Двухэтапная математическая модель оценки режимов вынужденных вибраций элемента обшивки летательного аппарата с примением оптоволоконных технологий

Цель исследования – разработка математической модели вибрационных колебаний элемента обшивки летательного аппарата, выполненного в форме пластины, с двухэтапным преобразованием «параметры вибрационной нагрузки – деформация пластины – изменение длины волны оптического сигнала» для осуществления учёта количества циклов нагружения и их характеристик, накопленной усталостной деформации пластины и её ресурса до наступления критичного состояния с целью оптимизации плановых ремонтов и снижения рисков непрогнозируемых отказов, связанных с усталостными явлениями в материале обшивки и несущих конструкциях летательного аппарата.

Методы. Для описания математической модели в качестве входных данных используются параметры вибрационного сигнала гармонического характера. Рассматривается двухэтапное преобразование: во-первых, параметров вибрационного сигнала (частота, амплитуда) в амплитуду вибрационных колебаний элемента обшивки летательного аппарата, выполненного в форме пластины; во-вторых, амплитуды колебаний рассматриваемой пластины в изменение длины волны оптического сигнала, наличие которого обусловливается применением оптоволоконных технологий, перспективных для построения современных систем контроля и диагностики летательных аппаратов.

Результаты. Предложенная математическая модель позволяет расчетно-аналитическими методами произвести оценку амплитуды вынужденных вибрационных колебаний элемента обшивки летательного аппарата, обусловливающей отсутствие расхода ресурса пластины ввиду воздействия циклов нагружения (имеет место только естественное старение материала), расход ресурса пластины в режиме упругой деформации, накопление усталостной деформации образца. Результирующая деформация пластины выражается в изменении длины волны светового луча для детектирования и анализа системой контроля и диагностики летательного аппарата, выполненной на базе оптоволоконных технологий.

Заключение. Предложенная математическая модель предназначена для осуществления оценки остаточного ресурса конкретного элемента обшивки летательного аппарата, предполагает последующее программное моделирование для подтверждения корректности или уточнения полученного алгоритма расчёта.

1. Коптев Д. С., Мухин И. Е. Практические результаты расчетно-экспериментальных исследований по определению диапазонов изменения основных контролируемых параметров перспективных авиационных комплексов // Известия Юго-Западного государственного университетю. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2023. Т. 1, № 3. С. 39–60.

2. Сизонов И. И., Мухин И. Е., Барабушка А. С. Подходы к определению остаточного ресурса основных узлов вертолёта с учётом выполненных профилей полёта // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2023. Т. 1, № 3. С. 61– 73.

3. Бушуева М. Е., Беляков В. В. Диагностика сложных технических систем // Разработка радиационно стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа: труды 1-го совещания по проекту НАТО SfP–973799 Semiconductors. Н. Новгород: Талам, 2001. С. 63–98.

4. Мухин И. Е., Селезнев С. Л. Стратегия разработки систем диагностики и прогностии технического состояния перспективных летательных аппаратов // Форум «Армия2023»: материалы круглого стола. М.: Кубинка-1, 2023.

5. Fiber Optic Sensors in Structural Health Monitoring / José Miguel López-Higuera, Luis Rodriguez Cobo, Antonio Quintela Incera, Adolfo Cobo // Jounal Of Ligtwave Tecnology. 2011. Vol. 29, N 4. P. 587–608.

6. Fidanboylu K., Efendioglu H. S. Fiber Optic Sensors And Their Applications // International Advanced Technologies Symposium (IATS’09), May 13–15, 2009. Karabuk, Turkey. P. 72–78.

7. Варжель С. В. Волоконные брэгговские решетки. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 65 с.

8. Медведков О. И., Королев И. Г., Васильев С. А. Запись волоконных брэгговских решеток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных свойств / Российская академия наук. М., 2004. 46 с.

9. Russell S. J. A novel method for the localization of buried optical cables, where an incident EM-wave modulated the polarization of guided light using the Faraday effect // Measurement science and technology. 2004. N 15. P. 1–8.

10. Торгованов А. О., Московитин Г. В. Экспериментальное исследование деградации упругих свойств алюминиевых образцов при циклическом нагружении // XXXI Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС – 2019): сборник трудов конференции / Институт машиноведения им. А. А. Благонравова Российской академии наук. М., 2019. С. 191–194.

11. Виброскоростная характеристика усталостного разрушения материала и конструкций / И. Н. Овчинников, А. В. Артемьев, В. Н. Бакулин, Д. В. Бакулин, И. Д. Неутов [и др.] // Материалы XXI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2019), 2019 г., Алушта. М.: Издательство Московского авиационного института, 2019. С. 308– 310.

12. Вибрация в технике / под ред. В. Н. Челомея. М.: Машиностроение, 1981. Т. 5. 496 с.

13. Жихарь А. И., Лубенко В. Н. Вибрационная математическая модель судовых трубопроводов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2007. № 2 (37). С. 103–106.

14. Ермишкин В. А., Овчинников И. Н. Оценка опасности режимов циклического нагружения для усталостной повреждаемости материалов // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: труды Международной научно-технической конференции. Самара, 2003. С. 414–421.

15. Овчинников И. Н. Диагностика усталостного разрушения материала через достоверность результатов испытаний на вибрацию // Материалы XII Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (NPNJ’2018), 2018 г., Алушта. М.: Издательство Московского авиационного института, 2018. С. 425–427.

16. Ovchinnikov I. N., Stepnev V. A., Brantsevich P. Yu. Authenticity of the equivalent vibration tests // Proceedings 19 International Congress on Sound and Vibration. Vilnius, Lithuania, 2012. P. 45.

17. Вибрация в технике / под ред. В. Н. Челомея. М.: Машиностроение, 1981. 496 с.

18. Ермишкин В. А., Мурат Д. П., Лепёшкин Ю. Д. Фотометрическая диагностика усталостного разрушения металлических материалов // Деформация и разрушение ма териалов и наноматериалов: сборник статей по материалам II Международной конференции / Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН. М., 2007. С. 605–613.

19. Остаточные напряжения и портативные рентгеновские дифрактометры для их определения / А. В. Котелкин, А. Д. Звонков, А. В. Лютцау, Д. Б. Матвеев. М.: ИРИАС, 2009. С. 423–435.

20. Определение остаточного ресурса и методы повышения уровня безопасности при эксплуатировании конструкционных материалов в авиации / А. В. Котелкин, И. Г. Роберов, Д. Б. Матвеев, И. С. Леднев // Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 1 (4). С. 104–113.