WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«Воронов Александр Сергеевич ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ДАТЧИКА ИНДУКЦИОННОГО ЛАГА ...»

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

Воронов Александр Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ДАТЧИКА

ИНДУКЦИОННОГО ЛАГА

Специальность 05.11.03 – Приборы навигации Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., доцент Евстифеев М.И .

Санкт-Петербург ОГЛАВЛЕНИЕ Введение

Глава 1 . Проблемы проектирования датчика индукционного лага для глубоководных аппаратов

1.1 Актуальные задачи подводных исследований

1.2 Обзор современных индукционных лагов

1.2.1 Принципы действия основных типов лагов

1.2.2 Отечественные индукционные лаги

1.2.3 Зарубежные индукционные лаги

1.3 Особенности конструкций глубоководной аппаратуры

1.4 Проблемы проектирования датчика индукционного лага

Выводы по главе 1

Глава 2 . Анализ характеристик датчика индукционного лага

2.1 Погрешности датчика при глубоководных работах

2.1.1 Основные инструментальные погрешности датчика

2.1.2 Влияние гидростатического давления на погрешность датчика.............. 35 2.1.3 Оценка влияния температуры

2.2 Моделирование конструкции датчика индукционного лага

2.2.1 Принципы построения численной математической модели

2.2.2 Основные особенности модели

2.2.3 Физико-механические характеристики материалов

2.2.4 Результаты конечно-элементного анализа

2.3 Пути повышения прочности

2.3.1 Модернизация и введение дополнительных элементов

2.3.2 Оптимизация конструктивных параметров

2.3.3 Выбор свойств компаунда

2.4 Методика проектирования

2.4.1 Общие принципы построения методики проектирования

2.4.2 Оценка инструментальной погрешности

2.4.3 Оценка характеристик прочности

Выводы по главе 2

Глава 3 . Оптимизация конструктивных параметров датчика индукционного лага76

3.1 Оптимизация параметров корпуса

3.2 Оптимизация параметров армирующего элемента

3.3 Оптимизация параметров канавок

3.3.1 Обеспечение максимальной площади контакта

3.3.2 Обеспечение максимальной заполняемости канавки

3.3.3 Обеспечение максимальной прочности канавки при расчете на срез..... 91

3.4 Выбор заливочного материала

3.5 Обоснование конструкции глубоководного датчика

Выводы по главе 3

Глава 4 . Экспериментальные исследования датчика индукционного лага .

.......... 102

4.1 Экспериментальная проверка заливки компаунда

4.2 Экспериментальные исследования макета

4.3 Экспериментальные исследования опытного образца

Выводы по главе 4

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список публикаций автора

Список литературы





ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы диссертации. Современные исследования Мирового океана направлены на изучение подводной среды и донного рельефа, выполнение научной океанографической деятельности, определение возможности проведения подводно-технических и аварийно-спасательных работ на больших глубинах. Актуальность таких исследований, в том числе, обусловливается необходимостью определения границ России и освоения Арктики, что подтверждается историческими погружениями аппарата «Мир» на глубину 4300 м в районе Северного полюса [5, 19, 78, 101] .

В области развития Военно-Морского Флота в соответствии с указом Президента РФ от 20.07.2017 № 327 «Об утверждении Основ государственной политики Российской Федерации в области военно-морской деятельности на период до 2030 года» одним из приоритетных направлений является создание глубоководных морских систем нового поколения, для успешной эксплуатации которых необходима специализированная забортная аппаратура с высокой прочностью к внешнему гидростатическому давлению (ГД) [76] .

Для решения практических и теоретических задач по исследованию океана на больших глубинах активно создаются и совершенствуются как обитаемые глубоководные аппараты типа «Мир», «Русь» и «Консул», так и автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) для погружения на глубины порядка 6 км [41, 75, 93, 98, 105]. Необходимо отметить, что создание глубоководной техники требует преодоления значительных технических трудностей, не меньших, чем при создании космических аппаратов. Глубоководная среда является более агрессивной, чем космическое пространство. Достаточно отметить, что давление в этой среде, воздействующее на подводные аппараты, в сотни раз выше, чем в космосе .

При достижении глубин 6 км, далее именуемых сверхбольшими глубинами, внешнее гидростатическое давление, воздействующее на аппарат, составляет 60 МПа, что равносильно усилию 600 кгс на квадратный сантиметр. Для работы в таких условиях необходима разработка конструкций на основе новых сплавов, материалов, технологий, что связано с поиском и созданием новых подходов и методик проектирования глубоководной аппаратуры .

Несмотря на значительное развитие высокоточных навигационных систем, в особенности спутниковых, использование лага для измерения скорости судна является обязательным, что регламентировано во многих руководящих документах, в том числе в Российском Морском Регистре Судоходства. Лаги традиционно классифицируют как относительные (для измерения скорости судна относительно водной среды) и как абсолютные (для измерения скорости судна относительно грунта). К первым относятся индукционные, гидродинамические и радиодоплеровские лаги, ко вторым – гидроакустические доплеровские и корреляционные лаги. Среди различных типов лагов широкое распространение получили индукционные лаги, изготавливаемые рядом отечественных и зарубежных фирм .

Среди промышленных образцов, эксплуатируемых на различных флотах России, можно назвать отечественные лаги ЛИ2-1 (ОАО «Штурманские Приборы», Санкт-Петербург), ИЭЛ-2М (АО «Катав-Ивановский приборостроительный завод»), ЛЭМ2-1М (АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург) .

Среди зарубежных аналогов известны лаги Agilog 2 (Aeronautical & General Instruments Limited, США), LMN5 (BEN Marine, Франция), NAVIKNOT 350 E (Northrop Grumman, США), EML124 (Skipper Electronics, Норвегия) и другие .

Однако применение таких лагов ограничено надводными судами и аппаратами с малыми глубинами погружения. Использование подобных конструкций для экстремально высокого внешнего гидростатического давления невозможно, а адаптация проектных решений к условиям эксплуатации глубоководных аппаратов представляет собой ноу-хау разработчиков .

В связи с расширением направлений изучения Мирового океана и увеличением объема глубоководных работ повышение прочности забортных средств измерения скорости судна представляет собой актуальную задачу современного приборостроения и обуславливает необходимость проведения исследований по повышению прочности датчика индукционного лага .

Цель работы заключается в разработке научно обоснованных рекомендаций по проектированию конструкции глубоководного датчика индукционного лага (ДИЛ) для эксплуатации в условиях повышенного внешнего гидростатического давления .

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

анализ инструментальной погрешности ДИЛ, возникающей в условиях напряженно-деформированного состояния конструкции при действии внешнего давления;

построение компьютерной физико-механической модели датчика, позволяющей определить напряжения и деформации в конструкции;

оптимизация конструктивных параметров датчика по критерию минимизации механических напряжений в конструкции;

разработка методики проектирования ДИЛ, включающей анализ инструментальной погрешности и анализ прочности конструкции;

обоснование конструкции, устойчивой к заданному внешнему гидростатическому давлению;

проведение испытаний конструкции датчика, созданной на основе компьютерной физико-механической модели, для подтверждения обоснованности теоретических положений .

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1. Впервые выявлено возникновение инструментальной погрешности датчика индукционного лага в условиях напряженно-деформированного состояния конструкции при изменении глубины погружения;

2. Предложена оригинальная методика проектирования ДИЛ, включающая анализ инструментальной погрешности и анализ прочности конструкции, что обеспечивает комплексный подход к разработке прибора .

3. Разработана научно обоснованная конструкция ДИЛ, позволяющая осуществлять эксплуатацию прибора в условиях заданного гидростатического давления. Новизна конструкции подтверждена патентом РФ .

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Выявленная аналитическая зависимость инструментальной погрешности ДИЛ от напряженно-деформированного состояния конструкции позволяет выработать поправку к показаниям датчика в зависимости от глубины погружения .

2. Методика проектирования ДИЛ позволяет комплексно оценивать инструментальные погрешности прибора и прочность конструкции. Методика пригодна для построения автоматизированной системы проектирования конструкции ДИЛ и для использования в учебном процессе .

3. Результаты оптимизации определяют значения конструктивных параметров, при которых достигаются минимальные механические напряжения в конструкции .

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертационной работы использованы в АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (СанктПетербург) при создании навигационной аппаратуры и внедрены в учебный процесс международной научной лаборатории «Интегрированные системы ориентации и навигации» на базовой кафедре Информационно-навигационных систем Университета ИТМО .

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы теории электромагнетизма, теории сопротивления материалов, теории упругости и методы конечно-элементного анализа для проведения компьютерного моделирования .

Положения, выносимые на защиту:

1. Полученные результаты анализа инструментальной погрешности ДИЛ, возникающей в условиях вариаций напряженно-деформированного состояния конструкции, позволяют выработать поправку к показаниям датчика в зависимости от глубины погружения .

2. Разработанная методика проектирования конструкции ДИЛ, включающая анализ инструментальной погрешности и анализ прочности конструкции, обеспечивает комплексный подход к проектированию прибора .

3. Полученные результаты оптимизации конструктивных параметров датчика по критерию минимизации механических напряжений в конструкции, позволяют существенно повысить прочность датчика .

4. Обоснованная оригинальная конструкция датчика индукционного лага обеспечивает прочность прибора в условиях повышенного ГД .

Степень достоверности и апробация результатов научных и практических результатов подтверждается использованием корректных математических приемов, сопоставлением аналитических результатов и данных, полученных в ходе численного моделирования и экспериментальных исследований, критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Третий Международный Молодежный Форум «Форум молодых морских лидеров»

(2016 г.); II конференция молодых ученых и специалистов «Инновационные решения на всех этапах жизненного цикла основной продукции военного кораблестроения и гражданского судостроения» (2016 г.); XLV и XLVI научные и учебнометодические конференции Университета ИТМО (2016, 2017 гг.); V и VI Всероссийские конгрессы молодых ученых (2016, 2017 гг.); XVIII, XIX и XX конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (2016, 2017, 2018 гг.);

Юбилейная XXV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (2018 г.) .

Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 работ, из них 1 публикация в издании, рецензируемом Scopus, 3 статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент .

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора, списка использованной литературы, списка сокращений. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, в тексте имеется 71 рисунок, 15 таблиц, список литературы содержит 105 наименований В первой главе рассмотрены основные задачи подводных исследований и показана актуальность разработки датчика индукционного лага для специализированных глубоководных аппаратов. Приведены принципы работы основных типов лагов и их основные характеристики. Выполнен обзор современного состояния разработок индукционных лагов отечественного и зарубежного производства .

Показано, что среди имеющихся приборов не существует образцов, предназначенных для эксплуатации на глубоководных аппаратах. Описаны основные особенности глубоководной аппаратуры и показано, что наряду с традиционными задачами обеспечения функционирования приборов на больших глубинах особую значимость приобретают задачи создания конструкций забортной аппаратуры с необходимой жесткостью и прочностью .

Проведен анализ общей проблематики проектирования датчика индукционного лага для использования в составе глубоководных аппаратов. Выявлено, что проблемы проектирования датчика связаны с принципиальной гетерогенностью конструкции, состоящей из разнородных по составу и физико-техническим характеристикам элементов. В результате анализа определены основные пути повышения прочности конструкции, к которым отнесены: снижение механических напряжений в конструкции путем введения дополнительных элементов; выбор свойств и обеспечение гомогенной структуры компаунда; оптимизация конструктивных параметров и модернизация конструктивных элементов с обеспечением минимума механических напряжений в конструкции .

Во второй главе проведен анализ основных инструментальных погрешностей ДИЛ. Впервые выявлено возникновение дополнительной инструментальной погрешности, возникающей при внешнем ГД и обусловленной конечной жесткостью элементов конструкции. Получены аналитические выражения, позволяющие определить погрешности ДИЛ в условиях вариаций напряженнодеформированного состояния. Установлено, что изменение температуры в пределах допустимых значений, не вносит существенный вклад в изменение погрешности. Знание зависимости инструментальной погрешности ДИЛ от воздействия ГД позволяет выработать поправку к показаниям датчика в зависимости от глубины погружения .

Разработана численная физико-механическая компьютерная модель, позволяющая с использованием методов конечно-элементного анализа (КЭА) проводить определение деформаций и механических напряжений в конструкции. Описаны особенности разработанной модели и проведены расчеты, подтвердившие наличие в конструкции датчика лага ЛЭМ 2-1М зон повышенных напряжений, приводящих к образованию трещин. Исследованная модель взята за основу модернизации конструкции для повышения ее прочности .

Сформулированы новые технические решения по повышению прочности конструкции, которые включают в себя использование внешнего корпуса и применение армирующего элемента (АЭ). Обоснованность предложенных решений подтверждена численным моделированием с использованием методов КЭА. На основе этих решений разработана оригинальная конструкция ДИЛ, новизна которой подтверждена патентом РФ .

Предложена методика проектирования конструкции ДИЛ, включающая анализ инструментальной погрешности и анализ прочности конструкции, что обеспечивает комплексный подход к проектированию прибора. Отмечено, что методика пригодна для построения автоматизированной системы проектирования конструкции ДИЛ и для использования в учебном процессе .

В третьей главе обоснована необходимость проведения оптимизации конструктивных параметров ДИЛ для повышения запаса прочности элементов конструкции. В качестве критерия оптимизации выбрана минимизация механических напряжений, особенно в области наименее прочного элемента гетерогенной структуры – компаунда. Показано, что процесс оптимизации может быть реализован в двух вариантах: полуавтоматическим или автоматическим подбором конструктивных параметров (КП). Проведен сравнительный анализ обоих вариантов .

Проанализировано влияние изменения конструктивных параметров на значение эквивалентных напряжений в конструкции датчика. В качестве основных варьируемых параметров выбраны: марка материала и конфигурация корпуса, геометрические размеры АЭ, параметры и форма канавок внутри полости корпуса. Показано, что оптимизация конструктивных параметров, в том числе и обоснование конфигурации элементов, позволяет снизить внутренние механические напряжения на 43 % .

Проведена оптимизация заливочной полости датчика. Показано, что применение на защитном корпусе канавок значительно увеличивает площадь контакта «корпус–компаунд». Определены области соотношений параметров канавок, при которых возможно образование воздушных пузырей – концентраторов напряжений. Получено оптимальное количество канавок и их параметров по критерию минимизации эквивалентных напряжений в случае работы на срез. Обоснован переход на новый изоляционный заливочный материал .

В конце главы на основе проведенной модернизации обоснована конструкция датчика индукционного лага, способного работать в условиях повышенного гидростатического давления при больших глубинах .

В четвертой главе выполнена практическая отработка технологии заливки изоляционными компаундами различных марок полостей корпуса для обеспечения гомогенности его структуры (без воздушных пор). Верифицирована компьютерная математическая модель заливки, построенная в главе 3. Выбрана марка компаунда, обеспечивающая работоспособность конструкции .

Проведены гидростатические испытания макетов и опытных образцов датчика индукционного лага, в конструкцию которыхо внедрены все предложенные технические решения. Экспериментальные исследования показали, что компьютерная модель ДИЛ адекватно описывает напряженно-деформированное состояние реальной конструкции .

На основе проведенных теоретических исследований разработана и экспериментально обоснована конструкция датчика индукционного лага, выдерживающая давление до 60 МПа .

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДАТЧИКА

ИНДУКЦИОННОГО ЛАГА ДЛЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ АППАРАТОВ

–  –  –

Подводные исследования важны как для отдельных стран, так и для всего человечества в целом. Водная поверхность составляет около 70% от всей поверхности Земли, при этом 77% океанов имеют глубины до 4-5 км, из них около 7% превышают глубины 6 км. Это обуславливает актуальность проведения глубоководных исследований Мирового океана для составления глобальных прогнозов развития Земли и решения локальных теоретических и практических задач .

Основные виды осуществляемых технических и исследовательских работ осуществляемых подводными аппаратами, в том числе АНПА, можно разделить на следующие группы [1, 2, 9, 12, 24, 31, 40]:

I. Общие виды работ:

отработка методов подводного судовождения и проверка точности карт;

установка и обслуживание донных навигационных систем, а так же прочего оборудования, в том числе трубопровод и кабелей, перезарядка подводных источников энергии и т. д.;

испытания аппаратуры различного назначения;

обеспечение водолазных, аварийных, спасательных, подъемных и прочих видов работ .

II. Поиск и разведка промысловых объектов:

запись и анализ звуков, издаваемых промысловыми морскими биологическими объектами, определение их численности, отработка методов подводного поиска по звукам, издаваемым ими в процессе жизнедеятельности и т.д.;

наблюдение за донной флорой и фауной, а также качественным составом планктона;

изучение влияния донного рельефа на уловистость орудий лова и др .

III. Геологические и геофизические исследования:

создание точных батиметрических карт глубоководных районов;

выявление и исследование структурных форм дна, благоприятных для скоплений углеводородов с составлением карт нефтегазоносности;

оценка возможности использования рудных полезных ископаемых;

общие исследования участков дна;

наблюдение за режимом и развитием подводной окраины материка (континентального шельфа), сейсмопрофилирование и др .

IV. Биологические исследования:

районирование подводных участков по донной фауне;

идентификация и изучение миграций морских организмов, наблюдение за структурой, изучение распределения популяций;

взятие проб, поимка живых особей и др .

V. Гидрофизические исследования:

изучение полей температуры, солености, плотности, гидрооптических и звуковых полей в придонных слоях;

измерение уровня радиоактивности в толще и у дна;

изучение проникновения космических частиц;

разведка на дне источников пресных и геотермальных вод и др .

Идеи и проекты создания многофункциональных АНПА для исследования предельных глубин океана неоднократно возникали в течение предшествующих лет и были основаны на опыте создания и практического применения преемственного ряда обзорно-поисковых и исследовательских аппаратов с глубиной погружения до 6000 метров [3, 41, 56, 69, 92] .

Вне зависимости от решаемой задачи подводные аппараты должны обладать навигационными системами, в частности приборами, фиксирующими абсолютную или относительную скорость судна – лагами .

В настоящее время, несмотря на бурное развитие высокоточных навигационных приборов и систем, в особенности спутниковых, использование лагов является обязательным, что регламентировано во многих руководящих документах, в том числе в Российском Морском Регистре Судоходства [68] .

Информация о скорости судна, получаемая от лага, используется для решения навигационных задач счисления пути и обеспечения безопасности плавания .

Основными потребителями информации лагов являются навигационные системы, системы обеспечения швартовки, радиолокаторы, измерители течений, специальные приборы и системы .

Большой спектр задач, решаемых с использованием лагов, а так же выпуск аппаратов различного назначения обуславливает необходимость разработки и создания различных типов и модификаций лагов, работающих на различных физических принципах .

–  –  –

В зависимости от типа измеряемой скорости лаги подразделяются на абсолютные и относительные. Первые определяют скорость судна относительно дна моря. В этом случае опорная система координат жестко связана с Землей. Относительные лаги измеряют скорость относительно воды, при этом опорная система координат связана с водными массами и перемещается вместе с ними под действием течений. В зависимости от реализованного принципа работы относительные лаги измеряют скорость относительно поверхности воды, относительно прилегающих к корпусу судна слоев воды или относительно их удаленных слоев .

Абсолютные лаги, реализуемые различными физическими принципами обработки отраженных сигналов с 70-х годов прошлого столетия стали активно внедряться в мировое судоходство [48]. Наиболее распространенным представителем абсолютных лагов являются гидроакустические доплеровские и корреляционные лаги .

Принцип действия доплеровского лага основан на эффекте Доплера – при движении излучателя, установленного на судне, относительно морского дна, происходит сдвиг частот высокочастотного гидроакустического сигнала, отраженного от поверхности дна. Величина сдвига частот пропорциональна измеряемой скорости. В России работы по созданию гидроакустического лага начались в 1958 году в ЦНИИ «Морфизприбор» (сейчас АО «Концерн «Океанприбор») и к началу 60-х годов первый этап работ был завершен. Испытания макетного образца лага подтвердили его работоспособность и обоснованность выбранных технических решений. Результатом научно исследовательских и конструкторских работ стал первый отечественный гидроакустический доплеровский лаг ЛА-1 [23] .

Современные доплеровские лаги средней точности позволяют определять скорость с погрешностью ± 2 %. Погрешность вычисления пройденного расстояния составляет ± 0,2 %, а угла сноса ± 0,2° [20] .

Принцип действия гидроакустического корреляционного лага заключается в измерении временного сдвига между акустическими сигналами, излученными с движущегося судна, отраженными от морского дна и принятыми на разнесенные антенны. Первый промышленный образец корреляционного лага SAL-ACCOR (Speed Automatic Log-Acoustic Correlation) представлен в 1973 г. шведской фирмой Jungner Instrument [16] .

Корреляционный лаг по сравнению с доплеровским лагом имеет следующие преимущества:

одновременно с измерением скорости измеряется глубина под килем;

на точность измерения не влияет изменение скорости звука;

широкие диаграммы направленности акустических антенн не требуют стабилизации на качке .

В среднем, погрешность измерения скорости корреляционным лагом составляет до ± 0,1 узла, пройденного расстояния до ± 0,2%, глубины под килем до ± 1% [20] .

Следует отметить, что практически все абсолютные лаги, могут использоваться как относительные, измеряющие скорость судна относительно удаленных от корпуса слоев воды. При превышении рабочей глубины лага под килем прибор переходит в режим измерения относительной скорости по сигналам рассеянным в воде. Погрешности, в случае переключения с абсолютного на относительный режим измерения, существенно возрастают [22] .

Относительные лаги, ввиду более простых физических принципов работы, появились значительно раньше абсолютных. Как следствие – часть типов относительных лагов устарело и не обеспечивают уровни точностных характеристик требуемые для решения современных навигационных задач. Например, вертушечные и тахометрические лаги в настоящее время применяются только на малых катерах, моторных лодках или в качестве резервных [22] .

Относительно новый тип лага – радиодоплеровский измеряет скорость судна относительно поверхности воды. Одной из причин создания подобного лага стало распространение не водоизмещающих судов на подводных крыльях, на воздушной подушке, на скегах, экранопланы. Отсутствие контакта с водой не позволяет применять на этих судах рассмотренные выше лаги [60]. Наряду с высокими точностями (лага РДЛ-4 при качке до 5 погрешность измерения скорости составляет 0,3 уз, погрешность пройденного расстояния до 0,3% [7]) датчики способны нормально работать только при наличии ряби, волн или других «шероховатостей»

воды. В противном случае, например при полном штиле, датчик не сможет фиксировать отраженный сигнал [22] .

Одними из наиболее новых и, как следствие, менее распространенных приборов измерения относительной скорости судна являются лазерные лаги [8]. Эти лаги обладают высокой чувствительностью во всем диапазоне скоростей и стабильностью показаний, однако требуют специальных средств для защиты оптических устройств [22] .

Наибольшее распространение среди относительных измерителей скорости, благодаря отработанной конструкции, средней точности и возможности измерять скорость на заднем ходу, получили индукционные лаги (в иностранной литературе более распространено обозначение «электромагнитный»). Индукционные лаги могут быть использованы для различных типов подводных аппаратов, в том числе и АНПА [53] .

1.2.2 Отечественные индукционные лаги

Принцип действия ДИЛ (в литературе часто используется аббревиатура ИППС – индукционный первичный преобразователь скорости) основан на явлении электромагнитной индукции, открытом в 1831 году английским физиком М. Фарадеем. Уже в начале ХХ века были запатентованы первые конструкции ДИЛ [99, 100], позволяющие измерить скорость судна относительно воды на переднем и на заднем ходу. Конструктивная схема ДИЛ практически не изменилась с момента создания первых образцов. Обязательными конструктивными элементами ДИЛ являются блок электроники с катушками индуктивности и электроды, в которых возникает электродвижущая сила (ЭДС) вследствие перемещения забортной воды, являющейся проводником .

На рисунке 1.1 представлена принципиальная схема ДИЛ. В корпус 1 установлена катушка индуктивности 2, создающая магнитное поле B под действием напряжения UВ. При взаимном перемещении датчика относительно проводника (воды) 3 со скоростью V, в последнем возникает ЭДС, фиксируемая электродами

4. В результате, в схему прибора передается напряжение Uп, которое является мерой измеряемой скорости объекта .

Рисунок 1.1 – Принцип работы датчика индукционного лага .

1 – корпус; 2 – катушка; 3 – проводник; 4 – электроды .

При наличии второй катушки индуктивности и дополнительной пары электродов, развернутых на 90 относительно первых в плоскости расположения электродов, ДИЛ способен измерять поперечную составляющую скорости судна, таким образом определять угол дрейфа судна [22]. Такие ДИЛ, имеющие две измерительные оси, называют двухосными .

Современные индукционные лаги предназначены для измерения относительной скорости судна и пройденного им расстояния, а так же используются для дополнительных корректировок навигационных систем [32, 95, 97] .

Наиболее известными отечественными лагами являются ЛЭМ 2-1М (АО «Концерн "ЦНИИ «Электроприбор») [6], ЛИ 2-1 МЭ (ОАО «Штурманские приборы») [25], ИЭЛ-2М и ИЭЛ-3 (АО «Катав-Ивановский приборостроительный завод») [10]. Указанные лаги предназначены для эксплуатации на судах с неограниченным районом плавания, в том числе на судах на подводных крыльях .

Общие виды датчиков лагов ЛЭМ 2-1М, ЛИ 2-1 МЭ и ИЭЛ-3 в различных исполнениях представлены на рисунках 1.2, 1.3 и 1.4 соответственно .

–  –  –

Основные разработки морских приборов, послужившие прототипами современных систем, осуществлялись в СССР и носили в свое время закрытый характер. Это обуславливает ограниченность или полное отсутствие информации, касающейся как ДИЛ, так и других составных единиц выпускаемой продукции [] .

Указанная в открытых источниках информация касается прибора в целом, характеристики датчиков не указываются. Основные технические характеристики указанных отечественных индукционных лагов представлены в таблице 1.1 .

Таблица 1.1 – Основные характеристики отечественных индукционных лагов

–  –  –

Из таблицы 1.1 следует, что отечественные индукционные лаги, выпускаемые различными организациями, обладают сравнимыми техническими характеристиками .

–  –  –

Французская фирма BEN Marine при установке индукционного лага LMN5 предлагает пользователю на выбор 5 датчиков. Основные различия датчиков приведены в таблице 1.3 [87, 88] Таблица 1.3 – Основные характеристики датчиков индукционного лага LMN5

–  –  –

Для датчика 130FIMN рекомендовано применение на подводных аппаратах в условиях внешнего ГД до 60 Бар (около 6 МПа), возникающего на глубине порядка 600 м. Все прочие датчики лага LMN5 способны выполнять свои функции только вблизи поверхности воды .

Внешний вид датчика представлен на рисунке 1.5 .

Рисунок 1.5 – Внешний вид датчика 130FIMN BEN Marine .

Одноосные (с одной осью чувствительности) ДИЛ Walker 4020 Mk2 и Walker 7070 Mk2 разработаны компанией John Lilley & Gillie Ltd. (Великобритания). Walker 4020 Mk2 измеряет скорость судна в диапазоне –20…+60 узлов, имеет среднюю точность определения скорости ± 1% (не менее 0,1 узла) и точность расчета пройденного пути 0,02 %. Walker 7070 Mk2 имеет схожие характеристики и способен фиксировать скорость судна до 80 уз. Оба датчика комплектуются кабелем длиной до 50 м [94] .

Фирма Skipper Electronics (Норвегия), уже больше 30 лет занимающаяся разработкой и производством навигационного оборудования, в настоящее время поставляет индукционные лаги SKIPPER EML124 и SKIPPER EML224, отличающиеся количеством измерительных осей (EML124 имеет одноосный датчик, EML 224 – двухосный). ДИЛ фиксируют скорость судна до 40 узлов, как на переднем, так и на задних ходах, имеют погрешность измерения скорости до 0,2 узлов. Максимальная длина кабеля между датчиком и вычислительным прибором составляет 20 м [102] .

В заключении обзора следует отметить индукционный лаг Agilog 2 Aeronautical & General Instruments Limited (США). Лаг способен измерять относительную скорость воды в пределах – 10...+ 30 узлов (– 10...+ 60 узлов для высокоскоростного исполнения) с погрешностью ± 2 % (но не менее 0,2 узлов). Лаг может устанавливаться на подводные аппараты [85], однако сведения о предельных рабочих глубинах отсутствуют .

Из приведенного обзора следует, что хотя в настоящее время существует ряд компаний по производству индукционных лагов для различных условий эксплуатации, специализированные ДИЛ для исследования глубин более 1 000 м отсутствуют в номенклатуре поставляемых изделий. Использование описанных выше датчиков на больших глубинах без существенной переработки невозможно .

Для разработки глубоководного ДИЛ, способного безотказно работать при глубинах до 6 000 м, необходимы специальные технические решения, рассматриваемые в настоящей работе .

1.3 Особенности конструкций глубоководной аппаратуры

К аппаратуре, используемой в подводной технике, предъявляются особые требования прочности, жесткости и герметичности вследствие воздействия повышенного внешнего ГД. Вопросам проектирования и обеспечения прочности подводных аппаратов посвящена обширная литература [4, 18, 20, 31, 33, 39, 40, 49, 51, 52, 61, 64] .

Герметизация забортных приборов обычно осуществляется с помощью применения эластичных материалов, заполняющих пустоты между герметизируемыми деталями и не допускающих проникновения воды. В настоящее время существуют руководящие стандарты по методам герметизации узлов разнообразной конфигурации, работающих в различных условиях. По этой причине вопросы герметичности приборов в работе не рассматриваются .

Для обеспечения прочности прибора необходимо наличие корпуса, выдерживающего ГД и защищающего аппаратную часть. Форма и толщина стенок корпуса при проектировании рассчитываются и задаются с учетом рабочей глубины погружения и требуемого типа материала. В качестве материала корпуса обычно применяют высокопрочную сталь, титановые и алюминиевые сплавы, однако, для обеспечения необходимых специфических свойств прибора, корпуса могут изготавливаться и из специализированных материалов, например, магнитомягких сплавов или композитов .

Классическими формами корпусов подводных аппаратов являются цилиндрическая, коническая или цилиндроконическая оболочки. Такие формы способствуют симметричному нагружению под действием ГД и повышению прочности конструкции. В работе [11] показано, что светопрозрачные элементы (иллюминаторы) имеют наименее напряженное состояние при угле конусности в диапазоне 75–105 .

Известно применение перспективных корпусов в виде сферических или многосферических оболочек, работающих на сверхбольших глубинах [52], а в работе [18] описывается применение тороидальных корпусов для глубин погружения порядка 3000 м .

Для увеличения прочности забортной аппаратуры иногда используются конструкции, содержащие специальную полость с мембраной. Внутри полости залита компенсационная жидкость, воспринимающая через мембрану внешнее ГД. В этом случае корпус испытывает всестороннее, объемное сжатие, что позволяет перераспределить напряжения в корпусе, уменьшить деформации и увеличить его устойчивость. По такому принципу спроектированы контейнеры для аккумуляторных батарей отечественных глубоководных аппаратов «Русь» и «Консул» [51]. Существенным недостатком подобного способа увеличения прочности аппаратуры является передача внешней нагрузки непосредственно на внутренние элементы прибора, что в ряде случаев недопустимо .

Помимо гидростатического нагружения корпуса, возникающего при подводном плавании, известны гидродинамические нагрузки при слеминге, возникающие в надводном режиме работы аппарата. В зависимости от типа аппарата и условий его эксплуатации к корпусу предъявляются определенные требования .

Для обеспечения условий обитания экипажа и специализированной аппаратуры устанавливаются требования к возникающим ускорениям при гидродинамических нагрузках [64] .

Обеспечение жесткости конструкции при разработке глубоководной аппаратуры обсуждается значительно реже, чем, например, обеспечение устойчивости .

Деформации, обусловленные влиянием ГД, могут быть вызваны зазорами между сопрягаемыми или близко расположенными элементами конструкции, а также специфическими особенностями приборов. При значительных деформациях возможны соприкосновения элементов и, как следствие, нарушение изоляции и электрические пробои, образования концентраторов напряжений, что может приводить к возникновению дополнительной инструментальной погрешности в ДИЛ .

Достижение оптимальных массогабаритных показателей, обеспечение одновременно прочности и жесткости элементов представляют собой важные задачи, требующие решения при проектировании конструкции прибора, работающего в условиях воздействия экстремального ГД. Это обуславливает необходимость поиска новых проектно-конструкторских и научно-технических решений для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик современных приборов при возросших глубинах погружения подводных аппаратов .

1.4 Проблемы проектирования датчика индукционного лага

Расширение областей применения индукционных лагов приводит к необходимости учета ряда существенных факторов, которые следует принимать во внимание при проектировании. Разработка глубоководного ДИЛ наряду с традиционными проблемами обеспечения чувствительности, линейности, динамических погрешностей разрабатываемого прибора выдвигает новые проблемы конструкторско-технологического характера.

Среди направлений решения возникающих проблем можно назвать следующие:

модернизация конструкции;

КЭА и выбор расчетной схемы, адекватно описывающей упругие деформации датчика;

оптимизация параметров конструкции, обеспечивающая требуемые соотношения конструктивных параметров для минимизации механических напряжений;

подбор материалов с необходимыми физическими характеристиками;

поиск способов уменьшения влияния технологических, температурных и иных факторов на прочностные характеристики прибора и др .

В качестве основы для модернизации конструкции выбран датчик лага ЛЭМ2-1М, построенный по принципиальной схеме, указанной на рисунке 1.1 .

В этой конструкции для герметизации блока электроники и электродов, а также для создания электроизоляционного слоя между электродами в ДИЛ, используется специальный заливочный материал (компаунд), образующий внешний корпус датчика (см. рисунок 1.6). Такая конструкция обеспечивает эксплуатацию датчика на глубинах 300-600 м, что соответствует гидростатическому давлению до 6 МПа .

Рисунок 1.6 – Общий вид конструкции датчика ЛЭМ2-1М А – зона образования трещин вблизи блока электроники, Б – зона образования трещин вблизи электродов В процессе испытаний, проведенных с целью проверки возможности применения конструкции на больших глубинах, под действием ГД свыше 10 МПа в датчике обнаруживаются нарушения целостности компаунда – трещины в зонах А и Б (см .

рисунок 1.7), влекущие за собой разгерметизацию датчика и, как следствие, выход его из строя из-за электрического замыкания электродов. Кроме того, при испытаниях выявлено вдавливание электродов, что связано с недостаточной жесткостью конструкции .

Рисунок 1.7 – Образование трещины в электроизоляционном материале и вдавливание электродов Очевидно, что недостаточная прочность конструкции датчика лага ЛЭМ2-1М обуславливает невозможность применения ДИЛ при глубоководных работах .

Одновременно с этим, смещение электродов относительно блока электроники влияет на функционирование прибора, так как приводит к изменению фиксируемой датчиком ЭДС. Вследствие этого, в приборе возникает дополнительная инструментальная погрешность и происходит изменение показаний ДИЛ .

Таким образом, при проектировании ДИЛ, работающего в условиях повышенного ГД, помимо традиционных задач разработки блока электроники, требуется одновременное решение вопросов связанных с обеспечением прочности и жесткости .

Основная проблема проектирования ДИЛ состоит в том, что конструкция описанного датчика представляет собой принципиально гетерогенную структуру, состоящую из разнородных по составу и физико-техническим характеристикам элементов (токопроводящих и электроизоляционных элементов). Такая структурная гетерогенность обуславливает сложность обеспечения прочности и жесткости датчика в требуемых условиях эксплуатации .

Известно, что структурная гетерогенность существенным образом влияет на прочность как твердых тел, так и составных конструкций [14, 50, 54, 58, 67]. Нарушение прочности проявляется в виде трещин компаунда, как элемента обладающего существенно более низкими по сравнению с металлами механическими характеристиками. На основании этого проблемой проектирования является обеспечение прочности гетерогенной структуры «электроды – катушки – компаунд» .

Эта проблематика включает с себя решение следующих задач:

снижение механических напряжений в конструкции путем введения дополнительных элементов;

оптимизация конструктивных параметров и модернизация конструктивных элементов с обеспечением минимума механических напряжений в конструкции;

выбор свойств и обеспечение гомогенной структуры компаунда .

При выполнении первого комплекса задач для снижения механических напряжений в компаунде в ходе выполнения исследований автором предложено использовать металлический немагнитный корпус, охватывающий снаружи массив компаунда в зоне расположения катушек блока электроники. Корпус защищает изоляционный компаунд от механических повреждений и снижает риск отказа датчика. Применение металлического корпуса позволяет снизить напряжения в компаунде в зоне А по внешней границе прибора .

Введение различных АЭ для повышения механических свойств материалов широко используется во многих областях промышленности. Для увеличения прочности датчика необходимо использовать дополнительный АЭ в виде перфорированной немагнитной металлической трубки, расположенной между катушками блока электроники и внешним металлическим корпусом. Вследствие анизотропии свойств существующих компаундов [35, 36, 66, 83], у которых допустимые напряжения при сжатии примерно в 2 раза превышают допустимые напряжения при растяжении, геометрия элементов должна минимизировать зоны растяжения компаунда при его деформациях под давлением. Размещение АЭ, прочность которого не меньше прочности корпуса, способствует перераспределению механических напряжений в датчике и позволяет добиться равномерной нагрузки внутренней структуры компаунда. При повышении внешнего гидростатического давления АЭ приходит в более нагруженное состояние, чем изоляционный компаунд, но из-за высокой прочности не разрушается .

Второй комплекс задач связан с выбором свойств компаунда, удовлетворяющих условиям прочности и позволяющих осуществлять заливку изоляционного материала в достаточно узкие щели конструкции. Механические свойства должны быть таковы, чтобы предел прочности материала при любых видах деформаций (растяжение, сжатие, сдвиг) превышал возможные напряжения в конструкции при гидростатическом давлении. Для реализации конструкции опытного образца глубоководного ДИЛ использовался специализированный композиционный материал [45] на основе эпоксидных смол с наполнителем из молотого кварца, однако, наибольшую перспективу для подобных конструкций имеют современные наноструктурированные композитные материалы, которые позволяют кардинально улучшить физико-механические характеристики компаундов. Разработка подобных наноструктурированных материалов входит в приоритетные направления развития отечественной промышленности [34, 43, 79] .

Физические свойства компаунда должны обеспечивать удовлетворительное смачивание для создания необходимой адгезии с внутренними конструктивными элементами. Получение удовлетворительного смачивания является одним из способов исключения появления дефектов на границе раздела, чтобы прочность соединения «компаунд – корпус» оказалась максимально близкой к теоретической прочности [74]. Очевидно, что прочность соединения «компаунд – корпус» зависит от площади и качества обработки сопрягаемых поверхностей .

Для повышения площади соединения на корпусе следует предусмотреть несколько кольцевых канавок. При отсутствии кольцевых канавок критерием прочности изоляционного материала является величина напряжения на сдвиг. Введение кольцевых канавок изменяет основной тип напряжений, разрушающих изоляционный материал вблизи корпуса на напряжения среза, предельные значения которых больше значений предельных напряжений сдвига .

Нарушение гомогенной структуры изоляционного компаунда возникает вследствие образования пустот (воздушных карманов) при заполнении полостей конструкции. Под воздействием внешнего гидростатического давления наличие воздушных пор, даже микроскопических размеров, приводит к появлению зон концентрации напряжений и вызывает образование микротрещин. Вследствие этого нарушается герметичность и происходит отказ ДИЛ .

Требование к обеспечению гомогенной структуры компаунда вызывает целый ряд как конструктивных, так и технологических сложностей. Конструкция ДИЛ должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить заполнение всех труднодоступных полостей. На этапе проектирования заполнение внутреннего пространства конструкции с отсутствием воздушных карманов (пор) проверяется с использованием специализированных программ конечно-элементного анализа. Технология должна обеспечивать заливку компаунда в вакууме по аналогии с технологией заполнения высокоточных приборов, например, поплавковых гироскопов или прецизионных гравиметров. Известно, что на качество технологического процесса заливки и на повышение механических характеристик гетерогенных структур изделий положительное влияние оказывает использование вибрации при заполнении внутренних полостей. Применение такой технологии позволяет увеличить площадь сопрягающихся поверхностей «корпус – компаунд», уменьшить количество пустот как концентраторов напряжений и, соответственно, повысить прочность прибора [84] .

Последний комплекс задач связан с обоснованным выбором конструктивных параметров, позволяющим минимизировать величину механических напряжений в компаунде. Для обоснованного выбора размеров конструкции должна проводится оптимизация параметров и конфигураций с целью достижения минимальных значений механических напряжений в компаунде. Решение задач оптимизации осуществляется с использованием компьютерного моделирования и программ конечно-элементного анализа, при этом варьирование параметров конструктивных элементов позволяет определить их влияние на величину механических напряжений в конструкции .

Для достижения требуемых показателей прочности необходим тщательный компьютерный анализ составных элементов конструкции и обоснование выработанных решений, что позволяет создать опытные образцы ДИЛ, работоспособные при заданном внешнем ГД .

Выводы по главе 1

1. Рассмотрены основные задачи подводных исследований и показана актуальность разработки датчика индукционного лага для специализированных глубоководных аппаратов .

2. Приведены принципы работы основных типов лагов и их основные характеристики. Выполнен обзор современного состояния разработок индукционных лагов отечественного и зарубежного производства. Показано, что среди имеющихся приборов не существует образцов, предназначенных для эксплуатации на глубоководных аппаратах .

3. Описаны основные особенности глубоководной аппаратуры и показано, что наряду с традиционными задачами обеспечения функционирования приборов на больших глубинах особую значимость приобретают задачи создания конструкций забортной аппаратуры с необходимой жесткостью и прочностью .

4. Проведен анализ общей проблематики проектирования датчика индукционного лага для использования в составе глубоководных аппаратов. Выявлено, что проблемы проектирования датчика связаны с принципиальной гетерогенностью конструкции, состоящей из разнородных по составу и физико-техническим характеристикам элементов. В результате анализа определены основные пути повышения прочности конструкции, к которым отнесены: снижение механических напряжений в конструкции путем введения дополнительных элементов; выбор свойств и обеспечение гомогенной структуры компаунда; оптимизация конструктивных параметров и модернизация конструктивных элементов с обеспечением минимума механических напряжений в конструкции .

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКА ИНДУКЦИОННОГО

ЛАГА

2.1 Погрешности датчика при глубоководных работах Создание датчиков для подводных аппаратов, эксплуатируемых в условиях повышенного ГД, требует обеспечения необходимой жесткости и прочности конструктивных элементов. Вследствие конечной жесткости и прочности конструкции воздействие внешнего давления приводит к появлению определенных деформаций, величина которых пропорциональна величине ГД. Наличие деформаций вызывает относительные перемещения конструктивных элементов из-за различия их физико-механических характеристик (гетерогенности структуры), что приводит к появлению дополнительной инструментальной погрешности. Подобная погрешность прибора не оказывает существенного влияния на показания лага при погружении на небольшие глубины или проведении надводных работ и не учитывалась ранее .

2.1.1 Основные инструментальные погрешности датчика

Инструментальные погрешности датчика можно условно разделить на погрешности, связанные с измерительной схемой и методами оценки получаемой информации, и погрешности, обусловленные влиянием внешней среды [22,71] .

Погрешности измерительной системы ДИЛ связаны с наличием собственной ЭДС электродов, влиянием циркуляционных токов, токов утечки и наводок .

Собственная ЭДС электродов обусловлена их поляризацией, происходящей в результате образования в слое воды электрических зарядов, возникающих под действием электростатических сил. ЭДС поляризации пропорциональна количеству протекающего через электроды электричества и может снизить уровень измеряемого напряжения практически до нуля [22, 47]. Для уменьшения этой ЭДС в ДИЛ обычно используют переменное магнитное поле, а электроды изготавливают из специальных материалов (серебро, платина) .

Циркуляционные токи, возникающие из-за турбулентных вихрей в потоке, обтекающем корпус аппарата, вызывают падение фиксируемой датчиком ЭДС .

Наиболее сильное влияние циркуляционные токи оказывают на датчик, устанавливаемый без клинкета – заподлицо с корпусом судна. Снижение этого влияния осуществляется путем расположения датчика вне зоны с повышенной турбулентностью, а также за счет уменьшения неоднородности магнитного поля [42] .

Погрешность датчика, обусловленная токами утечки в цепи возбуждения магнитного поля и наводками от посторонних электрических и магнитных полей, возникает в результате появления на входе измерительной схемы лага дополнительных сигналов, не связанных с фиксируемой относительной скоростью судна .

Для минимизации этих сигналов в датчике используются кабели с большим сопротивлением изоляции, а в блок электроники вводятся дополнительные экранирующие элементы [22] .

К погрешностям, обусловленным влиянием внешней среды, в том числе и аппарата, на который устанавливается ДИЛ, относятся погрешности, вызванные изменением электропроводности воды, качкой, креном и дифферентом, обрастанием датчика и проч .

Относительная погрешность показаний ДИЛ, вызванная изменением электропроводности воды Vэ, определяется как ri, Vэ 2 ri r где ri – изменение внутреннего электрического сопротивления датчика ri, при изменении электропроводности воды, Ом;

r – входное электрическое сопротивление лага, Ом .

В современных датчиках, имеющих значительное входное электрическое сопротивление (r ri), погрешность, вызванная изменением электропроводности в диапазоне от 2 до 35 %, достаточно мала, что соответствует реальным условиям эксплуатации .

Погрешности измерений скорости при качке и дифференте высчитываются конкретно для каждого аппарата в зависимости от его режимов эксплуатации .

Погрешности измерения скорости при обрастании датчика обусловлены изменением характера обтекания потока воды. Ориентировочные расчеты [22] показывают, что погрешности лага за год работы могут достигать 2,5 % .

Указанные погрешности активно исследовались учеными и инженерами и уже к 80-м годам прошлого столетия были выведены поправочные коэффициенты и разработаны методики для увеличения точности индукционного лага. Однако расширение сфер использования индукционных лагов, в частности применение датчиков на аппаратах, работающих на сверхбольших глубинах, требует расширения имеющихся методик и учета новых факторов .

2.1.2 Влияние гидростатического давления на погрешность датчика

При эксплуатации датчика под действием внешнего ГД и при температурных перепадах происходят деформации элементов конструкции, которые изменяют их начальное положение. Вследствие относительного смещения конструктивных элементов, в частности электродов, меняются электромагнитные характеристики ДИЛ, вызывающие изменения показаний. Относительные смещения элементов связаны с конечной жесткостью конструкции и вызывают дополнительную инструментальную погрешность датчика [А11] .

В первом приближении, соотношение между ЭДС (е), фиксируемой датчиком, магнитной индукцией (B), скоростью воды (V) и расстоянием между электродами (L) записывается в виде [22] е B L V. (2.1)

–  –  –

где – магнитная проницаемость среды, Гн/м;

0 – магнитная постоянная, Гн/м;

I – ток в катушке, А;

n – число витков в катушке, шт.;

z – расстояние между электродами и катушкой, м;

R – средний радиус катушки индуктивности, м .

–  –  –

Из выражений (2.1) и (2.2) получим фиксируемую датчиком скорость V0 для недеформированной конструкции при плавании вблизи поверхности воды (при отсутствии ГД)

–  –  –

где P – гидростатическое давление, Па;

l1 – высота электрода, м;

l2 – высота слоя компаунда под электродом, м;

E1 – модуль Юнга материала электрода, Па;

E2 – модуль Юнга компаунда, Па .

–  –  –

Рисунок 2.3 – Зависимость относительной погрешности ДИЛ от параметров конструкции На рисунке 2 .

3 показано, что относительная инструментальная погрешность датчика, вызванная воздействием внешнего ГД, более чувствительна к изменению параметра m, характеризующего толщину изоляционного компаунда, и при определенном соотношении КП составляет величину 3 % .

В технических характеристиках электромагнитного лага ЛЭМ 2-1М указана инструментальная погрешность измерения скорости 0,1 уз в интервале скоростей от – 6 до 50 уз [5]. Например, при скорости 5 уз погрешность 0,1 уз приводит к относительной погрешности 2 %. Как показано численным моделированием и с использованием аналитических выражений, дополнительная погрешность датчика, вызванная внешним гидростатическим давлением, сравнима с его инструментальной погрешностью. При больших скоростях движения погрешность датчика, вызванная деформацией зоны расположения контактов, могла бы стать превалирующей. Однако, ожидать, что глубоководные аппараты движутся с большой скоростью при высоком внешнем давлении довольно нереально .

Знание зависимости инструментальной погрешности ДИЛ от воздействия ГД позволяет выработать поправку к показаниям датчика в зависимости от глубины погружения .

2.1.3 Оценка влияния температуры

Помимо деформаций, обусловленных механическим воздействием ГД, конструкция подвержена изменению размеров под действием изменения температуры окружающей среды. В этом случае перемещение электродов z складывается из механических и температурных деформаций, величину которых можно определить как z t 1l1 2l2 t t0, (2.11) где 1 – температурный коэффициент линейного расширения материала электрода, К-1;

2 – температурный коэффициент линейного расширения компаунда, К-1;

t0 – нормальная температура, К;

t – текущая температура, К .

–  –  –

Параметры 1 и 2 для материалов, используемых в конструкции, имеют порядок 10-5 и ниже. Параметры n и m в реальных конструкциях не превосходят

10. При этих значениях 1, 2,n и m параметр F не превышает значения 10-4. Это дает право рассматривать параметр F как малый. Разложив в ряд Маклорена выражение (2.15) по параметру F, ограничившись первым порядком малости, получим:

D. (2.16) 1 3F t 2 D 1 При реальных значениях параметров n, m, k и t величина параметра ограничена сверху значением 0,9. Из этого следует, что относительная погрешность датчика, учитывающая только механические деформации, отличается от относительной погрешности, учитывающей дополнительно температурные деформации, не более чем на 10 %. Это свидетельствует о малости влияния температурных деформаций в реальных конструкциях на погрешности датчика .

2.2 Моделирование конструкции датчика индукционного лага 2.2.1 Принципы построения численной математической модели Современные методы проектирования невозможно представить без использования компьютерных моделей и методов их КЭА. Компьютерные модели согласно нормативным документам [28] классифицируют по различным признакам .

По исследуемому аспекту моделирования модели разделяют на функциональные, структурные, геометрические, физико-механические, физико-химические, технико-экономические и процессные. Для анализа напряженно-деформированного состояния различных конструкций используют физико-механические компьютерные модели, аспектом моделирования в которых являются физико-механические свойства изделия и взаимодействие изделия с внешней средой. Использование компьютерных моделей в процессе проектирования позволяет эффективно и быстро найти требуемое техническое решение, избегая дорогостоящих и длительных процедур натурного моделирования, изготовления и испытаний макетов .

По способу описания объекта моделирования различают математические и информационные модели. К численным математическим моделям относят модели, для анализа поведения которых используют методы вычислительной математики и, в частности, метод конечных элементов. Метод конечных элементов широко используется для решения задач механики деформируемого твердого тела и позволяет проводить КЭА различных конструкций. Достоинствами метода КЭА являются универсальность, многодисциплинарность (проведение комбинированных видов анализа), эффективность, точность и наглядность результатов .

Сущность метода конечных элементов состоит в аппроксимации исследуемого тела некоторой моделью, представляющей собой совокупность элементов типовой формы первого или второго порядка с заданным числом степеней свободы. Такая аппроксимация позволяет заменить решение дифференциальных уравнений в частных производных на решение системы алгебраических уравнения первого или второго порядка в зависимости от типа используемых элементов [80] .

Для проведения анализа конструкции и поиска оптимальных решений разработана компьютерная физико-механическая модель, состоящая геометрической модели датчика и сетки конечных элементов. В построенную модель внесены физико-механические свойства используемых в конструкции ДИЛ материалов и введены граничные условия .

Численная математическая модель ДИЛ построена в программе CREO Elements/PRO (новое наименование PRO/Engineer), анализ модели выполнялся методом КЭА в пакете прикладных программ ANSYS с использованием модуля ANSYS Mechanical [86] .

2.2.2 Основные особенности модели

Для введения граничных условий и последующей оценки напряженнодеформированного состояния ДИЛ в специализированной CAD системе CREO Elements/PRO построена геометрическая компьютерная модель, которая в дальнейшем использовалась в программе КЭА в модулях разбиения на конченые элементы. Геометрическая модель содержит все размеры элементов конструкции и повторяет их форму .

В большинстве расчетных задач для оценки прочности и жесткости отсутствует необходимость учета всех элементов конструкции или их конфигурации .

Наличие в расчетной модели крепежных элементов, фасок, скруглений, зазоров между сопрягаемыми деталями значительно увеличивают ресурсоемкость решения, при этом практически не влияет на точность решения. В связи с этим геометрическую компьютерную модель для расчетов целесообразно выполнять упрощенно .

В построенной геометрической модели приняты следующие упрощения:

не учтены технологические погрешности, отклонения размеров и формы, а так же дефекты поверхностей допускаемые руководящими стандартами;

не учтены скругления, фаски, крепёжные элементы и отверстия под них;

зазоры между сопрягаемыми элементами отсутствуют .

Упрощенная геометрическая модель датчика лага ЛЭМ 2-1М выполнена в программе трехмерного моделирования CREO Elements/PRO и представлена на рисунке 2.4 .

Модель показана в изометрии, для лучшего понимания внутренней компоновки на изображении удалена четверть конструкции .

Рисунок 2.4 – Упрощенная геометрическая модель датчика

На следующем этапе для решения задач КЭА описанная упрощенная геометрическая модель ДИЛ подвергается разбиению на конечные элементы, подробное описание которых представлено в работе [17]. Полученная в ходе разбиения конечно-элементная модель (сетка), является математическим представлением геометрической модели. Для создания сетки ДИЛ использованы встроенные системы программы ANSYS .

Количество конечных элементов в модели составило 1 039 101 шт, количество узлов – 4 000 539 шт. В ходе разбиения форма отдельных элементов искажается, поэтому выбор размеров конечных элементов влияет на точность расчетов .

В связи с этим, вблизи критических областей произведена трансформация сетки и ее измельчение. Для уменьшения требуемых вычислительных ресурсов, задача решалась в симметричной постановке (симметрия вдоль продольной плоскости) .

Построенная сетка [А2] представлена на рисунке 2.5 .

Рисунок 2.5 – Конечно-элементная модель датчика

Использована гексагональная сетка, позволяющая добиться увеличения сходимости расчета. Дополнительное уточнение расчета осуществлялось за счет разбивки конечных элементов на дополнительные узлы в центре их ребер [27, 81, 104]. Различия разбивки конечных элементов изображены на рисунке 2.6 .

–  –  –

где – параметр, зависящий от типа конечного элемента;

v – объем конечного элемента;

a – длина стороны ребра конечного элемента .

Значения параметра K близкие к единице свидетельствуют о форме конечных элементов, близких к правильной фигуре, что повышает точность расчета .

Использование сетки с большим количеством элементов и с низким параметром качества К при расчетах не рекомендуется, т.к. это вносит дополнительную погрешность при расчетах. Дальнейшее измельчение сетки не ведет к существенному повышению точности расчетов, при этом сильно увеличивает ресурсоемкость задачи .

Сводная характеристика качества элементов сетки представлена на рисунке 2.7 .

Рисунок 2.7 – Количество конечных элементов в сетке в зависимости от их качества .

В ходе расчетов нагрузка задавалась по всем наружным поверхностям. Моделирование внешнего ГД на конструкцию ДИЛ проводится при следующих граничных условиях:

1. На все внешние поверхности датчика, кроме поверхностей Г (см. рисунок. 2.8), воздействует ГД величиной 60 МПа, соответствующая глубине погружения аппарата 6 000 м .

2. Поверхности Г ненагружены. Все узлы, находящиеся на указанных поверхностях зафиксированы по всем шести степеням свободы (три поступательных и три вращательных) .

3. Все детали между собой «склеены», разрыв связей между узлами различных деталей невозможен. Деформирование контактирующих поверхностей элементов конструкции происходит совместно .

4. Задача решается в симметричной постановке. В качестве плоскости симметрии выбрана плоскость Д (см рисунок 2.8) .

5. Температура конструкции по всему объему конструкции постоянна и равна значению нормальной температуры окружающей среды .

–  –  –

В силу статического характера нагрузки конструкции ДИЛ расчет проведен в модуле Static Structural Analysis [А6, А7]. Внешнее ГД моделируется давлением в виде равномерно распределенной нагрузки, действующей на все поверхности ДИЛ, кроме плоскости закрепления. Величина давления при моделировании составляла 60 МПа .

В результате моделирования определялись деформации и напряжения во всем объеме конструкции ДИЛ. Значения напряжений определялись графически с использованием имеющейся в программе цветовой палитры и с помощью встроенных программных средств, показывающих во всем исследуемом объеме расположение точек, в которых значения напряжений достигают определенных значений, в соответствии с цветовой палитрой, указываемой на рисунках. В ходе расчетов определялись эквивалентные механические напряжения (напряжения по Мизесу) .

2.2.3 Физико-механические характеристики материалов

Одной из основных проблем проектирования ДИЛ является гетерогенность структуры, связанная с наличием в его конструкции ряда разнородных по своим физико-механическим характеристикам материалов. Задание адекватных характеристик используемых в конструкции материалов является важным фактором выполнения качественного моделирования .

В расчетах на прочность в качестве критерия прочности использовался предел прочности при растяжении материалов. В датчике для основных конструктивных элементов использованы следующие материалы (см. рисунок 1.6):

серебро Ср 99,99 для электродов;

титановый сплав ВТ1-0 для корпусных деталей;

компаунд УП-5-105/1А в качестве изоляционного материала;

сплав 36КНМ для элементов, удерживающих катушки индуктивности в блоке электроники;

медный сплав М3 для проводов катушек индуктивности в блоке электроники .

Физические и механические характеристики материалов [46, 63] задавались непосредственно в трехмерных моделях деталей, для проведения расчетов прочности все характеристики материалов приняты изотропными .

Значения физико-механических характеристик используемых в конструкции материалов представлены в таблице 2.2. Для компаунда УП-5-105/1А отсутствует информация о модуле упругости и коэффициенте Пуассона (параметры, необходимые для статического анализа), значения параметров приняты равными значениям эпоксидной смолы – основного элемента компаунда [46] .

Таблица 2.2 – Основные характеристики применяемых материалов

–  –  –

Следует отметить, что поскольку компаунд – композитный материал, получаемый путем смешивания различных материалов и обладающий определенной анизотропией, его анализ как обычного изотропного конструкционного материала, например титана, вносит дополнительную погрешность при расчетах МКЭ .

Для повышения точности расчетов необходимо подключение дополнительных пакетов, таких как ANSYS Composite. Однако, целью выполненного КЭА конструкции ДИЛ является не вычисление точных значений эквивалентных напряжений, а определение критических мест и проверка технических решений по повышению прочности, на этом основании при расчетах принято допущение об изотропности компаунда .

2.2.4 Результаты конечно-элементного анализа

Эквивалентные напряжения в компаунде, полученные в результаты моделирования конструкции ДИЛ под действием внешнего ГД, представлены на рисунке 2.9. Распределение деформаций показано на рисунке 2.10. Здесь и далее на цветовой палитре показан только изоляционный компаунд как наименее прочный материал, применяемый в датчике и в наибольшей степени определяющий прочность изделия в целом. Электроды, блок электроники и прочие элементы не показаны .

На наружной поверхности ДИЛ наибольшие напряжения возникают в области электродов и вблизи блока электроники, что соответствует реальным областям образования трещин (см. рисунок 1.7). Напряжения во внутренних поверхностях компаунда достигают максимальных значений 106 МПа в углах сопряжения с элементами блока электроники, что свидетельствует о наличии концентраторов напряжений. Полученные расчетные значения превышают допустимые значения предела прочности компаунда более, чем в два раза. Внешняя цилиндрическая поверхность практически не нагружена. Зоны повышенных деформаций компаунда на наружной поверхности сосредоточены в центре. Вблизи блока электроники деформации компаунда минимальны и составляют величину около 0,1 мм .

–  –  –

Сравнивая полученные расчетные значения с заданными характеристиками материалов можно констатировать, что неравномерность распределения напряжений, а также наличие зон с концентраторами напряжений, обуславливают недостаточную прочность конструкции ДИЛ. Полученные результаты подтверждают превышение допустимых значений напряжений в конструкции, приводящее к разрушению и образованию трещин, и обуславливают необходимость модернизации конструкции ДИЛ с целью его применения на глубоководных аппаратах .

2.3 Пути повышения прочности

Как было указано в главе 1, основной проблемой проектирования ДИЛ для работы на сверхбольших глубинах является обеспечение прочности гетерогенной структуры конструкции.

Проблематика создания глубоководного ДИЛ включает в себя решение следующих задач:

1. Снижение механических напряжений в конструкции путем введения дополнительных элементов .

2. Оптимизация конструктивных параметров и модернизация конструктивных элементов с обеспечением минимума механических напряжений в конструкции .

3. Выбор свойств и обеспечение гомогенной структуры компаунда

2.3.1 Модернизация и введение дополнительных элементов

Для решения задачи снижения механических напряжений в компаунде автором предложено использовать корпус, охватывающий снаружи массив компаунда в зоне блока электроники. Корпус защищает изоляционный материал от механических повреждений при ударах или значительных статических нагрузках, способных вызвать разрушение материала и появление трещин, тем самым снижает риск разгерметизации и отказа датчика .

Наряду обеспечением с требуемых механических характеристик, обязательным условием для материала корпуса является отсутствие возмущающих магнитных эффектов, вызывающих дополнительные погрешности датчика. Применение корпуса позволяет перераспределить возникающие напряжения в приборе. Часть нагрузки снимается с компаунда и воспринимается корпусом. В этом случае максимальные напряжения в компаунде, очевидно, уменьшаются .

Недостатком применения корпуса являются необходимость обеспечения заполнения внутренней полости датчика жидким компаундом при гарантированном отсутствии любых пустот, учета разности тепловых деформаций корпуса и компаунда, обеспечения прочности стыка корпус–компаунд .

Проблемы заполнения компаундом и возможности образования пустот могут быть решены применением специальных шкафов для литья в вакууме и применением материалов с большой смачиваемостью. Тепловые деформации могут быть снижены подбором материалов, а также введением специальных полостей для компенсации возникающих механических напряжений. Для увеличения прочности соединения «корпус-компаунд» на внутренней цилиндрической поверхности корпуса предлагается нанести канавки. В этом случае корпус и компаунд соединены, помимо адгезионной связи, механически .

На рисунке 2.11 изображено сечение ДИЛ с корпусом. Технологические отверстия на цилиндрической поверхности корпуса нанесены с целью уменьшения вероятности возникновения пустот в корпусе и облегчают выход воздуха при вакуумировании датчика .

–  –  –

Распределения напряжений и деформаций в компаунде ДИЛ с примененным корпусом изображено на рисунках 2.11 и 2.13 соответственно .

Рисунок 2.12 – Распределение напряжений в компаунде датчика с корпусом Рисунок 2 .

13 – Распределение деформаций в компаунде датчика с корпусом Применение корпуса позволило существенно (более чем в два раза) снизить максимальные эквивалентные механические напряжения в компаунде на поверхности датчика с электродами (далее – торцевая поверхность). Кольцевая зона с локальным максимумом напряжений смещается от центра датчика к его наружной поверхности. Над блоком электроники образовывается зона с пониженными напряжениями. Максимальные значения напряжений (88 МПа) на внутренних поверхностях вызваны наличием концентраторов напряжений. Этим же обусловлены зоны с повышенными напряжениями (около 54 МПа) вблизи электродов. Полученные результаты свидетельствуют, что применение корпуса позволяет снизить максимальные эквивалентные механические напряжения в компаунде на 16 % .

Максимальные деформации в компаунде незначительно увеличиваются (до 9 %), однако, существенно изменяется их характер распределения. Применение корпуса обуславливает смещение наибольших деформаций на торцевую поверхность. Это, наряду с неравномерностью распределения напряжений, не позволяет обеспечить требуемую прочность конструкции и для дополнительного упрочнения автором предложено использовать АЭ, расположенный в полости компаунда .

Введение различных АЭ различных типов для повышения механических свойств материалов широко используется во многих областях промышленности [91, 96]. Для повышения прочности датчика предлагается использовать АЭ в виде перфорированной трубы (см. рисунок 2.14) .

Рисунок 2.14 – Общий вид армирующего элемента

Размещение АЭ, прочность которого не меньше прочности корпуса, способствует перераспределению механических напряжений в ДИЛ и позволяет добиться равномерной нагрузки внутренней структуры компаунда. При повышении внешнего ГД АЭ приходит в более нагруженное состояние, чем изоляционный компаунд, но из-за высокой прочности не разрушается. Наличие отверстий на цилиндрической поверхности АЭ необходимо для улучшения заполнения компаундом, а так же для введения механической и адгезионной связей .

Очевидно, что АЭ не должен вызвать отрицательного воздействия на работу блока электроники, поэтому АЭ следует изготавливать из немагнитного материала. На рисунке 2.15 изображено сечение ДИЛ с корпусом и АЭ. На поверхности АЭ имеются отверстия, а на внутренней цилиндрической поверхности корпуса размещен ряд канавок .

Рисунок 2.15 – Датчик индукционного лага с корпусом и армирующим элементом Распределения напряжений и деформаций в компаунде ДИЛ с примененным корпусом и АЭ изображено на рисунках 2 .

16 и 2.17 соответственно [А2] .

–  –  –

Как следует из анализа полученных результатов, применение АЭ в конструкции ДИЛ снижает максимальные эквивалентные напряжения в компаунде на 25 %. На торцевой поверхности ДИЛ зоны с пониженными напряжениями уменьшаются. В этом случае торцевая поверхность, непосредственно контактирующая с забортной водой, переходит в более равномерно нагруженное состояние. Напряжения на внутренних поверхностях уменьшаются до 66 МПа. Вблизи АЭ напряжения компаунда незначительно увеличиваются (на 12 %). Максимальные деформации уменьшаются и возвращаются к значениям деформаций полученных при моделировании немодернизированного ДИЛ. В зонах рядом с электродами образуются зоны с пониженными деформациями. Области с повышенными деформациями заметно уменьшаются .

Таким образом, одновременное применение корпуса и АЭ позволило снизить максимальные напряжения на 37 %. Описанная конструкция ДИЛ обладает существенной новизной и защищена патентом РФ [А5] .

Одной из критических зон образования трещин является зона вокруг электродов (см. рисунок 1.7). Для уменьшения механических напряжений в компаунде необходима модернизация конфигурации электродов .

В силу разномодульной природы компаунда [46] (допустимые напряжения при сжатии превышают допустимые напряжения при растяжении) геометрия элементов должна минимизировать зоны растяжения компаунда при его деформациях под давлением. В первую очередь это необходимо в зоне электродов, взаимодействующих с забортной водой и воспринимающих гидростатическое давление .

Электроды типа а) (см рисунок 2.18), используемые в датчике ранее, не обеспечивают герметичное соединение «электрод-компаунд» при повышенных давлениях в связи с большой зоной растяжения на конусной части электрода .

–  –  –

Наличие канавки на электроде типа б) позволяет увеличить площадь контакта соединения «электрод–компаунд» и повысить запас прочности компаунда вблизи поверхности электрода. Геометрия электрода по типу в), благодаря отсутствию острых кромок, позволяет добиться более равномерного напряженного состояния компаунда вблизи электродов. Результаты моделирования показаны на рисунке 2.19

–  –  –

Рисунок 2.19 – Изменение напряжений в зоне электродов различной формы Помимо оптимизации формы электродов, необходимо уменьшить концентраторы напряжений компаунда вблизи блока электроники, где возникают механические напряжения, приводящие к образованию трещин .

Для этого следует устранить острые углы и кромки, максимально возможно увеличить радиусы скругления. Помимо устранений концентраторов напряжения в деталях и в компаунде, это поможет уменьшить пустоты, образующиеся при заливке компаунда .

2.3.2 Оптимизация конструктивных параметров

Второй комплекс задач, нацеленных на повышение прочности конструкции, связан с обоснованным выбором КП, позволяющим минимизировать величину механических напряжений в компаунде. Для обоснованного выбора размеров конструкции проводится оптимизация параметров и конфигураций с целью достижения выбранного критерия – минимизация значений механических напряжений в компаунде и в конструкции в целом .

Решение задач оптимизации осуществлялось с использованием компьютерного моделирования и программ КЭА.

Анализу подвергались такие параметры конструктивных элементов, как:

конфигурация корпуса, его материал и размеры;

геометрические параметры АЭ (радиус и толщина) и отверстия (размер, количество и расположение), наносимые на его цилиндрическую поверхность;

толщина слоя компаунда над АЭ (зазор между АЭ и торцевой поверхностью датчика, на которой расположены рабочие поверхности электроды) .

Вследствие анизотропии свойств существующих компаундов геометрия элементов должна минимизировать зоны растяжения компаунда при его деформациях под давлением. В первую очередь это необходимо в зоне над блоком электроники и у электродов, взаимодействующих с забортной водой и воспринимающих ГД. Помимо оптимизации формы электродов необходимо уменьшить концентраторы напряжений компаунда вблизи блока электроники, где возникают механические напряжения, приводящие к образованию трещин. Для этого следует устранить острые углы и кромки, максимально возможно увеличить радиусы скругления, что наряду с устранением концентраторов напряжения в элементах конструкции датчика, также поможет уменьшить вероятность образования пустот и незаполненных компаундом областей, образующихся при заливке. Решение задач оптимизации КП приведено в главе 3 .

2.3.3 Выбор свойств компаунда

Последний комплекс задач связан с выбором свойств компаунда, удовлетворяющих условиям прочности и позволяющих осуществлять заливку изоляционного материала в достаточно узкие щели конструкции. Механические свойства должны быть таковы, чтобы предел прочности материала при любых видах деформаций (растяжение, сжатие, сдвиг, срез и проч.) превышал возможные напряжения в конструкции при воздействии ГД. Введение дополнительных элементов в конструкцию датчика обуславливает применение новых требований к заливочному изоляционному материалу .

В качестве изоляционных материалов для ДИЛ возможно применение современных композитных и наноструктурированных материалов, активно использующихся в судостроении [29, 62, 72, 77, 82,]. Очевидно, что применяемый материал не должен вызывать возмущающих магнитных эффектов, вызывающих дополнительные погрешности датчика. Наряду с этим, выбор изоляционного материала для ДИЛ должен быть обусловлен решением ряда проблем конструкторскотехнологического характера .

Технология изготовления датчика предусматривает заливку жидкого изоляционного материала для дальнейшего обволакивания им блока электроники и электродов, выбранный материал должен обладать необходимой вязкостью. Обязательным требованием для изоляционного материала является наличие максимальной смачиваемости контактирующих с ним элементов (корпус, АЭ, электроды и проч.), что позволит минимизировать возможность образование пустот и незаполненных зон, являющихся потенциальными концентраторами напряжения .

Высокие значения усадки при застывании, обуславливают наличие больших остаточных напряжений в конструкции, при которых возможно нарушение целостности изоляционного материала или поломка блока электроники уже на стадии изготовления датчика .

Для нормального функционирования ДИЛ не допускается засорение торцевой поверхности, на которой находятся электроды, тиной, планктоном и прочими организмами, которые активно обрастают на забортных приборах и корпусах аппаратов [38]. В связи с этим изоляционный материал не должен содержать в своем составе биологических добавок. Недостаточная адгезия изоляционного материала к элементам ДИЛ может привести к отслаиванию и к разгерметизации датчика .

Наконец изоляционные свойства материала не должны ухудшаться со временем, под действием температурных факторов или в связи с постоянным нахождением датчика в воде. Приведенный список требований к изоляционном материалу не является полным .

Исходя из этого, подбор и обоснование выбора нового изоляционного материала для ДИЛ является существенной проблемой, выходящей за рамки данной работы. В связи с этим, поиск изоляционного материала для ДИЛ ограничен номенклатурой отечественных эпоксидных компаундов, применяемых в датчиках ЛЭМ 2-1М .

Физическо-механические свойства компаунда должны обеспечивать удовлетворительное смачивание для создания необходимой адгезии с внутренними конструктивными элементами. Получение удовлетворительного смачивания является одним из способов исключения появления дефектов на границе раздела, чтобы прочность соединения «компаунд – корпус» оказалась максимально близкой к теоретической прочности [74]. Очевидно, что прочность соединения «компаунд – корпус» зависит от площади и качества обработки сопрягаемых поверхностей .

Перед заливкой компаунда рекомендуется [46] шкурить и пескоструить поверхности для повышения шероховатости и неровностей, что увеличивает площадь соприкосновения материалов. Вследствие неизбежного образования пустот (воздушных карманов), заполнение компаундом следует производить в вакууме, однако, из-за неабсолютной смачиваемости корпуса и снижения текучести компаунда при заливке возможно сохранение отдельных незаполненных объемов, которые представляют собой зоны концентрации напряжений .

Одним из критических свойств изоляционного материала, для прочности соединения «корпус-компаунд», является его усадка при затвердевании. В случае больших деформаций, обусловленных полимеризацией, в конструкции возникают зоны отслаивания компаунда на стадии изготовления, без воздействия внешнего ГД. Если невозможно подобрать материал с допустимой усадкой, требуется уменьшение толщин компаунда для минимизации абсолютных значений линейных деформаций. Альтернативным способом уменьшения вероятности трещинообразования в компаунде, обладающего высокой усадкой, является применение изоляционных материалов с малыми значениями модуля Юнга. В этом случае в компаунде образовываются впадины, которые требуется устранить дополнительной заливкой для обеспечения плоскостности поверхностей, что допустимо в соответствии с нормативными документами .

–  –  –

2.4.1 Общие принципы построения методики проектирования Процесс проектирования имеет своей целью создание конструкции, удовлетворяющей нескольких, зачастую противоречащим критериям. К таким критериям можно отнести достижение минимума погрешности ДИЛ как измерительного прибора и обеспечение его прочности в различных условиях эксплуатации. Для удовлетворения этих критериев необходимо решать задачи проектирования комплексно, учитывая взаимовлияние изменения КП на оба критерия .

Выше показано, что воздействии внешнего ГД возникают деформации конструкции ДИЛ, вследствие чего появляется дополнительная инструментальная погрешность датчика. Установлено, что на величину указанной погрешности напрямую влияют КП, которые также влияют и на прочность конструкции. Поэтому при проектировании конструкции ДИЛ необходимо одновременно оценивать изменение инструментальной погрешности и изменение прочности .

На основании этого предлагаемая автором методика проектирования содержит четыре основных модуля:

1. Модуль исходных данных В этом модуле сформулированы исходные данные для проектирования ДИЛ, такие как габаритные размеры, максимально возможные рабочие глубины погружения и допустимая инструментальная погрешность датчика. Указанные данные являются ограничениями выходных характеристик прибора во всем диапазоне условий эксплуатации .

2. Модуль оценки инструментальной погрешности .

В этом модуле, исходя из режимов эксплуатации ДИЛ, определяются варианты соотношений КП, обеспечивающих изменение инструментальной погрешности в допустимых пределах. Определяется первоначальная компоновка конструкции и оценивается жесткость ее элементов. Оценка инструментальной погрешности производится либо аналитически с использованием выражений приведенных в разделе 2.1.2, либо с использованием методов КЭА или специализированных программ .

3. Модуль оценки прочности .

В этом модуле на основе предварительной компоновки конструкции, сформированной в предыдущем модуле, проводится всесторонний КЭА на основе численной физико-механической компьютерной модели с целью определения напряженно-деформированного состояния и выявления критических механических напряжений, способных вызвать разрушение элементов и потерю работоспособности изделия .

Процесс проектирования проводится итерационно и после модификации конструкции с целью достижения требуемой прочности необходима повторная проверка жесткости элементов и оценка инструментальной погрешности. Компоновка элементов и создание численных математических моделей для прочностных расчетов обычно занимает преобладающую часть временных затрат на проектирование. Во избежание временных потерь рекомендуется вначале проводить подбор КП, обеспечивающих минимизацию инструментальной погрешности в допустимых пределах. Это позволит проводить компоновку элементов с уже известными ограничениями соотношений КП .

4. Модуль оптимизации конструктивных параметров .

В этом модуле варьируются различные КП для достижения критерия минимальных механических напряжений в конструктивных элементах, особенно в области компаунда. Следует отметить, что вариации КП в основном затрагивают задачи оценки прочности и незначительно влияют на оценку инструментальной погрешности, но в случае кардинальных изменений необходимо процедуру проектирования и оценки параметров выполнять с использованием всех модулей .

Обобщенная блок-схема алгоритма проектирования ДИЛ представлена на рисунке 2.20 .

Рисунок 2.20 – Обобщенный алгоритм проектирования глубоководного датчика индукционного лага Итерационный процесс проектирования ДИЛ включает в себя следующие этапы (см .

рисунок 2.21):

1. На основе принципа действия и исходных данных осуществляется предварительная компоновка конструкции и определяются основные, наиболее значимые КП, влияющие на исследуемые погрешности .

2. С использованием аналитических выражений или методами КЭА с использованием численной физико-механической компьютерной модели определяются деформации конструкции и соответствующие им изменения показаний ДИЛ как измерительного прибора .

3. Осуществляется сравнение полученной величины инструментальной погрешности с допустимой погрешностью прибора. При положительном результате, когда полученная погрешность меньше допустимой, переходят к следующему этапу – оценке прочности конструкции. При отрицательном результате изменяются значения КП и расчет инструментальной погрешности повторяется .

4. Выполняется оценочный расчет прочности с использованием двумерной компьютерной модели, что позволяет оперативно проверить правильность выбранных конструктивных решений. Использование двумерной модели позволяет значительно сократить время вычислений требуемых характеристик .

5. В случае положительного результата расчета двумерной модели методами КЭА выполняется полноразмерный расчет напряженно-деформированного состояния конструкции с использованием численной физико-механической компьютерной 3D модели. Определяются зоны опасных напряжений, величина которых превышает допустимые пределы. По результатам расчетов принимается решение о дальнейшей модернизации конструкции или соответствии результатов проектным требованиям .

6. При необходимости для достижения наилучших результатов при принятой компоновке выполняется оптимизация КП. В качестве критерия оптимизации выбирается величина минимальных значений механических напряжений в области компаунда .

Рисунок 2.21 – Полный алгоритм проектирования глубоководного датчика индукционного лага Использование предлагаемой методики позволяет комплексно оценивать инструментальную погрешность и прочность датчика при внешнем гидростатическом давлении .

Это является залогом создания работоспособной конструкции .

–  –  –

Требуемые соотношения КП зависят от условий эксплуатации прибора и описываются выражением (2.21). После определения значений параметров конструкции производится проверка оценка характеристик прочности конструкции .

–  –  –

Одним из способов расчета характеристик прочности является компьютерное моделирование и использование методов КЭА. Для этого необходимо создание численной физико-механической компьютерной модели с последующим разбиением ее на конечные элементы. Процесс создания подобной компьютерной модели описан в разделе 2.2 .

В соответствии с соотношениями КП, полученными на этапе оценки инструментальной погрешности, в модуле оценки прочности создается предварительная компоновка датчика, включающая в себя: электроды, блок электроники, изоляционный компаунд, корпус и АЭ (при их наличии) .

Поскольку наименее прочным материалом является изоляционный компаунд, проверку прочности целесообразно начинать с оценки напряжений, возникающих в нем. После построения предварительной компоновки элементов и определения габаритных размеров создается двумерная расчетная модель для оценки нагруженного состояния изоляционного компаунда. Двумерная модель на данном этапе предпочтительна в связи с существенным уменьшением вычислительных ресурсов, требуемых для решения задачи .

Так как модули Юнга металлического корпуса, электродов и прочих материалов, применяемых в блоке электронике, много больше модуля Юнга изоляционного компаунда, в расчетной модели все тела, кроме компаунда, на этапе предварительных расчетов можно представить как абсолютно твердые .

Для уменьшения времени создания модели и ее расчета, абсолютно твердые тела предлагается исключить и заменить краевыми условиями (жесткая заделка) .

В ходе анализа двумерной модели находятся значения эквивалентных напряжений на торцевой поверхности компаунда между электродов вдоль линии И (см. рисунок 2.20.). Поскольку корпус заменён абсолютно жесткой заделкой канавки исключены из модели. Задача решается в осесимметричной постановке относительно оси Л .

а) б) Рисунок 2.24 – Модель датчика для предварительного расчета

а) компаунд датчика; б) двумерная модель И – торцевая поверхность датчика, нагруженная внешним гидростатическим давлением Р;

Л – ось симметрии; на все остальные поверхности наложено граничное условие – жесткая заделка .

При удовлетворительных результатах расчета прочности, проводится построение полной трехмерной (3D) компьютерной модели. В силу симметричности задачу целесообразно упросить и проводить расчет с учетом симметрии относительно плоскости .

В таблице 2.3 приведено сравнение параметров расчета упрощенной двумерной и полной трехмерной модели. Расчеты проводились на ЭВМ со следующими характеристиками: процессор Intel Core i7-4770 (3.4 GHz), оперативная память 16 Гб DDR3, видеокарта NVIDIA GeForce GTX 650 Ti .

–  –  –

Распределение напряжений на торцевой поверхности датчика для двумерной и трехмерной модели вдоль линий И (см рисункок 2.24) представлено на рисунке 2.25 .

Эквивалентные напряжения, МПа Трёхмерная модель 40 Двумерная модель Линейнайя координата, мм Рисунок 2.25 – Сравнение распределения эквивалентных напряжений в двумерной и трёхмерной моделях Распределения эквивалентных напряжений на торцевой поверхности ДИЛ, полученные при расчете двумерной и трехмерной моделей, имеют одинаковый характер, что позволяет выявлять критические зоны нагружения датчика при двумерном моделировании. Однако, максимальные расхождения между результатами моделирования моделей составляют 65 %. Это показывает невозможность получения достоверных результатов при использовании для расчетов исключительно двумерной модели .

Если на этапе проверки на прочность конструкция ДИЛ не удовлетворяет заданным требованиям, необходимо изменение КП и/или перекомпоновка элементов конструкции. В соответствии с полученными в разделе 2.2 результатами, повышение прочности ДИЛ возможно за счет применения корпуса и АЭ. Проверку эффективности изменения конструкции в разрабатываемом датчике предлагается изначально проводить с помощью решения двумерной модели. После получения результатов, удовлетворяющих требованиям прочности при двумерном моделировании, рекомендуется проводить окончательную проверку с построением полной трёхмерной компьютерной модели .

При изменении параметров конструкции требуется проверка возможности их применения для обеспечения допустимого значения инструментальной погрешности в соответствии с разделом 2.3.3. Если по результатам проверки конструкции ДИЛ коэффициент запаса прочности не удовлетворяет требуемому значению, то рекомендуется проведение оптимизации КП. Решение задачи оптимизации приведено в главе 3 .

Отметим, что приведенный формализованный подход к проектированию ДИЛ на основе предложенной методики позволяет использовать ее при построении автоматизированной системы проектирования, обеспечивая комплексный подход к анализу инструментальной погрешности и прочностных характеристик .

Такой подход вполне уместен при проведении обучения и внедрен в учебный процесс международной научной лаборатории «Интегрированные системы ориентации и навигации» на базовой кафедре Информационно-навигационных систем Университета ИТМО .

Выводы по главе 2

1. Проведен анализ основных инструментальных погрешностей ДИЛ .

Впервые выявлено возникновение дополнительной инструментальной погрешности, возникающей при внешнем ГД и обусловленной конечной жесткостью элементов конструкции. Получены аналитические выражения, позволяющие определить погрешности ДИЛ в условиях вариаций напряженно-деформированного состояния. Установлено, что изменение температуры в пределах допустимых значений, не вносит существенный вклад в изменение погрешности. Знание зависимости инструментальной погрешности ДИЛ от воздействия ГД позволяет выработать поправку к показаниям датчика в зависимости от глубины погружения .

2. Разработана численная физико-механическая компьютерная модель, позволяющая с использованием методов КЭА проводить определение деформаций и механических напряжений в конструкции. Описаны особенности разработанной модели и проведены расчеты, подтвердившие наличие в конструкции датчика лага ЛЭМ 2-1М зон повышенных напряжений, приводящих к образованию трещин .

Исследованная модель взята за основу модернизации конструкции для повышения ее прочности .

3. Сформулированы новые технические решения по повышению прочности конструкции, которые включают в себя использование внешнего корпуса и применение армирующего элемента. Обоснованность предложенных решений подтверждена численным моделированием с использованием методов КЭА. На основе этих решений разработана оригинальная конструкция ДИЛ, новизна которой подтверждена патентом РФ .

4. Предложена методика проектирования конструкции ДИЛ, включающая анализ инструментальной погрешности и анализ прочности конструкции, что обеспечивает комплексный подход к проектированию прибора. Отмечено, что методика пригодна для построения автоматизированной системы проектирования конструкции ДИЛ и для использования в учебном процессе .

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ДАТЧИКА ИНДУКЦИОННОГО ЛАГА

Современные пакеты для выполнения КЭА, такие как ANSYS, Autodesk Simulation, COMSOL, CREO Elements/PRO MECHANICA, Femap и другие, позволяют создавать параметрические модели. В таких моделях возможно представление элементов, описывающих свойства исследуемых частей, в виде переменных параметров, границы которых заданы пользователем. К таким параметризованным элементам модели относятся линейные размеры; размеры, определяющие взаимное расположение частей; свойства материалов и проч .

Основная цель оптимизации КП состоит в достижении критерия, в качестве которого выбрана минимизация механических напряжений в элементах конструкции ДИЛ. Минимальные напряжения в конструкции позволяют повысить ее прочность и надежность при эксплуатации .

Процесс оптимизации может быть реализован в двух вариантах: полуавтоматическим или автоматическим подбором КП .

При полуавтоматическом подборе КП в рабочей программе задаются определенные значения исходных параметров, которые используются для расчета. В результате вычислений определяются значения выбранных выходных параметров (максимальные эквивалентные напряжения в конструкции, минимальные деформации конкретных элементов, касательные напряжения в точке и другие) .

Результаты работы по оптимизации процесса представляются в виде таблицы, которая, при необходимости, подвергается анализу .

Рассмотрим двумерную модель компаунда (см. рисунок 2.24). Задав параметры hкат (минимальная толщина слоя компаунда над катушкой индуктивности) и rкат (радиус внешнего габарита катушки индуктивности) (см. рисунок 3.1) переменными, получим соотношения значений КП и эквивалентных напряжений э вдоль торцевой поверхности .

–  –  –

В таблице 3.1 представлены результаты компьютерного моделирования двумерной модели компаунда с различными значениями КП hкат и rкат, полученные в результате оптимизации при полуавтоматическом режиме .

–  –  –

Анализ полученных результатов показывает, что основное снижение эквивалентных напряжений возможно за счет изменения параметра hкат. Изменение параметра rкат влияет на напряженное состояние конструкции незначительно .

Значения КП hкат и rкат, полученные при оптимизации по критерию минимизации напряжений э min и э max (максимальные и минимальные эквивалентные напряжения, получаемые при расчете) соответственно равны 3 мм и 16,5 мм .

При автоматическом режиме оптимизации происходит подбор значений входных параметров по критериям, установленным для выходных параметров .

Для этого интервал допустимых значений КП разбивается на отрезки, в вершинах которых находятся значения входных параметров. Далее, после интерполяции определяются промежуточные значения исходных параметров. В результате расчета определяются точки, отвечающие заданным требованиям. Так как соотношения значений КП получены из анализа интерполированной функции, для проверки и подтверждения требуется пересчет компьютерной модели с полученными значениями КП. Три значения hкат и rкат, соответствующие критерию оптимизации эmin и э max, найденные в автоматическом режиме до и после пересчета, представлены в таблице 3.2 .

–  –  –

Главным недостатком полуавтоматического режима является возможность пропуска оптимального значения, т.к. входные параметры задаются пользователем, недостатком автоматического режима – необходимость пересчета полученных значений КП для уточнения результатов .

Поскольку для анализа конструкции необходимо построение достоверных зависимостей напряженного состояния от значений КП, ниже приведены результаты оптимизации, полученные в полуавтоматическом режиме .

–  –  –

В процессе оптимизации КП корпуса проведено исследование влияния марки материала, его толщины и конфигурации на максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в изоляционном компаунде. При расчетах АЭ не учитывался и был исключен из компьютерной модели конструкции ДИЛ .

По условиям эксплуатации ДИЛ корпус должен изготавливаться из титанового сплава. В зависимости от физических свойств выбранной марки титана изменяется напряженное состояние, как корпуса, так и прочих элементов конструкции датчика. С целью определения предпочтительной марки титана проведен анализ зависимости напряжений в компаунде от выбранной марки [А3, А8, А10]. В расчетной модели учитывались свойства наиболее часто применяемых марок титановых сплавов: ВТ5, ОТ4-1, ПТ7-М, ВТ3-1 и ПТ3-В [55] .

Значения модуля Юнга для указанных марок титана приведены в таблице 3.3 .

–  –  –

Значения максимальных эквивалентных напряжений в компаунде в зависимости от материала корпуса представлены на рисунке 3.2 .

Как следует из расчетов, для уменьшения напряжений в изоляционном материале предпочтительно выбирать материалы с меньшим модулем Юнга, однако, изменение марки титанового сплава позволяет снизить напряжения в компаунде всего на 3 %, что является несущественным .

Рисунок 3.2 – Значения максимальных напряжений в компаунде в зависимости от марки титанового сплава Применение корпуса требует учета возможности отслоения от него компаунда и, как следствие, разгерметизации ДИЛ .

Для минимизации возможности отрыва компаунда от корпуса проведено исследование влияния геометрии полости корпуса на возникающие в компаунде напряжения .

Для этого построена компьютерная модель, в которой компаунд, размещенный в корпусе, находится под действием ГД величиной Р. Стенки корпуса наклонены относительно его нижней поверхности на угол (см. рисунок 3.3) .

Рисунок 3.3 – Модель оценки влияния формы корпуса на напряжения

На рисунке 3.4 представлена зависимость максимальных эквивалентных механических напряжений, возникающих в компаунде, от значений угла стенки корпуса. Моделирование показало, что изоляционный материал находится в наименее напряженном состоянии при угле наклона стенок корпуса к основанию близком к =90°, что связано с минимизацией касательных напряжений, возникающих в области контакта поверхностей «корпус-компаунд». Описанная задача согласуется с результатами оценки формы иллюминатора [11] .

Рисунок 3.4 – Зависимость напряжений в компаунде от наклона стенки корпуса

Проведен анализ влияния параметров корпуса на напряженное состояние конструкции, получена зависимость максимальных напряжений в изоляционном материале от толщины цилиндрической стенки корпуса, охватывающей компаунд. Изменение толщины стенки корпуса задавалось за счет изменения диаметра отверстия в корпусе, при этом внешний диаметр корпуса оставался постоянным [А9] .

На рисунке 3.5 представлен график зависимости максимальных механических напряжений, возникающих в изоляционном материале, от толщины стенки корпуса .

Рисунок 3.5 – Зависимость максимальных напряжений в компаунде от толщины стенки корпуса .

Увеличение толщины стенки корпуса до значения 7 – 8 мм позволяет снизить напряжения в компаунде примерно на 23 %. Дальнейшее утолщение корпуса не ведет к существенному изменению напряжений, по этой причине оптимальное значение толщины цилиндрической стенки корпуса выбрано равным 7 мм. Полученный результат согласуется с общей теорией прочности – увеличение толщины материала позволяет снизить напряжения лишь до определенного значения [30] .

3.2 Оптимизация параметров армирующего элемента

Для определения оптимальных значений КП АЭ построена параметрическая компьютерная модель [А3, А8]. Параметры корпуса выбраны в соответствии с 3.1 и приняты постоянными. На первом этапе оптимизации подвергались радиус АЭ

– RАЭ и толщина слоя компаунда над АЭ – hАЭ (см. рисунок 3.6) .

В ходе итерационных расчетов, толщина слоя компаунда hАЭ варьировалась от 1 до 6 мм с шагом 0,25 мм, радиус RАЭ изменялся от 27 до 30 мм с шагом 0,2 мм. В силу технологических и конструктивных ограничений изменение параметров АЭ допустимо только в указанных пределах .

–  –  –

При анализе получено распределение максимальных эквивалентных напряжений, возникающих в компаунде. Полученные результаты аппроксимированы полиномом 5-й степени в пакете Matlab. На рисунке 3.7 изображено распределение напряжений .

Рисунок 3.7 – Поиск оптимальных размеров армирующего элемента В центре выделена область параметров, обеспечивающих наименьшие напряжения в компаунде при заданной нагрузке .

Определено, что оптимальные результаты достигаются при RАЭ=28,5 мм и hАЭ=3 мм. Это позволяет снизить внутренние механические напряжения на 43 % .

Применение сквозных отверстий на цилиндрической поверхности АЭ (см. рисунок 2.14) позволяет увеличить прочность его соединения с компаундом и технологичность заполнения полости. В этом случае АЭ и компаунд соединены как адгезионной связью, так и механической. Компаунд, заполняя отверстия, препятствует проскальзыванию по АЭ .

Для обоснования выбора размеров и расположения отверстий на АЭ проведено исследования влияния КП на значения максимальных эквивалентных напряжений, возникающих в компаунде при его контакте с АЭ в отверстиях. В ходе анализа учитывался только один ряд отверстий и определялось их количество n1, радиус r1 и отстояние от торцевой поверхности h1 (см. рисунок 3.8) .

Рисунок 3.8 – Параметры для оптимизации отверстий в армирующем элементе Результаты КЭА значений максимальных эквивалентных напряжений в компаунде, возникающие в отверстиях АЭ, при различных соотношениях размеров, количества и расположения отверстий на АЭ представлены на рисунке 3 .

9 .

Рисунок 3.9 – Максимальные напряжения в компаунде, возникающие в отверстиях армирующего элемента, в зависимости от конструктивных параметров Получено, что количество отверстий в АЭ практически не влияет на напряженное состояние компаунда вблизи них .

Напряжения уменьшаются при увеличении радиуса отверстий и увеличении их отступа от торцевой поверхности датчика до определенного уровня. Отсутствие явной корреляции максимальных эквивалентных напряжений от параметров r1 и h1 связано со сложнонапряженным состоянием, включающим в себя одновременное сжатие, растяжение и кручение .

–  –  –

Одним из параметров, определяющих прочность адгезионного соединения «корпус-компаунд», является площадь сопрягаемых поверхностей [15]. Очевидно, нарушение целостности компаунда является первопричиной разгерметизации, приводящей к выходу из строя ДИЛ. В главе 2 показано, что применение корпуса и АЭ снижает значения эквивалентных напряжений, возникающих в изоляционном материале, и обеспечивает требуемую прочность конструкции. Наряду с этим, применение корпуса накладывает дополнительные требования в части обеспечения прочности соединения «корпус-компаунд» .

В случае локального отслоения компаунда от корпуса забортная вода попадает в образовавшийся зазор и со временем может проникнуть внутрь датчика. Увеличение площади контакта соединения «корпус-компаунд» позволяет увеличить путь забортной воды до электроники и уменьшить вероятности отказа изделия .

Для увеличения площади контакта соединения «корпус-компаунд» на внутренней цилиндрической поверхности корпуса предлагается нанести канавки для введения дополнительной механической связи. Компаунд, заполняя канавки на корпусе, препятствует проскальзыванию .

При заливке конструкции датчика в вакуумном шкафу, компаунд стремится полностью заполнить пустоты в канавках, а образование незаполненных полостей обуславливается смачиваемостью корпуса компаундом. В случае заливки конструкции компаундом при атмосферном давлении возможно запирание воздуха в канавках и образование пустот, являющихся концентраторами напряжений и значительно ухудшающих прочность соединения «корпус-компаунд» .

Выбор оптимальных КП канавок обусловлен решением задач обеспечения:

максимальной площади контакта соединения «корпус-компаунд»;

максимальной заполняемости полости канавки компаундом;

максимальной прочности канавки при расчете на срез .

3.3.1 Обеспечение максимальной площади контакта Площади контакта соединения «корпус-компаунд» определяется длиной контактной линии в осевом сечении, являющейся границей двух сред, и диаметром внутренней цилиндрической поверхности корпуса. В рассматриваемом случае диаметр отверстия корпуса остается постоянным, поэтому рассматривается только длина контактной линии в осевом сечении или длина контакта .

Длина контакта «корпус-компаунд» Lк (см. рисунок 3.10) в осевом сечении, при условии полной заполняемости канавок и допущении об идеальной поверхности, определяется выражением Lк Lк 0 n к l к a к, (3.1) где Lк0 – длина корпуса;

nк – число канавок;

lк – длина контура канавки;

aк – ширина канавки;

Рисунок 3.10 – Контакт корпус–компаунд

Проанализированы канавки, имеющие в сечении прямоугольную, полукруглую, треугольную и параболическую форму (см. рисунок 3.11 а, б, в и г соотвественно). Профиль канавки параболической формы задан уравнением qx2+p=0, где q и p – параметры, определяющие габариты канавки. Выбор указанных форм канавок обусловлен технологической простотой их изготовления .

–  –  –

Одним из ключевых параметров, влияющих на площадь контакта соединения «корпус–компаунд», является количество канавок nк. При равномерном распределении канавок вдоль цилиндрической поверхности корпуса, их максимально возможное количество nк max определяется выражением

–  –  –

Из рисунка 3.13 следует, что количество канавок коррелирует с длиной контакта не во всех случаях. Применение канавок полукруглой формы позволяет увеличить длину контакта «корпус–компаунд» примерно в 1,6–1,7 раз вне зависимости от количества канавок. Наличие на корпусе канавок параболической формы не оказывает значительного влияния на длину контакта и позволяет увеличить его длину в 1,1–1,4 раза, что, наряду с наличием относительных трудностей при изготовлении, свидетельствует о нецелесообразности их применения .

Для дальнейшего анализа выбраны канавки полукруглой, прямоугольной и треугольной формы .

3.3.2 Обеспечение максимальной заполняемости канавки Для анализа заливки полостей в пакете прикладных программ ANSYS, в модуле Fluid Flow (Fluent), создана численная компьютерная модель, имитирующая заливку корпуса с канавками квадратного, треугольного и полукруглого сечения (см. рисунок 3.14) .

–  –  –

В компьютерную модель внесены свойства компаунда в жидком состоянии .

Исследован наименее благоприятный вариант заливки – заливка происходит без участия вакуумного шкафа, на открытом воздухе. Скорость поступления компаунда аналогична скорости заливки реальной конструкции датчика, подача осуществляется через сторону 1, через сторону 2 происходит беспрепятственное удаление воздуха (см. рисунок 3.14). Стенки корпуса приняты идеально гладкими, так что трение между компаундом и стенками корпуса отсутствует. Величина давления окружающей среды соответствует нормальному атмосферному давлению. Задача решалась в двумерной постановке .

В процессе моделирования заливки выявлено не полное заполнение канавок и образование в них воздушных пузырей (см. рисунок 3.15) .

Рисунок 3.15 – Образование полостей в канавках после заливки компаунда На рисунке 3 .

16 представлен график зависимости заполняемости канавок различных конфигураций от ширины канавки .

–  –  –

Результаты моделирования показали, что использование канавок прямоугольного сечения при ширине до 0,9 мм не рекомендуется ввиду плохого заполнения. Канавки треугольного сечения показывают удовлетворительные результаты, начиная с ширины канавки 1,2 мм. Наиболее стабильное и полноценное заполнение получено при использовании полукруглых канавок. Заполнение компаундом полукруглых канавок практически не зависит от размеров и близка к стопроцентной .

3.3.3 Обеспечение максимальной прочности канавки при расчете на срез

Выше приведены рекомендации по выбору канавок различной конфигурации по критерию заполняемости. Наряду с этим, при выборе канавок требуется обеспечить прочность контакта соединения «корпус-компаунд». Повышение прочности предлагается осуществить за счет снижения эквивалентных напряжений в контакте «корпус – компаунд» варьированием количества канавок .

В ходе исследования количество канавок варьировалось в пределах от 1 до 10 шт.

Изменение их количества в модели осуществлялось следующим образом:

расположение первой канавки выбрано из конструктивных соображений максимально близко к нагруженной поверхности датчика (см. рисунок 3.17), каждая добавляемая канавка располагалась на расстоянии 1 мм от предыдущей .

Рисунок 3.17 – Расчетная модель для оптимизации количества канавок по криетрию прочности П – образующая внутренней цилиндрической поверхности корпуса При моделировании все соприкасающиеся поверхности корпуса и компаунда считались неразрывными .

На рисунке 3.18 представлена зависимость напряжения вдоль образующей П (см. рисунок 3.17) при различном количестве канавок .

Из результатов, представленных на рисунке 3.18, следует, что изменение количества канавок в данной постановке задачи не влияет на напряженное состояние компаунда .

Рисунок 3.18 – Распределение напряжений в компануде в зависимости от количества канавок на корпусе Предполагая, что в конструкции возможно отслоение компаунда от корпуса, рассмотрен случай, когда разрыв связи произошел и соприкасающиеся поверхности компаунда и корпуса не соединены адгезионной связью .

В этом случае канавки работают только на срез и препятствуют проскальзыванию компаунда по стенкам. На рисунке 3.19 представлено распределение механических напряжений в описанной модели вдоль образующей П (см. рисунок 3.17) .

Полученные результаты численного моделирования свидетельствуют, что значение максимальных эквивалентных напряжений, возникающих в компаунде, уменьшается при увеличении количества канавок. Значение максимальных напряжений приведено в таблице 3.5 .

Таблица 3.5 – Изменение эквивалентных напряжений на границе сред «корпус-компаунд» в зависимости от количества канавок .

–  –  –

Оптимальным количеством канавок по критерию повышения прочности выбрано пять штук. В этом случае эквивалентные напряжения снижаются на 49 %, что существенно уменьшает возможность отслоения компаунда от стенок корпуса. Дальнейшее увеличение количества канавок не приводит к существенным изменениям значения напряжений .

Рисунок 3.19 – Зависимость напряжений на стыке поверхностей корпус-компаунд от количества канавок в случае скользящего контакта Как следует из рисунка 3 .

19, при любом количестве канавок, максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в изоляционном компаунде, образуются вблизи кромок первой канавки. Увеличение количества канавок способствует снижению напряжений. Зависимость максимальных эквивалентных напряжений, возникающих в компаунде при различном количестве канавок, представлены на рисунке 3.20 .

–  –  –

Рисунок 3.20 – Максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в компаунде вблизи канавок при различном количестве канавок При возрастании количества канавок до пяти в компаунде происходит уменьшение механических напряжений в компаунде .

Дальнейшее увеличение количества канавок не приводит к значительным изменениям нагруженного состояния компаунда. Добавление шестой канавки снижает максимальные напряжение на 0,6 %, что является несущественным и сравнимо с возможными погрешностями компьютерного моделирования с использованием МКЭ .

3.4 Выбор заливочного материала

Очевидно, что при изменении температуры элементы конструкции ДИЛ подвержены тепловым деформациям, величины которых пропорциональны коэффициентам теплового расширения материалов. Известно, что напряжения в деталях не возникают, если при нагреве или охлаждении ничего не тепловым деформациям. Если контакт между телами, имеющими различные коэффициенты теплового расширения, зафиксирован (имеется болтовое, клеевое или прочие соединение), в нем возникают термомеханические напряжения, превосходящие механические [37] .

В конструкции ДИЛ компаунд имеет адгезионную связь с корпусом. Одной из обязательных технологических операций, требуемых для заливки изоляционного материала, является нагрев формы и компаунда до определенной температуры с последующим охлаждением по регламентированному режиму [59]. При охлаждении конструкции целостность контакта «корпус–компаунд» стремится нарушиться, т.к. компаунд обладает значительно большим значением коэффициента теплового расширения, чем титан (значения коэффициентов теплового расширения компаунда и титана – 5,9810-5 К-1 и 9,410-6 К-1 соответственно) .

Наличие нарушения целостности контакта «корпус–компаунд» можно прогнозировать по величине напряжений, возникающих в контакте. Если возникающие напряжения превышают максимально допустимые напряжения на отрыв в паре «корпус–компаунд» происходит отслоение .

С целью выявления возникающих в контакте «корпус–компаунд» напряжений построена компьютерная модель, в которой определены деформации и напряжения, вызванные тепловым воздействием при изготовлении и эксплуатации ДИЛ (см. рисунок 3.21) .

Рисунок 3.21 – Модель для определения тепловых напряжений и деформаций

Компьютерная модель состоит из модели титанового корпуса с канавками различной конфигурации и модели компаунда, физико-механические свойства материалов заданы в соответствии с таблицей 2.2. Исследован наименее благоприятный случай заполнения компаундом корпуса – во внутренней полости электроника датчика отсутствует. В этом случае тепловым деформациям подвержен значительно больший объем компаунда .

В процессе моделирования принято допущение, что компаунд полностью заполняет все канавки корпуса. Изменение температуры принято в соответствии с технологическими режимами, применяемыми в ходе изготовления датчика. Задача решалась в осесимметричной поставке .

В результате компьютерного моделирования установлено, что применение компаунда УП-5-105/1А для заливки в корпус ДИЛ недопустимо, т.к при охлаждении датчика происходит нарушение адгезионной связи и происходит отслаивание компаунда от корпуса. Вблизи нескольких канавок возникают эквивалентные напряжения, превышающие максимально допустимые, что может вызвать образование трещин. Результаты моделирования представлены на рисунке 3.22 .

Рисунок 3.22 – Результаты моделирования теплового воздействия Проведенный поиск показал, что допустимым материалом–заменителем изоляционного компаунда УП-5-105/1А в исследуемой конструкции ДИЛ является компаунд УП-592/II-2 .

Результаты компьютерного моделирования представлены на рисунке 3.23 .

Рисунок 3.23 – Результаты моделирования теплового воздействия Получено, что в зоне контакта «корпус–компаунд» не возникает напряжений, превышающих допустимые .

На основании этого применение компаунда УПII-2 в конструкции ДИЛ можно считать обоснованным .

3.5 Обоснование конструкции глубоководного датчика Описанный в главе 1 принцип работы ДИЛ подразумевает применение обязательных конструктивных элементов: катушки индуктивности, входящей в состав блока электроники, и токосъемных электродов .

Модернизация в блоке электроники, а также смещение электродов относительно их начального положения, ведут за собой изменение электромагнитных характеристик, что требует корректировки системы съема и обработки информации .

Во избежание этого, в ходе модернизации ДИЛ, блок электроники и расположение электродов не изменялось. Геометрия электродов претерпела незначительные изменения для улучшения технологичности (введены дополнительные скругления) .

В главе 2 установлена и доказана эффективность применения корпуса и АЭ .

Идея применения корпуса в конструкции ДИЛ не нова и ряд датчиков приведенных в главе 1 спроектированы с наличием этого элемента. Однако, требования к условиям эксплуатации указанных ДИЛ, а именно применение их только на надводных кораблях или на аппаратах с малыми рабочими глубинами, свидетельствует об отсутствии необходимости применения корпуса. Наличие корпуса для глубоководного ДИЛ, кроме обеспечения прочностных характеристик, позволяет повысить технологичность конструкции, т.к. необходимость применения сложных раскрывающихся форм для заливки изоляционного компаунда отпадает .

Компаунд заливается непосредственно в корпус, в котором и затвердевает, создавая единую гетерогенную структуру «корпус – компаунд – блок электроники» .

Полученные результаты компьютерного моделирования с применением методов КЭА подтверждают эффективность одновременного применения корпуса и АЭ, которые выполняются в виде цилиндров для обеспечения симметричности нагружения датчика. Расчетные данные показывают, что без корпуса и АЭ, учитывая физико-механические свойства компаунда, невозможно удовлетворить требованиям прочности гетерогенной конструкции ДИЛ, предъявляемым при работе аппаратуры на сверхбольших глубинах .

Наличие канавок на внутренней поверхности корпуса, а также отверстий на цилиндрической поверхности АЭ, обуславливает наличие, помимо адгезионной, механической связи этих элементов с изоляционным компаундом .

Переход от традиционной конструктивной схемы ДИЛ к схеме ДИЛ повышенной прочности, способного работать в условиях повышенного ГД, возникающего на сверхбольших глубинах, представлен на рисунке 3.24. Внешний вид модернизированного ДИЛ с основными элементами показан на рисунке 3.25 .

Рисунок 3.24 – Изменения конструкции датчика для повышения его прочности Рисунок 3 .

25 – Основные элементы модернизированного датчика индукционного лага Основные результаты расчетов методом конечно-элементного анализа конструкции представлены в таблице 3.6 .

–  –  –

Предпринятые усилия по модернизации конструкции и оптимизация ее параметров снижают максимальные напряжения в компаунде примерно на 43%, что подтверждено компьютерным моделированием с использованием физикомеханической компьютерной модели и методов КЭА .

Обоснованность предлагаемых решений позволяет создать конструкцию ДИЛ, работоспособную при внешнем гидростатическом давлении до 60 МПа. Новизна конструкции, содержащей корпус с нарезанными на его внутренней цилиндрической поверхности кольцевыми канавками и АЭ, подтверждена патентом РФ .

Выводы по главе 3

1. Обоснована необходимость проведения оптимизации конструктивных параметров ДИЛ для повышения запаса прочности элементов конструкции. В качестве критерия оптимизации выбрана минимизация механических напряжений, особенно в области наименее прочного элемента гетерогенной структуры – компаунда. Показано, что процесс оптимизации может быть реализован в двух вариантах: полуавтоматическим или автоматическим подбором КП. Проведен сравнительный анализ обоих вариантов .

2. Проанализировано влияние изменения конструктивных параметров на значение эквивалентных напряжений в конструкции датчика. В качестве основных варьируемых параметров выбраны: марка материала и конфигурация корпуса, геометрические размеры армирующего элемента, параметры и форма канавок внутри полости корпуса. Показано, что с учетом оптимизации конструктивных параметров внутренние механические напряжения снижаются на 43 %, что повышает эксплуатационную надежность глубоководного ДИЛ .

3. Проведена оптимизация заливочной полости датчика. Показано, что применение на защитном корпусе канавок значительно увеличивает площадь контакта «корпус–компаунд». Определены области соотношений конструктивных параметров канавок, при которых возможное образование воздушных пузырей минимально. Получено оптимальное количество канавок и их параметров по критерию минимизации эквивалентных напряжений в случае работы на срез. Обоснован переход на новый изоляционный заливочный материал .

4. На основе проведенной модернизации обоснована конструкция датчика индукционного лага, способного работать в условиях повышенного гидростатического давления при больших глубинах .

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАТЧИКА

ИНДУКЦИОННОГО ЛАГА

В результате модернизации конструкции и в соответствии с расчетами были разработаны и изготовлены несколько макетов и опытных образцов ДИЛ .

Процедура изготовления и испытаний датчика состояла из трех последовательных этапов:

1. Отработка технологии заливки компаундами различных консистенций на макетах для обеспечения гомогенности его структуры (без воздушных пор) .

2. Сборка макетов и опытных образцов с соблюдением отработанной технологии заливки внутренних полостей ДИЛ и испытания макетов .

3. Испытания опытных образцов ДИЛ при воздействии внешнего ГД .

Первый этап служил для проверки заполнения компаундами различных марок корпусов с нарезанными канавками различной конфигурации. Корпуса, имеющие форму полуцилиндра, закрывались пластинами с нанесенными на них антиадгезионными покрытиями. После полимеризации компаунда и его затвердевания пластина снималась для проведения внешнего осмотра заливочной полости на предмет наличия трещин, заполнения пустот и отслоения компаунда от стенок корпуса На втором этапе выполнялась сборка опытных образцов при непрерывном контроле процесса заполнения компаундом, как наиболее критичной технологической операции .

Третий, завершающий этап, служил для апробации конструкторских решений и верификации компьютерной модели с подтверждением возможности работы модернизированного ДИЛ на сверхбольших глубинах .

4.1 Экспериментальная проверка заливки компаунда Основной целью первого этапа исследований являлась проверка возможности применения выбранного компаунда для конструкции ДИЛ с корпусом и верификация процесса заливки с использованием компьютерной модели, полученной в разделе 3.4 .

Макет для испытаний представлял собой сборочную единицу, состоящую из корпуса полуцилиндрической формы, с нарезанными кольцевыми канавками различной конфигурации (см. рисунок 4.1), и пластины, закрывающей корпус .

–  –  –

Конфигурация канавок и геометрия корпуса, используемого для испытаний, соответствует численной математической модели приведенной в 3.4 (см. рисунок 3.20). Внешний вид макета представлен на рисунке 4.2 .

–  –  –

Корпус и пластина выполнены из титанового сплава, аналогично корпусу разрабатываемого ДИЛ. Внутренние поверхности корпуса, для повышения адгезии с компаундом, подвержены пескоструйной обработке. На пластину было нанесено антиадгезионное покрытие для обеспечения ее беспрепятственного снятия .

После полимеризации компаунда и его затвердевания пластина снималась для проведения внешнего осмотра заливочной полости на предмет наличия пустот и отслоения компаунда от стенок корпуса .

Для верификации результатов моделирования, полученных в главе 3, в ходе испытаний применялись компаунды УП-5-105/1А, используемый для герметизации электроники ранее, и УП-592/II-2, выбранный на этапе оптимизации конструкции .

Значения температуры и время выдержки при изготовлении макетов приняты в соответствии с рекомендуемыми технологическими режимами, применяемыми в процессе изготовления компаунда .

После отверждения и усадки компаунда УП-5-105/1А наблюдалось его отслоение от стенок корпуса и выход из всех канавок треугольной и прямоугольной форм (см. рисунок. 4.3). Визуально установлено, что в полостях полукруглых канавок таких отслоений было значительно меньше .

Рисунок 4.3 – Результаты заливки компаунда УП-5-105/1А

Напряжения, обусловленные тепловым воздействием при изготовлении и возникающие у контактирующих поверхностей корпуса и компаунда, превысили прочность адгезионной связи, что повлекло за собой нарушение контакта двух поверхностей. В зоне двух канавок (см. рисунок 4.3) возникновение критических напряжений обуславливает нарушение целостности компаунда и образование трещин. Результаты испытаний соответствуют результатам, полученным при компьютерном моделировании (см. рисунок 3.22) .

В некоторых случаях компаунд удерживался в канавке, но при этом наблюдался разрыв компаунда. Удержание компаунда в канавке обусловлено превышением сил адгезии над силами тепловых деформаций. Наличие разрыва объясняется превышением температурных напряжений над максимально возможными напряжениями, выдерживаемыми компаундом на отрыв .

В случае заливки корпуса компаундом УП-592/II-2 отслоений не наблюдалось, нарушений контакта «корпус–компаунд» визуально не обнаружено (см. рисунок. 4.4) .

Рисунок 4.4 – Результаты заливки компаунда УП-5-105/1А

Температурные деформации сконцентрировались в верхней части заливочной полости. Сохранение целостности контакта обусловлено высоким значением адгезионной связи компаунда с титановым корпусом, а отсутствие трещин – высокими предельно допустимыми значениями внутренних напряжений в материале. Это свидетельствует о предпочтении этой марки компаунда из условий уменьшения вероятности отслоения в процессе изготовления датчика .

Результаты, полученные при испытаниях, совпадают с результатами компьютерного моделирования, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели и возможности ее применения для других конструкций .

На основании полученных результатов, предпочтительным материалом для изоляции электроники в ДИЛ принят компаунд УП-592/II-2. Возможность использования применяемого ранее материала (компаунда УП-5-105/1А) проверялась на следующем этапе испытаний макетов ДИЛ .

4.2 Экспериментальные исследования макета

На втором этапе проводились испытания с целью проверки прочности конструкции при воздействии внешнего ГД различной величины. Для этого был разработан макет ДИЛ, в котором учтены результаты оптимизации КП. Макет обладает максимально близкими к реальному датчику техническими характеристиками. Внешний вид макета и его основные элементы показаны на рисунке 4.5 .

Рисунок 4.5 – Макет для гидростатических испытаний 1 – Армирующий элемент, 2 – блок имитации электроники, 3 – изолятор, 4 – компаунд, 5 – электроды, 6 – корпус, 7 – крепежные элементы, 8 – крышка, 9 – провода, 10 – уплотнительные кольца, 11 – канавки .

В корпус 6 с нарезанными канавками 11 установлен блок имитации электроники 2, на котором, через изолятор 3, установлены электроды 5. Провода 9, соединенные с электродами, выведены через отверстие в корпусе. Между корпусом и блоком имитации электроники установлен армирующий элемент 1. Сборка заполнена заливочным изоляционным компаундом 4. Крышка 8 установлена на корпус, герметизирована уплотнительными кольцами 10 и зафиксирована крепежными элементами 7 .

Корпус 6, крышка 8 и АЭ 1 выполнены из титанового сплава ВТ1-0, изолятор 3 из стеклотекстолита СТЭФ1с, а блок имитации электроники 2 из алюминиевого сплава АМг6. В реальной конструкции датчика блок электроники представляет собой набор катушек индуктивности с медной проволокой, намотанной на каркасы из стеклотекстолита на сердечниках из магнитного сплава 36КНМ. Допущение о возможности применение алюминиевого сплава в конструкции макета обусловлено соответствием его механических характеристик с усреднёнными характеристиками применяемых в блоке электроники материалов. Основные детали макета изображены на рисунке 4.6 .

Рисунок 4.6 – Детали макета для гидростатических испытаний Испытаниям подвергались четыре типа макета, отличающихся маркой примененного компаунда и наличием АЭ .

Различия макетов ДИЛ приведены в таблице 4.1

–  –  –

Испытания проводились путем ступенчатого повышения ГД в камере с 10 МПа (глубина 1 км) до 60 МПа (глубина 6 км). Последовательность проведения испытаний представлена в таблице 4.2 .

Таблица 4.2 – Последовательность проведения испытаний

–  –  –

Испытания проводились в гидробаллоне ВД-900 (рабочее давление до 88,2 МПа; габариты полезного объема: диаметр – 260 мм, глубина – 870 мм) .

На каждом шаге, после окончания воздействия ГД, макеты ДИЛ вынимались из камеры гидробаллона, после чего производился внешний осмотр и измерение электрического сопротивления изоляции. Проверка сопротивления изоляции осуществлялась при помощи мегаомметра при испытательном напряжении 100 В. Проверка изоляции выходных цепей производилась между электродами и корпусом (поочередно) и электродами попарно между собой. Было принято, что макет выдержал испытания с положительным результатом, если после воздействия ГД значение сопротивления изоляции составляло не менее 50 МОм (при начальном значение сопротивления – 100 МОм) .

В процессе проведения испытаний установлено следующее:

1. При воздействии ГД величиной 19,6 МПа (200 кгс/см2) в макете №1 обнаружена трещина в районе электродов (см. рисунок 4.8) .

2. При воздействии ГД величиной 29,4 МПа (300 кгс/см2) на образце №2 наблюдалось вдавливание электродов, образование трещин вблизи них (см. рисунок 4.9) .

3. Образцы №3 и №4 при внешнем осмотре не имели изменений структуры и нарушения целостности компаунда (см. рисунок 4.10). Однако образец №3 имел остаточные деформации на торцевой поверхности, что может в дальнейшем привести к выходу прибора из строя .

Рисунок 4.8 – Макет №1 после воздействия гидростатического давления 19,6 МПа Рисунок 4 .

9 – Макет №2 после воздействия гидростатического давления 29,4 МПа Рисунок 4.10 – Макет №3 после воздействия гидростатического давления 58,8 МПа По результатам испытаний установлено, что применение корпуса и АЭ позволили повысить прочность датчика. Исходная конструкция ДИЛ не выдерживает давление более 10 МПа (см. рисунок 1.7). Макеты №3 и №4 с компаундом УПII-2 успешно выдержали испытания. Использование компаунда УП-5-105/1А для глубоководного ДИЛ недопустимо, т.к. в нем возникают избыточные напряжения после изготовления конструкции .

4.3 Экспериментальные исследования опытного образца На третьем, завершающем этапе испытаниям подвергался опытный образец ДИЛ, максимально соответствующий характеристикам изделия (рисунок 4.11) .

Рисунок 4.11 – Опытный образец датчика индукционного лага .

В процессе испытаний воздействию ГД подвергались два образца [А1, А4, А10], отличающиеся наличием или отсутствием АЭ. Конструкция разработана по предлагаемой в главе 2 методике. КП выбирались с учетом рекомендаций полученных при оптимизации конструкции в главе 3. Для испытаний изоляционным материалом для датчика выбран компаунд УП-592/II-2, возможность применение которого была доказана по результатам исследований на предыдущем этапе .

Корпус и АЭ, изготовленные для опытных образцов ДИЛ изображены на рисунке 4.12 .

Рисунок 4.12 – Корпус и армирующий элемент глубоководного датчика индукционного лага Испытания проводились путем ступенчатого повышения ГД в гидробаллоне ВД-900 с 9,8 МПа (100 кгс/см2, глубина 1 км) до 58,8 МПа (600 кгс/см2, глубина 6 км) в соответствии с последовательностью, представленной в таблице 4 .

3 .

Таблица 4.3 – Последовательность проведения испытаний опытного образца

–  –  –

После каждого испытания образцы извлекались из гидробаллона и подвергались внешнему осмотру на наличие нарушения целостности датчика и проверке изменения электрической изоляции цепей. Проверка сопротивления изоляции осуществлялась при помощи мегаомметра при испытательном напряжении 100 В .

Проверка изоляции выходных цепей производилась между электродами и корпусом (поочередно) и электродами попарно между собой. Предполагалось, что опытный образец ДИЛ выдержал испытания, если после воздействия ГД значение сопротивления изоляции составляло не менее 50 МОм (при начальном значение сопротивления – 100 МОм) .

После воздействия ГД 39,2 МПа (400 кгс/см2) на его лицевой поверхности опытного образца без АЭ обнаружены остаточные деформации (см. рисунок 4.13) .

Рисунок 4.13 – Остаточные деформации опытногообразца датчика без армирующего элемента Компаунд под действием ГД сжимался и уплотнялся .

Характер деформирования совпадает с очертаниями конструктивных элементов. Максимальные деформации составили примерно 0,8 мм и располагались в области между блоком электроники и корпусом, где толщина слоя компаунда является наибольшей .

Время устранения остаточных деформаций составило примерно 3 часа, после чего лицевая поверхность опытного образца вернулась в изначальную форму и эксперимент продолжился .

После воздействия ГД 58,8 МПа (600 кгс/см2) обнаружено нарушение целостности компаунда в образце без АЭ (см. рисунок 4.14). Наличие трещины вызвало разгерметизацию блока электроники, падение сопротивления изоляции между электродами попарно и между электродами и корпусом до нуля .

Рисунок 4.14 – Нарушение целостности компаунда после гидростатических испытаний опытного образца датчика без армирующего элемента Трещина образована над блоком электроники, где на предыдущей ступени нагружения возникли наибольшие деформации .

Нарушение целостности обусловлено возникновением критических напряжений, связанных с деформациями компаунда. Таким образом, установлено, что опытный образец без АЭ не обладает достаточной прочностью и не способен выдерживать требуемое гидростатическое давление .

При испытаниях опытного образца датчика индукционного лага с установленным АЭ после воздействия гидростатического давления 400 кгс/см2 (29,4 МПа) на его лицевой поверхности, обнаружены остаточные деформации (см. рисунок 4.15), аналогичные по характеру и расположению возникшими в опытном образцом без АЭ. Армирование позволило устранить зону максимальных деформаций в зоне между блоком электроники и корпусом. Средняя величина деформаций составила примерно 0,4 мм. В силу отсутствия ярко выраженных зон с повышенными деформациями эксперимент продолжился без ожидания устранения остаточных деформаций .

Рисунок 4.15 – Внешний вид опытного образца датчика с армирующим элементом после проведения испытаний После воздействия гидростатического давления 600 кгс/см2 (58,8 МПа) нарушения целостности в компаунде не обнаружено .

Сопротивление изоляции соответствовало начальному – 100 МОм .

Экспериментальные исследования показали, что компьютерная модель ДИЛ адекватно описывает напряженно-деформированное состояние реальной конструкции, а предложенные автором технические решения позволяют создать работоспособную конструкцию ДИЛ для эксплуатации на глубинах до 6 км .

Выводы по главе 4

1. Выполнена практическая отработка технологии заливки изоляционными компаундами различных марок полостей корпуса для обеспечения гомогенности его структуры (без воздушных пор). Визуально установлено, что в канавках полукруглой формы не наблюдается дефектов в виде пустот, для прямоугольных и треугольных канавок такие дефекты имеют место. Верифицирована компьютерная математическая модель заливки, построенная в главе 3. Выбрана марка компаунда, обеспечивающая работоспособность конструкции .

2. Проведены гидростатические испытания макетов датчика с имитатором блока электроники. Установлено, что использование определенной марки компаунда, армирующего элемента и корпуса с канавками позволяет повысить прочность конструкции. Экспериментальные исследования показали, что компьютерная модель ДИЛ адекватно описывает напряженно-деформированное состояние реальной конструкции .

3. Проведены гидростатические испытания опытного образца датчика индукционного лага, в конструкцию которого внедрены все предложенные технические решения. Экспериментально доказана эффективность принятых решений и установлено, что разработанная конструкция датчика индукционного лага способна выдерживать повышенные нагрузки, вызванные гидростатическим давлением на сверхбольших глубинах

4. Результаты проведенных испытаний экспериментально подтверждают основные теоретические положения диссертационной работы. На основе проведенных теоретических исследований разработана и экспериментально обоснована конструкция датчика индукционного лага, выдерживающая давление до 60 МПа .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным результатом диссертационной работы является решение поставленной задачи – разработки научно обоснованных рекомендаций по проектированию конструкции глубоководного датчика индукционного лага, способной безотказно работать в условиях повышенного гидростатического давления. Полученные результаты имеют существенное значение для развития навигационной глубоководной техники в нашей стране .

В работе получены следующие основные результаты

1. Проведен анализ общей проблематики проектирования датчика индукционного лага для использования в составе глубоководных аппаратов. Выявлено, что проблемы проектирования датчика связаны с принципиальной гетерогенностью конструкции, состоящей из разнородных по составу и физико-техническим характеристикам элементов

2. Впервые выявлено возникновение дополнительной инструментальной погрешности, возникающей при внешнем ГД и обусловленной конечной жесткостью элементов конструкции. Получены аналитические выражения, позволяющие определить погрешности ДИЛ в условиях вариаций напряженнодеформированного состояния. Знание зависимости инструментальной погрешности ДИЛ от воздействия ГД позволяет выработать поправку к показаниям датчика в зависимости от глубины погружения .

3. Сформулированы новые технические решения по повышению прочности конструкции, обоснованность которых подтверждена численным моделированием с использованием методов КЭА. На основе этих решений разработана оригинальная конструкция ДИЛ, новизна которой подтверждена патентом РФ .

4. Предложена методика проектирования конструкции ДИЛ, включающая анализ инструментальной погрешности и анализ прочности конструкции, что обеспечивает комплексный подход к проектированию прибора. Отмечено, что методика пригодна для построения автоматизированной системы проектирования конструкции ДИЛ и для использования в учебном процессе .

5. Обоснована необходимость проведения оптимизации конструктивных параметров ДИЛ для повышения запаса прочности элементов конструкции. В качестве критерия оптимизации выбрана минимизация механических напряжений, особенно в области наименее прочного элемента гетерогенной структуры – компаунда. Показано, что предложенные конструктивные решения позволяют снизить внутренние механические напряжения на 43 % .

6. Обоснована и защищена патентом РФ оригинальная конструкция датчика индукционного лага повышенной прочности, обеспечивающая работу в условиях гидростатического давления до 60 МПа. Возможность реализации конструкции подтверждена результатами компьютерного моделирования и экспериментальными исследованиями опытных образцов .

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АНПА – автономный необитаемый подводный аппарат АЭ – армирующий элемент ГД – гидростатическое давление ДИЛ – датчик индукционного лага ИИПС – индукционный первичный преобразователь скорости КП – конструктивные параметры КЭА – конечно-элементный анализ ЭДС – электродвижущая сила

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

А1 Avanesov Yu.L., Voronov A.S., Evstifeev M.I. Relative velocity sensor for deep-sea vehicles // Proceedings of the 25th Anniversary Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. – 2018. – pp. 88-90 .

А2 Воронов А.С. Компьютерное моделирование прочностных характеристик датчика индукционного лага / Ю.Л. Аванесов, А.С. Воронов, М.И. Евстифеев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики

– 2016. – т. 16. – № 4. – С. 738-744 .

А3 Воронов А.С. Оптимизация конструктивных параметров глубоководного индукционного датчика скорости / А.Н. Буканова, А. С. Воронов, М.И. Евстифеев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2018, – т. 18, – № 1, – С. 140-146 .

А4 Воронов А.С. Проблемы проектирования глубоководного датчика индукционного лага / Ю.Л. Аванесов, А.С. Воронов, М.И. Евстифеев // Гироскопия и навигация. – 2018. – т. 26. – № 2 (101). – С. 77-87 .

А5 Патент RU 2637377 Аванесов Ю.Л., Воронов А.С., Евстифеев М.И., Каретин В.Г., Короленко И.В. Датчик индукционного лага повышенной прочности .

Опубликовано 10.12.2017 в бюл. №34 .

А6 Воронов А.С. Исследование напряженно-деформированного состояния датчиков измерителей скорости / Ю.Л. Аванесов, А.Н. Буканова, А.С. Воронов // Альманах научных работ молодых ученых XLV научной и учебно-методической конференции. Том 1. – СПб: Университет ИТМО, 2016 .

А7 Воронов А.С. Повышение эксплуатационных характеристик датчика индукционного лага / А.Н. Буканова, А.С. Воронов // Конференция молодых ученых и специалистов 2016. Тезисы докладов. – СПб: ФГУП «Крыловский государственный научный центр». – 2016. – С. 135 .

А8 Воронов А.С. Оптимизация конструкции датчика скорости глубоководного аппарата с использованием компьютерного моделирования / А.Н. Буканова, А.С. Воронов, М.И. Евстифеев // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание [Электронный ресурс]. – СПб: Университет ИТМО, 2017 .

А9 Воронов А.С. Особенности конструирования глубоководных индукционных датчиков скорости / Ю.Л. Аванесов, А.Н. Буканова, А.С. Воронов // Сборник рефератов докладов XIX Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» – СПб: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017 .

А10 Воронов А.С. Разработка датчика лага повышенной прочности // Сборник работ аспирантов Университета ИТМО, победителей конкурса грантов Правительства Санкт-Петербурга / Под. ред. В.О. Никифорова – СПб.: Университет ИТМО, 2017. – С. 235 .

А11 Avanesov Yu.L., Evstifeev M.I., Voronov A.S. Estimating the instrumental error of electromagnetic log sensor in ultradeep water// International Workshop Navigation and Motion Control 2017: Proceedings – 2017. – pp. 62–67 .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Агеев, М.Д. Автоматические подводные аппараты / М.Д. Агеев, Б.А. Касаткин, Н.И. Рылов и др. Л.: Судостроение, 1981. 223 с .

2 Агеев, М.Д Автономные необитаемые подводные аппараты / М.Д. Агеев, Л.В. Киселев, Б.А. Касаткин и др. под общ. ред. акад. М.Д. Агеева. Владивосток: Дальнаука, 2000. 272 с .

3 Агеев, М.Д. Автономные подводные роботы / М.Д. Агеев, Л.В. Киселев, Ю.В. Матвиенко и др. // Системы и технологии. под общ. ред. акад. М.Д. Агеева. М: Наука, 2005. – 398 с .

4 Андреев, А.П. Практическое использование бесконтактных оптических координатных методов для контроля формы шпангоутов прочных корпусов подводной техники / А.П. Андреев, В.В. Дубинка, А.И. Шитов // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. – 2014. – № 82 (366). – С. 85-92 .

5 Андреев, С.И. Минеральные ресурсы Мирового океана: перспективы изучения и освоения / С.И. Андреев – в кн. Геология морей и океанов. М., 2007. – С. 85-87 .

6 АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» – ЛЭМ2-1М. Электромагнитный лаг [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.elektropribor.spb.ru/katalog/navigatsionnye-pribory/lem2-1melektromagnitnyy-lag/ 7 АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» – Навигационные приборы [Электронный ресурс] .

– Режим доступа: http://old.elektropribor.spb.ru/prod/rnavprib_sisg_2 8 АО «НИИТеплоприбор» – ЛАГ-Л [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://niiteplopribor.ru/?page_id=324 9 Баженов, Ю.А. Самоходные необитаемые подводные аппараты / Ю.А. Баженов, В.М. Гаврилов, Ю.И. Жуков и др. Л.: Судостроение, 1986. 277 с .

10 Баринов, А.Ю. Модернизированный индукционный лаг ИЭЛ-2М / А.Ю. Баринов // Записки по гидрографии. – 2017. – С. 13-24 .

11 Батовкин, В.И. Влияние геометрических параметров на эксплуатационные характеристики конических глубоководных иллюминаторов / В.И. Батовкин, В.Ю. Кочанов, В.М. Тарачова // Всеукраїнська науково-технічна конференція з міжнародною участю Конструювання, міцність та надійність суден, морських технічних засобів і інженерних споруд. – 2014. - Нац. Ун-т кораблестроения им. адм. Макарова, г. Николаев 2014 г .

12 Бахарев, С.А. Использование автономных необитаемых подводных аппаратов в процессе изучения мирового океана / С.А. Бахарев, В.В. Карасев, А.В. Карасев // Промышленное рыболовство .

акустика. Научные труды Дальрыбвтуза. – т. 35. – С. 41 – 51 .

13 Белл, Дж. Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Часть I .

Малые деформации: Пер. с англ. /Под ред. А. П. Филина. — М.: Наука. Главная редакция физикоматематической литературы, 1984. – 600 с .

14 Бецофен, С.Я. Исследование влияния текстуры и гетерогенности состава на измерение остаточных напряжений в ионно-плазменных покрытиях / С.Я. Бецофен, Л.М. Петров, А.А. Ильин, И.О .

Банных, А.Н. Луценко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2004. – № 1. – С. 39-45 .

15 Богданова, Ю.Г. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов / Ю.Г. Богданова. Учебное пособие. МГУ им. М.В. Ломоносова. М. – 2010 .

16 Богородский, А.В. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана / А.В. Богородский, Г.В. Яковлев, Е.А. Корепин, А.К. Должников – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 263 с .

17 Бруяка, В.А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: Учею. пособ. / В.А. Бруяка, В.Г .

Фокин, Е.А. Солдусова, Н.А. Глазунова, И.Е. Адеянов. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 271 с.:

ил .

18 Бурдун, Е.Т. Оценка эффективности применения высокопрочных конструкционных материалов для тороидальных прочных корпусов подводной техники / Е.Т. Бурдун, А.В. Крептюк // Збiрник наукових праць Нацiонального унiверситету кораблебудування. – № 2. – 2013. – С. 43-47 .

19 Буриличев, А.В. Будущее человечества неразрывно связано с изучением, исследованием океана / А.В. Буриличев // Безопасность России. – 2011. – №5. – С. 40-43 .

20 Вагущенко, Л.Л. Электронные системы отображения навигационных карт / Л.Л. Вагущенко, В.А. Данцевич, А.А. Кошевой – Одесса: ОГМА, 2000. – 120 с .

21 Вельтищев, В.В. Исследование изменения изгибной жесткости и геометрии гибкого кабеля в глубоководных условиях / В.В. Вельтищев, Г.Г. Кулиш, С.В. Цветков // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. – 2013. – № 1. – С. 3-11 .

22 Виноградов, К.А. Абсолютные и относительные лаги / К.А. Виноградов, В.Н. Кошкарев, Б.А. Обюхин, А.А. Хребстов – Л.: Судостроение, 1990 .

23 Виноградов, К.А. Гидроакустические навигационные системы и средства / К.А. Виноградов, И.А. Новиков // Навигация и гидрография – 2001. – № 7. – С. 54-74 .

24 Войтов, Д.В. Подводные обитаемые аппараты / Д.В. Войтов. М.: Изд-во «Астрель», 2002 .

303 с .

25 Воронов, В.В. Индукционный лаг ЛИ 2-1. Учебное пособие / В.В. Воронов, А.В. Яловенко .

– СПб: ГМА им. адмирала С.О. Макарова. – 2009. – 96 с .

26 Голод, О.С. Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых аппаратов / О.С. Голод, А.И. Гончар, Л.И. Шлычек // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану. – 2007. – №4. – С. 102 .

27 Горбунов, И.В. Особенности моделирования процессов механической обработки в CAEсистемах / И.В. Горбунов, И.В. Ефременков, В.Л. Леонтьев, А.Р. Гисметулин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – т. 15. – № 4 (4). – 2013 С. 846-853 .

28 ГОСТ Р 57412-2017. Компьютерные модели в процессах разработки, производства и эксплуатации изделий. Общие положения .

29 Гуменюк, Н.С. Применение композитных материалов в судостроении / Н.С. Гуменюк, С.С .

Грушин М.: Современные наукоемкие технологии. – 2013. – №8 (1). – С. 116-117 с .

30 Дибир, А.Г. Практические расчеты на прочность конструктивных элементов. Ч. I. – Учеб .

пособие. / А.Г. Дибир, О.В. Макаров, Н.И. Пекельный, Г.И. Юдин, М.Н. Гребенников // Харьков: Нац .

аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т.. – 2007. – 102 с .

31 Дмитриев, А.Н. Проектирование подводных аппаратов / А.Н. Дмитриев. Л.: Судостроение, 1978. 236 с .

32 Дмитриев, С.П. Анализ коррекции и демпфирования инерциальной навигационной системы средней точности с использованием относительного лага / С.П. Дмитриев, В.М. Зиненко, Ю.А. Литвиненко // Гироскопия и Навигация. – 2012. – № 2. – С. 28-33 .

33 Дружиловский, Б.В. Определение концентрации мембранных напряжений в обшивке и критического давления цилиндрических прочных корпусов подводной техники с вырезами / Б.В. Дружиловский, Д.Ю. Шалаев // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. – 2012. – т. 6. – № 71. – С. 29-44 .

34 Дубровина, Н.А. Приоритетные направления развития российского машиностроения в области импортозамещения / Н.В. Дубровина // Вестник Самарского государственного университета. Серия «Экономика и управление». – 2015. – № 9/1 (131). – С. 217–223 .

35 Думанский, А.М. Метод оценки анизотропии временных свойств и нелинейного деформирования однонаправленного композитного материала. / А.М. Думанский, Л.П. Таирова, М. Алимов. В сборнике: ТестМат - 2013 Сборник докладов Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов. Луценко А.Н. – 2013. – С. 12 .

36 Зайцев, А.В. Эффективные модули объемного сжатия композитов, армированных сплошными и полыми анизотропными волокнами или сферическими включениями / А.В. Зайцев, А.А. Фукалов, Ю.В. Соколкин // Математическое моделирование в естественных науках. – 2015. – т. 1. – С. 145Заславский, Б.В. Краткий курс сопротивления материалов / Б.В. Заславский. Учебник для авиационных специальностей вузов. М.: Машиностроение. –1986. – 328 с .

38 Звягинцев, А.Ю. Изучение морского обрастания в Институте биологии моря ДВО РАН (1968-2006 гг.) / А.Ю. Звягинцев // Вестник ДВО РАН. – 2007. – № 4. – С. 3-16 .

39 Ибнояминов, В.Р. Несущая способность прочных корпусов подводной техники с начальными несовершенствами формы // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. – 2006. – № 26. – С. 4-57 40 Илларионов, Г.Ю. Исследовательское проектирование необитаемых подводных аппаратов / Г.Ю. Илларионов, А.А. Карпачев. Владивосток: Дальнаука, 1998. 270 с .

41 Инзарцев, А.В. Применение автономного необитаемого подводного аппарата для научных исследований в Арктике / А.В. Инзарцев, А.В. Каморный, О.Ю. Львов, Ю.В. Матвиенко, Н.И. Рылов // Подводные исследования и робототехника. – 2007. – № 2(4). – С. 5-14 .

42 Итенберг, С.И. Лаги и автосчислители / С.И. Итенберг, А.П. Дворников, И.В. Балашков // Курс кораблевождения. т.5, кн.3. Л.: Изд. УГСВМФФ, 1964. – 542 с .

43 Каблов, Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич .

сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. – 2012. – С. 7-17 .

44 Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей: Справочная книга. / П.Л. Калантаров, Л.А .

Цейтлин – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955. – 368 с .

45 Кербер, М.Л. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология:

учеб. пособие / М.Л. Кербер [и др.]. – СПб: Профессия, 2008. – 560 с .

46 Компауды на основе эпоксидных смол [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://allepoxy.ru/tablizi/kompaund.htm .

47 Корсунский, Л.М. Электромагнитные гидрометрические приборы. М.: Стандарт ГИЗ. 1964,

– 180 с .

48 Корякин В.И. От астролябии к навигационным комплексам / В.И. Корякин, А.А. Хребтов // Изд. Судостроение, 1994. – 240 с .

49 Крылов, В.В. О проектировании корпусов многоцелевых подводных лодок из высокопрочных сталей и титановых сплавов // Судостроение. – 2006. – № 1. – С. 47-50 .

50 Кузнецов, А.А. Оценка механических свойств текстильных материалов с учетом влияния их гетерогенности / А.А. Кузнецов, В.И. Ольшанский, Е.И. Махаринский. В сборнике: Физика процессов деформации и разрушения и прогнозирование механического поведения материалов Труды XXXVI Международного семинара "Актуальные проблемы прочности". – 2000. – С. 633-638 .

51 Кузнецов, А.В. Подходы к проектированию современной погружной аккумуляторной батареи глубоководных аппаратов / А.В. Кузнецов, А.Ю. Мазуренко // Морской вестник. – № 3 (55). – 2015 – С. 43-44 .

52 Луценко, А.А. Оценка границ оптимального применения цилиндрических и многосферных прочных корпусов в архитектуре подводных лодок / А.А. Луценко. // Збiрник наукових праць нук – № 6 .

– 2014. – С. 15 53 Малеев, П.И. Проблемы средств навигации автономных необитаемых подводных аппаратов и возможные пути их решения // Навигация и гидрография. – 2015. – № 39. – С. 7-12 .

54 Маркушев, М.В. Влияние гетерогенности структуры на наноструктурирование и прочность высокопрочного алюминиевого сплава / М.В. Маркушев, С.В. Крымский, М.Ю. Мурашкин // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2013. – т. 18. – № 4-2 .

– С. 1974-1975 .

55 Марочник металлов: Титан сплав и марки [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/tit 56 Матвиенко, Ю.В. О проекте создания подводного робототехнического комплекса для исследования предельных глубин океана / Ю.В. Матвиенко, Л.В. Киселев, А.В. Инзарцев, О.Ю. Львов //Подводные исследования и робототехника. – 2016. – № 2(22). – С. 4-12 .

57 Молоков, М.В. Результаты экспериментальных исследований полимерных композиционных материалов на основе низковязких эпоксидных связующих / М.В. Молоков, Д.Р. Низин, Т.А. Низина, О.В. Старцев // Огарёв-Online. – 2014. – Спецвыпуск. – С. 10 .

58 Нечаев, Л.М. Влияние степени гетерогенности на скорость трещины при циклических напряжениях / Л.М. Нечаев, Н.Б. Фомичева, Е.В. Маркова, И.С. Иванькин // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 5. – С. 104 .

59 ОСТ 5.8224-81. Герметизация электроэлементов эпоксидными компаундами. Типовые технологические процессы .

60 Пешехонов, В.Г. Современная морская навигационная техника / В.Г. Пешехонов // Морской вестник. – 2012. – № 02 (42) – С.8 .

61 Пикуль, В.В. К созданию прочных корпусов глубоководной техники из нового композиционного материала - стеклометаллокомпозита // Технические проблемы освоения Мирового океана. – 2007. – т. 2. – С. 155-159 .

62 Пикуль, В.В. К созданию композиционного наноматериала на базе стекла / В.В. Пикуль // Перспективные материалы. – 2008. – № 3. – С. 78-81 .

63 Писаренко, Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев// Киев. «Наукова думка», 1975. – 703 с. ил .

64 Постнов В.А. Проектирование формы носовой оконечности судна с учетом нагрузок при слеминге / В.А. Постнов, Н.А. Тарануха, С.Д. Чижиумов // Судостроение. – 2001. – № 5. – С. 9-13 .

65 Работнов, Ю. Н. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1963. – 456 с .

66 Радченко, А.В. Численное исследование влияния анизотропии физико-механических свойств на разрушения ортотропных композитов при ударе / А.В. Радченко, П.А. Радченко, С.П. Батуев // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – т. 58. – № 3. – С. 31-40 .

67 Регель, В.Р. Структурно-динамическая гетерогенность – основа физики разрушения твердых тел / В.Р. Регель, А.И. Слуцкер // Соросовский образовательный журнал. – 2004. – т. 8. – № 1. – С. 86-92 .

68 Российский морской регистр судоходства. Правила по оборудованию морских судов. Часть V. Навигационное оборудование. НД № 2-020101-083 69 Сагалевич, А.М. Океанология и подводные обитаемые аппараты. М.: Наука, 1987. 256 с .

70 Сагалевич, А.М. Подводные обитаемые аппараты ИО РАН / А.М. Сагалевич // Материалы XIV международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанических исследований (МСОИ-2015)». Москва, 2015. – т. 2. – С. 14-30 .

71 Саранчин, А.И. Индукционный электронный лаг ИЭЛ-2М / А.И. Саранчин, В.Ф. Полковников, В.В. Завьялов // Учеб. пособие. – Владивосток: 2003. – 40 с .

72 Саргсян, А.С. Новые теплостойкие стеклопластики электроизоляционного назначения / А.С. Саргсян, В.Е. Бахарева, // Вопросы материаловедения – СПб.: Изд.-во. ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». – 2016. – №1 (85). – С. 92-98 .

73 Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Т. 3. Электричество: Учебное пособие для вузов / Д.В .

Сивухин. – М.: Наука, 1996. - 704 c .

74 Скрипник, Е.С. Изменение смачивания акриловым компаундом различных поверхностей / Е.С. Скрипник, С.М. Золотов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сборник научных трудов. Днепропетровск, ПГАСА. – 2010. – С. 5 .

75 Суконкин, С.Я. Применение мобильного комплекса многоцелевого необитаемого подводного аппарата рабочего класса ROBUS-6000 для исследования газогидратов / С.Я. Суконкин, А.С. Амирагов, Г.А. Рамадасс // Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2009. – № 4. – С. 1-10 .

76 Указ Президента РФ от 20.07.2017 № 327 «Об утверждении Основ государственной политики Российской Федерации в области военно-морской деятельности на период до 2030 года» .

77 Ушков, С.С. Конструкционные материалы для глубоководных аппаратов / С.С. Ушков, Г.И. Николаев, В.И. Михайлов // Судостроение. – 2004. – № 5. – С. 111-114 .

78 Филимонов, А.К. Подводная робототехника / А.К. Филимонов // Материалы международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». СПб. – 2011. – С. 43-49 .

79 Фролов, И.А. Приоритетные направления развития отечественной судостроительной промышленности / И.А. Фролов // Вестник Нижегородскго университета им. Н.И. Лобачевского. экономические науки. – 2011. – №5 (2). – С. 244-249 .

80 Чигарев, А.В. ANSYS для инженеров: справочное пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчюк, А.Ф. Смалюк М: Машиностроение 2004,. 512 с .

81 Шереметьев, А.В. Выбор необходимых параметров конечно-элементных сеток при расчетах на прочность лопаток авиадвигателей / А.В. Шереметьев, А.В. Петров // Авиационно-космическая техника и технология. – 2014. – № 7 (15). – С. 114-118 .

82 Юреско, Т.А. Сферопластик как тепловая изоляция обитаемых подводных технических средств. Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. – 2014. – № 2. – С. 21-26 .

83 Янковский, А.П. Моделирование процессов теплопроводности в пространственноармированных трубками гибридных композитах с произвольной анизотропией материалов компонент композиции. Инженерно-физический журнал. – 2011. – т. 84. – № 4. – С. 855-866 .

84 Abdul-Karem, W. Effect of vibration after filling on mechanical reliability in thin wall investment casting with fillability filling regime – part 1 / W. Abdul-Karem, N. Green, K.F. Al-Raheem, A.H.A .

Hasan // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – vol. 67. – pp. 2075-2082 .

85 AERONAUTICAL & GENERAL INSTRUMENTS LIMITED – AGILOG 2 speed log system [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.agiltd.co.uk/Naval-Products/ShipNavigation/AGILOG-speed-log 86 ANSYS – Simulation Driven Product Development [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://www.ansys.com 87 BEN Marine - Marine instrumentation [Электронный ресурс].

– Режим доступа:

https://atos.net/wp-content/uploads/2018/08/BEN_Marine_Catalog_Marine_WEB.pdf 88 BEN Marine - Navy instrumentation [Электронный ресурс].

– Режим доступа:

https://atos.net/wp-content/uploads/2018/08/BEN_Marine_Catalog_Navy_WEB.pdf 89 Electrotech Australia [Электронный ресурс].

– Режим доступа:

http://www.electrotech.net.au/wp-content/uploads/2014/01/product-brochure-4.pdf 90 Element Quality [Электронный ресурс].

Режим доступа:

https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/16.2.3/en-us/help/wb_msh/msh_Element_Quality_Metric.html 91 Foster, S.J. The application of steel-fibres as concrete reinforcement in Australia: from material to structure / S.J. Foster // Materials and Structures. – 2009. – vol. 42. – № 9. – pp. 1209-1220 .

92 Inzartsev, A.V. Integrated Positioning System of Autonomous Underwater Robot and Its Application in High Latitudes of Arctic Zone / A.V. Inzartsev, L.V. Kiseljev, Yu.V. Matviyenko et al. // Motion Control. Vienna: InTech. – 2010. – pp. 229-244 .

93 Jakuba, M. Longitudinal control design and performance evaluation for the Nereus 11,000 m underwater vehicle / M. Jakuba, D.R. Yoerger, L. Whitcomb // IEEE/MTS Oceans. – 2007. – pp. 1-10 .

94 John Lilley & Gillie Ltd. – Walker Equipment [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://www.jlgmarine.com/index.php/products/walker-equipment 95 Joon, L. Transfer alignment considering measurement time delay and ship body flexure / L. Joon, L. You-Chol // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2009. – vol. 23. – № 1. – pp. 195-203 .

96 Kute, S.Y. Performance evaluation for enhancement of some of the engineering properties of bamboo as reinforcement in concrete / S.Y. Kute, M.R. Wakchaure // Journal of The Institution of Engineers (India): Series A. – 2013. – vol. 94. – № 4. – pp. 235-242 .

97 Li, Q. The use of adaptive network-based fuzzy inference system for marine AHRS / Q. Li, F .

Sun, F. Yu, W. Gao // Gyroscopy and Navigation. – 2014. vol. 5. – № 2. – pp. 108-112 .

98 Liu, F. China's first deep manned submersible, JIAOLONG / F. Liu,, W. Cui, X. Li, // Science China Earth Sciences. – 2010. – vol. 53. – № 10. – pp. 1407-1410 .

99 Patent United States 1249530, Int. Cl. G01P 5/08. Electromagnetic ships log / C.C. Smith, I .

Slepian – Appl. No. 67,821; filed 20.12.1915; published 11.12.1917 .

100 Patent United States 3114260A, Int. Cl. G01P 5/08. Electromagnetic log / S. Walter, P.E .

Berghausen, J.J. Smith, W.M. Snyder – Appl. No. 588,203; filed 29.05.1956; published 17.12.1963 .

101 Sagalevich, A. Methods of deep dives in whole ice cover conditions // Oceanology. – vol. 56. – № 3. – 2016. – pp. 452-458 .

102 SKIPPER Electronics AS – SKIPPER EML224 COMPACT [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.skipper.no/navigation-speed-logs/119-skipper-eml224-compact 103 Sperry Marine – Display Unit Specifications [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://www.sperrymarine.com/naviknot-speed-log/display-unit-specifications 104 Wang, E. Back to Elements - Tetrahedra vs. Hexahedra / E. Wang, T. Nelson, R. Rauch // 2004 International ANSYS Conference. Pittsburg, PA. May 24–26. – 2004. – 16 p .

105 ZHANG Jian. Overviews of Investigation on Submersible Pressure Hulls / ZHANG Jian, ZUO




Похожие работы:

«МЕТОДОЛОГИЯ Борис БРОДСКИЙ Принцип избирательности в когнитивных системах Сегодня мы заново открываем "Тектологию" А. Богданова . Поиски "всеобщей организационной науки", начатые им...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Саратовской области "Краснокутский политехнический лицей" ПРОГРАММА ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИТОГОВОЙ АТТЕСТАЦИИ по специальности 43.02.13 Технология парикмахерского искусств...»

«Четыре элемента в именах Ваагн (Vahagn), Зевс (Zeus) и Яхве (Yahwe) Посвящается первооткрывателям четырех стихий Проф. Г. Ваганян, канд. иск. В. Ваганян Оглавление Вместо введения Имена Бога “Б-г” Новый Завет Тетраграмматон,Четыре Этимология Тейшеба Theispas Бел Баал Хаддад Сетх Сила имени Бога Вместо...»

«2 СОДЕРЖАНИЕ стр.1. Паспорт рабочей программы производственной практики 4 2. Результаты освоения рабочей программы производственной практики 6 3 . Тематический план и содержание производственной практики 7 4. Условия реализации рабочей программы производственной п...»

«М. П е н ж и е в О КЯРИЗНОМ ОРОШЕНИИ И ОРОШЕНИИ ЛАГЫМАМИ В ТУРКМЕНСКОЙ ССР Туркмения принадлежит к числу тех стран Востока, в которых, к а к отмечал Ф. Энгельс, первым условием земледелия является искусственное орошение 1. Одна из разновидностей искусственного о р о ш е н и я — к я ризное 2. Оно было особен...»

«SECRETS AND LIES DIGITAL SECURITY IN A NETWORKED WORLD Bruce Schneier Wiley Computer Publishing John Wiley & Sons, Inc. New York • Chichester • Weinheim • Brisbane • Singapore • Toronto...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" -УТВЕРЖДАЮ" Зам. директора ИК по учебной работе Гайворонский С.А. " _ " 2015 г. ПРЕДДИПЛОМН...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ ШЕСТЬДЕСЯТ СЕДЬМАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ СТУД...»

«РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВЗЛЕТ МР исполнение УРСВ-311 КРАТКОЕ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ВНИМАНИЕ! Перед началом работ обязательно ознакомьтесь с эксплуатационной документацией на расходомер, поставляемой на CD-носите...»

«REQUEST FOR PROPOSAL (RFP)/ ЗАПРОС НА ПОДАЧУ ПРЕДЛОЖЕНИЯ (ЗП) UNDP National Programme Management DATE: 29 April 2016/ ДАТА: 29 апреля 2016 Unit / Национальный Отдел реализации Reference: RFP PMU 16/021 Support to the Government Office Проектов ПРООН to develop a m...»

«No. AJ150388-1 EC Declaration of Conformity complies with essential requirements of the Article 3 of the Radio Equipment Directive(2014/53/EU) and the Other relevant provisions, when used for its intended purpose.1.We, authorized representative in Europ...»

«Мираж-GSM-A8-01: полное руководство по эксплуатации (ред. 06.06.2014) Оглавление 1. Введение 1.1. Назначение контроллера Мираж-GSM-A8-01 1.2. Меры предосторожности и особые замечания 1.3. Техническая поддержка 1.4. Значение терминов и аббревиатур 2. Комплект поставки, маркиро...»

«ОАО "ПИНСКИЙ ОПЫТНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАВОД" НАСОСЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ СЕКЦИОННЫЕ ЦНС 38-44.220 ЦНСГ 38-44.220 ЦНСМ 38-44.220 ЦНС 60-66.330 ЦНСГ 60-66.330 ЦНСМ 60-66.330 ЦНС 13-70.350 ЦНСГ...»

«РЕКОМЕНДАЦИИ И ПРИМЕРЫ РАБОТЫ с GDS и АСБ для АВИАКАССИРОВ (АГЕНТОВ) HELP DESK AVIA AВИАПЕРЕВОЗКИ Введение ТЕРМИНЫ АВИАПЕРЕВОЗОК ООО "АВИА-ЦЕНТР" © AVIA CENTR & TRAINING DEPARTMENT. 2017. УЧИТЬСЯ У ПРОФЕССИОНАЛОВ. Проект "HELP DESK AVIA" (HD) @...»

«РАБОТА 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА Цель работы: определить среднюю длину свободного пробега и эффективный диаметр молекул газа. Введение Молекулы газа, находясь в тепло...»

«Н О В Ы Е Н А Х О ДК И П Р Е Д М Е Т О В С И З О Б Р А Ж Е Н И Е М ЛЬВО В И З М ЕГРА ДЗО РА Л Е О Н И Д БИЯГОВ Экспедиция Института археологии и этнографии АН Армянской: С С Р летом 1982 г. провела исследование могильника и крепости, р ас­ положенных н...»

«О ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОМПАНИИ • О компании • Презентация • Продукция • Система менеджмента качества – ISO 9001 • Организационная структура • Список поставщиков • Перечень выполненных проектов Февраль 2014 г. О компании B.C.E. – Burners and Combustion Equipment sr...»

«/ 41 Ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова. В.А. Загрядский, М.И. Крайнев, ИАЭ-4421/8 Д.Ю. Чувнлин К ВОПРОСУ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ АБСОЛЮТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ СКОРОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ Th(n,f), 2 3 2 Th(n,7), 2 3 8 U(n,f) И 2 3 8 О(п,т) В ИНТЕГРАЛЬНЫХ...»

«ЖК-мониторы ASUS PA27AC: Инструкция пользователя ЖК-монитор серии PA27A Руководство пользователя Первое издание Сентябрь, 2017 год © ASUSTeK COMPUTER INC., 2017 Все права защищены. Ни...»

«Архив t-z-n.ru Всеволод Арабаджи, ЗАГАДКИ ПРОСТОЙ ВОДЫ, – М.: Знание, 1973 Предисловие Вода играет большую роль в нашей жизни. Что бы делало человечество без воды, даже трудно представить. По-видимому, оно просто бы не существовало. С водой на нашей планете связаны не только жизнь и климат, но и работа большинства отраслей народного хозя...»

«ЦАГСАД Центральноазиатская группа по сбору и анализу данных ПРАЗДНИЧНЫЕ ДНИ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ Часть I: Законодательство и официальные праздники Региональный обзор данных в Центральной Азии № 11, март 2015 В 2009 году Норвежский институт международны...»

«Данилов Юрий Игоревич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ Специальность: 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве АВТОРЕФЕРАТ диссерт...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.