных элементов формируют случайные тестовые воздействия, в этих узлах измеряют собственные и взаимные спектральные плотности воздействий и взаимные спектральные плотности реакций и воздействий, по которым определяют комплексные передаточные функции частных функциональных элементов, полностью описывающие динамические характеристики конструктивных элементов.

4. Исследовано влияние дестабилизирующих факторов на качество определения динамических характеристик конструктивных элементов с помощью экспериментально-расчетных методов. Получена оценка общей относительной погрешности определения приведенной матрицы комплексных передаточных функций, которая в каждой полосе частот определяется зависимостью от значений чисел обусловленности этой матрицы и матрицы выходных спектров, а также относительных погрешностей формирования и измерения матриц входных и выходных спектров, и значения относительного возмущения матрицы комплексных передаточных функций. Показано, что эта зависимость является дробно-рациональной.

Практическая ценность работы. Разработанные методы и средства позволяют экспериментально-расчетным путем установить динамические характеристики конструктивных элементов, что дает возможность проводить детальные исследования динамических свойств конструкций. Информация о динамических характеристиках конструктивных элементов позволяет определить вклад различных конструктивных элементов в формирование реакций конструкций на эксплуатационные вибровоздействия и установить «критические» пути распространения колебаний, приводящих к возникновению резонансов. Это создает основу для выработки важных практических рекомендаций по целенаправленному изменению свойств конструктивных элементов при отработке изделий и открывает новые пути для повышения вибрационной надежности устройств вычислительной техники.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на 15-й Российской научно-технической конференции «Нёразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999 г., научно-технической конференции «АУ1А-99», Воронеж, 1999 г., 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Санкт-Петербург, 1999 г., Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», Курск, 1999 г., Международном симпозиуме «Надежность и каче-ство-99», Пенза, 1999 г., Международной научно-практической конференции «Технология, инновация, качество», Казань, 1999 г., ХУ1-Й военно-технической конференции «Вопросы совершенствования боевого применения и разработок артиллерийского вооружения и военной техники», Казань, 1999 г., Всероссийской студенческой научной конференции «V Королёвские чтения», Самара, 1999 г., Юбилейной научно-технической конференции «В XXI век — с новыми принципами построения аппаратуры», Н. Новгород, 1999 г.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы были использованы на Казанском вертолетном заводе при исследованиях динамических характеристик элементов конструкций вертолетов, а также в Федеральном научно-производственном центре по радиоэлектронным системам и информационным технологиям при отработке вибрационной надежности устройств радиоэлектронных систем и вычислительной техники. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе КГТУ им. А. Н. Туполева.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, которые достаточно полно отражают основное содержание диссертации.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 145 страницах, содержит 28 рисунков, список использованных источников из 102 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Для описания конструкций при экспериментально-расчетных исследованиях динамических характеристик конструктивных элементов предложены модели на основе частных и обобщенных функциональных элементов. Показано, что приведенная матрица комплексных передаточных функций частных функциональных элементов, описывающая динамические характеристики конструктивных элементов, является обратной к матрице комплексных передаточных функций обобщенных функциональных элементов, описывающей динамические характеристики всей конструкции. Это позволяет по известным динамическим характеристикам конструкции вычислить динамические характеристики конструктивных элементов, что значительно расширяет возможности анализа динамических свойств изделий.

2. Исследованы возможности экспериментально-расчетного определения динамических характеристик конструктивных элементов при формировании детерминированных тестовых воздействий. Установлена необходимость проведения серии экспериментов, сущность которых состоит в том, что в узлах соединения конструктивных элементов формируют тестовые воздействия, в этих узлах измеряют параметры реакций конструкции, по которым определяют комплексные передаточные функции частных функциональных элементов, описывающие динамические характеристики конструктивных элементов. На основе полученных результатов разработаны экспериментально-расчетные методы определения динамических характеристик конструктивных элементов при различных тестовых воздействиях и виброизмерительный комплекс для их реализации. Это позволяет при отработке вибрационной надежности устройств вычислительной техники выработать важные рекомендации по целенаправленному изменению свойств их конструкции.

3. Проведен анализ возможностей экспериментально-расчетного определения динамических характеристик конструктивных элементов при виброиспытаниях с имитацией условий эксплуатации. Показана целесообразность применения одноточечного и многоточечного методов возбуждения спектров случайной вибрации, на основе которых в узлах соединения конструктивных элементов формируют случайные тестовые воздействия, в этих узлах измеряют собственные и взаимные спектральные плотности воздействий и взаимные спектральные плотности реакций и воздействий, по которым определяют комплексные передаточные функции частных функциональных элементов, описывающие динамические характеристики конструктивных элементов. На базе этих методов разработан виброизмерительный комплекс для экспериментально-расчетного определения динамических характеристик конструктивных элементов с помощью одного или нескольких вибровозбудителей. Это позволяет при виброиспытаниях изделий с имитацией условий эксплуатации проводить исследования их динамических характеристик, что открывает новые пути для повышения вибрационной надежности устройств вычислительной техники.

4. Исследовано влияние дестабилизирующих факторов на качество определения динамических характеристик конструктивных элементов с помощью экспериментально-расчетных методов. Получена оценка общей относительной погрешности определения приведенной матрицы комплексных передаточных функций, которая в каждой полосе частот определяется зависимостью от значений чисел обусловленности этой матрицы и матрицы.

136 выходных спектров, а также относительных погрешностей формирования и измерения матриц входных и выходных спектров, и значения относительного возмущения матрицы комплексных передаточных функций. Показано, что эта зависимость является дробно-рациональной. Полученные результаты позволяют получить оценки качества определения динамических характеристик конструктивных элементов и выработать рекомендации для его повышения.

Таким образом, цель диссертационной работы, заключающаяся в повышении вибрационной надежности устройств вычислительной техники на основе применения экспериментально-расчетных методов определения динамических характеристик конструктивных элементов, достигнута.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решены задачи, заключающиеся в разработке моделей, учитывающих динамические характеристики конструктивных элементов, комплекса * экспериментально-расчетных методов определения динамических характеристик конструктивных элементов и технических средств для их реализации, а также исследованы особенности применения этих методов и средств в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.