Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном к

го торца, наименьшие – на свободном торце. Значение максимальных деформаций составляет 0,006 %. Зона концентрации напряжений находится вблизи области приложения нагрузки. Наибольшие напряжения достигают значения 12 МПа. Минимальные напряжения наблюдаются на свободном торце модельной камеры. Можно отметить, что условия прочности выполняются.

В рамках этого этапа сформулированы требования к рабочим параметрам и конструкции экспериментальной установки (рис. 2.10). Предварительные расчеты показали, что для обеспечения необходимой резонансной частоты колебаний к торцу модели модельной камерыдолжен бытьприсоединен грузмассой 24,12 кг.

Рис. 2.10. Конструктивная схема модельной камеры: 1– корпус ; 2, 3 – крышки ; 4, 5 – штуцеры ; 6 – диски

Сформулированы следующие требования, предъявляемые

кэкспериментальной установке:

–основание должно обладать необходимым запасом прочности и жесткости, обеспечивать необходимую ориентацию и надежноекреплениемодельнойкамерыэкспериментальнойустановки;

–конструкция модельной камеры должна обеспечивать настройку резонансного взаимодействия в системе «поток газа – конструкция»; возможность оснащения корпуса модельной камеры необходимыми средствами измерения, с помощью которых можно получить информацию о параметрах потока рабочего тела и уровне деформаций конструкции в контрольных точках; возможность установки сменных корпусов, отличающихся материалом и геометрическими характеристиками; модельная камера не должна является сосудом, работающим под давлением;

32

– сиcтема регистрации, измерения и анализа должна обеспечивать регистрацию на ПК временных зависимостей давления, виброускорений, виброскоростей и виброперемещений

внескольких контрольных точках конструкции; точность измерений; проведение комплексного анализа сигналов, включая спектральный анализ; обработку файлов измерения в MS Excel;

–система возбуждения колебаний должна обеспечивать безопасную работу на экспериментальной установке.

Исходя из этого можно предложить схему экспериментальной установки, которая представлена на рис. 2.11. Модельная камера вертикально устанавливается на основание. Крепление ограничивает возможность смещения модельной камеры под действием волн давления. Для моделирования потока газа предусмотрена система подачи и отвода рабочего тела (газа). На первом этапе

вкачестве рабочего тела взят воздух. Такая конструкция модельной камеры позволяет реализовать несколько вариантов возбуждений колебаний воздухав экспериментальной установке.

Рис. 2.11. Конструктивная схема экспериментальной установки

33

Вместе с тем актуальной является проблема обеспечения устойчивой работы насосных установок. Для анализа гидродинамических процессов, связанных с колебаниями конструкции, предлагается другая конструкция рабочей камеры.

При проектировании экспериментальной установки по исследованию гидроупругости вопрос обеспечения необходимой резонансной частоты колебаний в системе «жидкость– конструкция» является важнейшим. Поэтому компоновочная схема экспериментальной установки должен предусматривать возможность регулирования некоторых параметров (массы падающего груза, уровня воды и др.).

Известно, что резонанс наблюдается при близости частот продольных колебаний в жидкости и в конструкции fж = fк.

Из этого следует, что геометрические и физико-механические характеристики модельной камеры должны быть подобраны так, чтобы выполнялось это условие.

В ряде случаев, для системы в целом, значения fж и fк

могут отличаться. Необходимые значения частот можно получать при варьировании (подборе) характеристик конструкции

ипараметров нагрузки. Таким образом, потребуется дополнительная настройка модельной камеры на резонансный режим.

Была предложена схема экспериментальной установки по моделированию резонансных режимов (рис. 2.12). Установка состоит из основания, набора грузов, которые создают дополнительную массу на основании – имитация заделки; рабочей трубы длиной 440 мм, которая сваривается с нижним фланцем. Труба стоит на массивном основании и жестко закреплена.

Вкамеру заливается рабочее тело – вода. Предполагается два способа возбуждения колебаний: пневмопушкой (рис. 2.12, а)

испециальным бойком (рис. 2.12, б). В первом случае на цилиндр сверху ставится пневмопушка, которая может генерировать импульсы с частотой до 20 Гц. Во втором случае – поршень в рабочем цилиндре удерживается за счет двух резиновых уплотнений, надетых на него и установленных в специальные канавки. Воздействие бойка на поршень вызывает гидроудар. Уплотнения

34

числительный комплекс фирмы National Instruments NI PXI-1050. Результаты выводятся в файл и на монитор.

Расчет ударных нагрузок на жидкость сводится к определению статического давления бойка на поршень, расположенный вверхней части цилиндра над «зеркалом» жидкости. Цилиндр представляет собой трубу изалюминиевого сплава [5].

В статическом расчёте полагается, что боёк опускается на поршень без импульса (см. рис. 2.12), то есть учитывается только собственная масса бойка, действующая на площадь поршня Sп.

Для определения давления в жидкости при ударных нагрузках используем методику [6].

Для проверки прочности цилиндра на удар сформулирована следующая расчетная модель: столб жидкости (рабочая среда) полагается трёхмерным; рабочее тело представляет собой жидкость, которая полагается сжимаемой; конструкция осесимметричная (x, r, z), трёхмерная; материал конструкции – упругий, сжимаемый.

Трехмерная математическая модель (рис. 2.13) для исследования процессов в динамической системе «жидкость – конструкция» разработана на основе математической модели для изучения процессов в системе «газ – конструкция» [3]. Математическая модель гидродинамики основывается на законах сохранения массы, импульса, энергии и замыкается уравнениями состояния для сжимаемой жидкости, а также начальными и граничными условиями.

Рис. 2.13. Физическая модель

36

Математическая модель для оценки напряженно-деформи- рованного состояния (НДС) конструкции базируется на законах сохранения массы, импульса, соотношениях для определения перемещений, геометрических соотношениях Коши и обобщенном законе Гука.

Гидродинамика и расчет НДС рассматривались параллельно в разных программных пакетах (ANSYS – для гармонического и модельного анализа и расчета НДС, FlowVision – для расчета гидродинамики).

Для создания расчетной области, моделирующей камеру (рабочий цилиндр), использовался геометрический препроцессор ANSYS (Design Modeler). В данной области проводится модальный анализ для определения собственных частот конструкции, а также гармонический анализ. В расчете принималась трехмерная модель конструкции.

Также добавлено кольцо из материала с назначаемой в вычислительном эксперименте плотностью для того, чтобы была возможность варьировать величину присоединенной массы.

Граничные условия для модального анализа– жесткая заделка в основании цилиндра. Для гармонического анализа: жесткая заделка, присоединенная масса, распределенное давление по внутренней поверхности цилиндра и гравитация (гравитацией можно пренебречь ввиду ее малого влияния). Граничные условия задавались по всей расчетной области. По образующей – граничное условие «стенка», на одном торце – «вход /выход», на другом торце– «стенка». Материал конструкции – алюминиевый сплав.

В качестве рабочего тела рассматривается жидкость (вода). Температура рабочей среды равна 293 К (20 °C).

Расчетная сетка имеет равномерную структуру в плоскости поперечного сечения модели жидкости, а в продольном направлении она разделена на более длинные равномерные элементы.

Модальный и гармонический анализ конструкции проводился в расчетном прикладном пакете ANSYS Workbench.

37

Также был проведен гармонический анализ данной конструкции. Кроме жесткой заделки, прикладывалось давление по внутренней стенке равномерно (2,2 МПа).

По результатам вычислительных экспериментов получены собственные частоты продольных колебаний. С увеличением присоединенной массы частота продольных колебаний конструкции уменьшается.

Верификация результатов вычислительных экспериментов для исследования процессов в динамической системе «газ – кон - струкция» проводилась с использованием измерительного комплекса на базе модульной платформы PXI\SCXI National Instru- ments и программного обеспечения Lab VIEW.

Для возбуждения акустических колебаний использовался динамик. С помощью программы «Генератор» задается частота сигнала.

Вконтрольных точках внутри модельной камеры устанавливается три микрофона конденсаторного типа с частотным диапазоном 50 Гц–16 кГц, тип разъема 3,5 мм Jack. Микрофон является датчиком относительного (дифференциального) давления в газах.

Также в контрольных точках на корпус модельной камеры

спомощью монтажного воска устанавливаются три датчика виброускорений PCB 352 C03 со следующими характеристиками: чувствительность 10 мВ/g, частотный диапазон 0,3 Гц – 15 кГц,

масса 5,8, разъем 10–32 Jack.

Вкачестве измерительной системы использовалось шасси NI PXI\SCXI_1050 с установленным модулем сбора динамических сигналов NI PXI_4472 B. Модульная платформа PXI\SCXI предназначена для создания многофункциональных и высокопроизводительных автоматизированных измерительных систем.

Для проведения физических экспериментов на опытной экспериментальной установке использовался виртуальный прибор (ВП) «Флаттер», разработанный в среде LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). LabVIEW позволяет

38

разрабатывать прикладное программное обеспечение для организации взаимодействия с измерительной и управляющей аппаратурой, сбора, обработки и отображения информации и результатов расчетов, а также моделирования как отдельных объектов, так и автоматизированных систем в целом. Разработчиком LabVIEW такжеявляетсяамериканская компания National Instruments [1].

Функциональные возможности ВП определяются его блок-диаграммой, которая является графической реализацией алгоритма.

Программа «Флаттер» позволяет отображать сигналы с микрофонов и вибродатчиков в режиме реального времени в виде диаграмм, непрерывно регистрировать данные с измерительных каналов, проводить комплексный анализ сигналов, включая их Фурьеобработку. Также предусмотрена возможность записи файлов акустических измерений для их последующей обработки. Результаты могутбытьэкспортированывMS Excel.

Эксперименты проводились на опытной установке

(см. рис. 2.11).

Вмодельную камеру устанавливался динамик мощностью 10 Вт. В начальный момент времени давление в модельной камере равно атмосферному.

Рассматривались колебательные процессы, возникающие при работе динамика, на который подавался сигнал в диапазоне от 100 до 400 Гц с шагом 10 Гц. Частота продольных колебаний рабочей камеры определялась количеством регулировочных дисков.

Вконтрольных точках модельной камеры устанавливались три микрофона и три датчика виброускорений, сигналы

скоторых записывались в каждом эксперименте.

Обработка результатов физических экспериментов позволила получить зависимости виброускорений корпуса модельной камеры и звуковых колебаний от частоты сигнала генератора. На рис. 2.14 приведены графики для варианта конструкции без регулировочных дисков. По основной вертикальной оси (справа) отложены значения виброускорений [м/с2], по вспомогатель-

39

ной (слева) – звуковых колебаний [В], по горизонтальной оси – частота сигнала генератора.

Рис. 2.14. Результат физического эксперимента для вариантов без регулировочных дисков

Из графиков видно, что максимальные значения виброускорений наблюдаются при частоте возбуждения колебаний 300 Гц. Кроме того, по графикам, полученным с микрофонов, можно видеть, что максимальные значения наблюдаются при частоте 200 Гц. Для уточнения результатов необходимо провести дополнительные эксперименты.

Колебания, зафиксированные датчиками вибрации, имеют максимум на частотах, соответствующих полученным аналитически и в численном эксперименте. Колебания, зафиксированные микрофонами, имеют максимум, отличающийся по частоте на 30 % от полученных в ходе предварительных численных и аналитических расчетов.

График виброускорений с датчика, находящегося вблизи динамика, имеет большую амплитуду, чем с датчика, находящегося в средней части модельной камеры. Но график с наиболее удаленного от динамика датчика идет выше предыдущих, что можно объяснить условиями отражения от жесткой стенки.

Графики с микрофонов по значениям на частоте 200 Гц располагаются в порядке убывания амплитуд следующим образом: вблизи динамика, самый дальний и средний. Это соответствует стоячей волне с узлом посередине камеры и пучностями на

40