Испытания с использованием моделей

Испытания с использованием моделей включают проведение расчетов на математических или физико-математических моделях объекта испытаний и воздействий на него в сочетании с натурными испытаниями объекта и его составных частей (опытно-теоретический метод испытаний), а также применение физической модели объекта испытаний или его составных частей.

Применение этих методов позволяет отказаться от ряда сложных физических испытаний реальных изделий или их макетов.

Физическое моделирование

Физическое моделирование заключается в том, что первичный параметр объекта испытаний (процесс в элементе схемы или какое-либо внешнее воздействие) заменяется простой физической моделью, способной имитировать изменения данного параметра. Физическое моделирование может осуществляться несколькими статистическими методами испытаний.

Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) заключается в том, что при помощи многократных случайных испытаний (вычислений, производимых над случайными числами) определяют вероятность появления некоторого случайного события (математического ожидания случайной величины). Данный метод позволяет установить характеристики надежности, исходя из предположения, что известен механизм отказов при различных сочетаниях значений параметров изделий, выбираемых случайным образом согласно заданной статистической модели.

Метод статистических испытаний физическим моделированием объекта предусматривает проведение испытаний на реальных объектах или их электронных моделях. При испытаниях на реальных объектах производят исследование возможных причин возникновения отказов изделий и их последствий путем искусственного введения в схему обрывов, коротких замыканий или установки комплектующих элементов с параметрами, выходящими за допустимые нормы. Проведение испытаний на электронных моделях объекта заключается в том, что определенные комплектующие элементы схемы заменяются физическими моделями, позволяющими изменять величины характеризующих их параметров. Моделирование различных элементов осуществляют на специальных стендах, где воспроизводят случайные процессы изменения параметров комплектующих элементов.

Примеры испытаний сложных конструкций и сооружений

В качестве примера проведения испытаний на масштабных моделях можно привести опыт работы лаборатории моделирования и испытания конструкций (МИК) открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС), который свидетельствует о весомых результатах испытаний на моделях самых разных сооружений, находящихся в разнообразных условиях строительства и эксплуатации. Многолетняя практика лаборатории МИК исследования сложных сооружений на физических моделях позволяет разделить модели на три категории: контрольные, рабочие и аварийные (названия приняты в лаборатории МИК).

Контрольные модели применяются в том случае, когда приняты все решения по данной конструкции, сделаны все расчеты, создан рабочий проект. Моделированию отводится роль инструмента проверки обоснованности принятых конструктивно-технологических вариантов. Этот аспект работы на моделях крайне важен с экономической точки зрения: до начала строительства еще можно уберечь от ошибок, еще не так сложно и дорого что-то исправить. Кроме того, важно получить полную уверенность в надежности и безопасности возводимого объекта.

К этой категории модельных испытаний можно отнести и проверку на модели работы перекрытия спортивной арены стадиона в Крылатском в Москве (рис. 2.1).

Модель перекрытия конькобежного центра в Крылатском

Рис. 2.1. Модель перекрытия конькобежного центра в Крылатском

Эксперименты наглядно показали, что разработанный проектировщиками метод подъема перекрытия с временных опор только путем натяжения 19 вант не может быть осуществлен из-за недостаточной вертикальной жесткости этого перекрытия. Натяжение вант по одиночке приводило к местному отрыву перекрытия и одновременной его просадке в некотором отдалении от натягиваемого ванта. Предложения ОАО ЦНИИС иной технологии подъема, сформированные на базе исследований физической модели, были реализованы и доказали правильность принятого решения.

Рабочие модели исследуются параллельно с поиском проектировщиками наиболее рациональных вариантов конструкции. На модели (часто - на моделях) изучаются особенности работы разных конструктивных вариантов, экспериментально проверяется качество предлагаемых решений, отбраковываются негодные или не самые эффективные. Результаты таких модельных экспериментов сразу учитываются при разработке проекта. Нередки случаи, когда некоторые данные проще получить именно из моделирования, а не из расчетов. В качестве примера такой тесной работы с проектировщиками можно привести испытания моделей вантового моста в Сургуте через реку Обь.

Если на модели всего вантового пролетного строения (масштаб 1:30) изучались особенности навесного монтажа и была доказана возможность такого монтажа, вызывавшего скептические отзывы крупных мостовиков, то на модели фрагмента этого пролетного строения, выполненного в масштабе 1:12, определялось распределение усилий от вант по всем поперечным элементам конструкции. По сведениям проектировщиков, эти результаты модельного эксперимента были положены в основу проектирования балки жесткости.

Модель вантового моста в Серебряном Бору

Рис. 2.2. Модель вантового моста в Серебряном Бору

Аварийные модели, как это следует из самого названия, появляются, когда в уже созданном сооружении или его части обнаружились опасные дефекты или возникает аварийная ситуация. С помощью модели в этом случае необходимо определить, почему начались нежелательные процессы, сопоставить выводы, полученные на модели, с параметрами, которые взяты из расчета.

Наиболее яркий пример такой ситуации - обрушение одного из разводных пролетов моста Александра Невского в Ленинграде в 1983 г.

При поднятии разводного пролета у одной его половины отвалился противовес массой 700 т. Этот пролет длиной 26 м стал падать, но от полного падения его задержали случайные для этой ситуации конструкции, которые не были рассчитаны на такую нагрузку.

Лаборатории моделирования в течение четырех месяцев удалось определить причину обрушения противовеса и пролета (наряду с теми, кто проводил натурные испытания и расчеты). Следует отметить, что за отпущенный срок была изготовлена подробная модель пролетного строения, проведены исследования, дающие полную информацию о причинах разрушения пролета.

На модели, выполненной из гипсобетона, исследовалась опора автодорожного моста в городе Саратове (рис. 2.3).

В ряде этих опор при эксплуатации трехкилометрового моста появились трещины. Для выяснения причин их возникновения была изготовлена модель из армированного гипсобетона, которая позволила проследить процесс появления и развития трещин. Было установлено, что причиной трещинообразования стали местные напряжения, возникшие в месте резкого изменения ширины опоры. Именно в этом месте образовались трещины, получившие впоследствии свое развитие вверх.

Модель опоры моста через Волгу в Саратове с наклеенными тензорезисторами и обозначениями трещин

Рис. 2.3. Модель опоры моста через Волгу в Саратове с наклеенными тензорезисторами и обозначениями трещин

Для восстановления опор с трещинами были применены эпоксидный клей и стальные бандажи, стягиваемые высокопрочными болтами.

Все приведенные примеры могут быть дополнены и другими исследованиями на физических моделях сложных инженерных сооружений - внеклассных мостов и большепролетных перекрытий спортивных комплексов. Все это свидетельствует о необходимости своевременного проведения исследований на физических моделях - именно они являются той надежной гарантией, которая в дальнейшем позволяет избежать тяжелых последствий.

Математическое моделирование

Создание принципиально новых машин (машин будущего) требует совершенствования методов математического моделирования и построения новых моделей. Это в значительной мере относится к уникальным объектам новой техники (атомная и термоядерная энергетика, ракетная, авиационная и криогенная техника), а также к новым технологическим, транспортным аппаратам и устройствам (лазерные и импульсные технологические установки, системы на магнитной подвеске, глубоководные аппараты, адиабатные двигатели внутреннего сгорания и др.).

Математическая модель (ММ) - это образ исследуемого объекта, создаваемый в уме субъекта-исследователя с помощью определенных формальных (математических) систем с целью изучения (оценки) определенных свойств данного объекта.

Затраты в случае применения математических моделей по сравнению с физическим моделированием сокращаются примерно в 10..Л00 раз.

Вычислительный эксперимент становится новым методом анализа сложных машин, рабочих процессов и системы «машина - человек - среда». Математическое моделирование проводят в несколько стадий.

Стадия 1. Начинают моделирование с постановки и уточнения задачи, рассмотрения физических аспектов, определения степени влияния на моделируемые процессы различных факторов в программируемых условиях функционирования моделируемых систем или процесса.

Стадия 2. Строят математическую модель, включающую в себя математическое описание моделируемого процесса или механической системы в соответствии с закономерностями кинематики и динамики, поведения материалов под действием нагрузок, температур и т. д. Модель исследуют по таким направлениям, как соответствие поставленной задаче, существование решения и т. п.

Стадия 3. Выбирают вычислительный алгоритм решения задачи моделирования. Современные численные методы позволяют снять ограничения на степень сложности математических моделей.

Стадия 4. Используя современные математические пакеты программ, такие как MathCad или Matlab, которые обладают большим набором возможностей и функций и позволяют решать задачи как аналитическими, так и численными методами, проводят вычислительные эксперименты. При этом особое внимание уделяют грамотности и правильности представления решений.

Стадия 5. Анализируют полученные результаты, сопоставляют их с данными физических экспериментов на натурных образцах изделий. В случае необходимости ставят задачу уточнения выбранной математической модели с последующим повторением указанных выше стадий.

После завершения работ по математическому моделированию формируют общее заключение и выводы по конструкторским, технологическим и эксплуатационным мероприятиям, связанным с созданием новых материалов и технологий, обеспечением условий надежной и безопасной работы машин, удовлетворением требований эргономики и экологии.

В последнее время чисто математическое моделирование крайне редко встречается при проектировании и конструировании механизмов и деталей. Традиционное математическое моделирование при проектировании современных механизмов и деталей заменяется на компьютерное моделирование. В связи с быстрыми темпами развития компьютерных технологий появилась возможность проводить испытания, не создавая физическую модель. Первым этапом математического моделирования является создание геометрической модели изделия. Этот этап можно осуществлять в таких программах, как Компас 3D, Solid Works. После первого этапа выполняется перенос самой геометрии нового изделия в условия его эксплуатации, при которой можно задавать определенные параметры, в том числе параметры, превышающие заданные значения испытаний, можно наблюдать, как будет вести изделие в условиях его эксплуатации.

Основным методом, применяемым современными программными продуктами, является метод конечных элементов. Подобное моделирование помимо точности вычисления и наглядного представления о поведении объекта исследования в заданных условиях ускоряет процесс проектирования и уменьшает затраты на выполнение исследований с физическими моделями.

Основной недостаток метода - необходимость осуществления огромного объема теоретических и экспериментальных исследований для определения соотношений, характеризующих математическую модель объекта, что требует применения ЭВМ с высоким быстродействием и большим объемом памяти, а также знания вероятностных характеристик первичных (входных) параметров. Необходимость проведения огромного объема экспериментальных исследований, техническая сложность выполнения физических моделей целого ряда устройств (например, высокочастотных, импульсных и др.), высокая стоимость и длительность проведения испытаний не стимулируют широкого применения методов физического и математического моделирования в практике испытаний изделий и поэтому здесь подробно не рассматриваются.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >