КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ...
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2016, том 16, № 4
738
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
июль
–
август 2016 Том 16 № 4 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru
/
SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS
July–August 2016 Vol. 16 No 4 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/en
УДК 629.5.05
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ДАТЧИКА ИНДУКЦИОННОГО ЛАГА
Ю.Л. Аванесов
a
, А.С. Воронов
a,b
, М.И. Евстифеев
a,b
a
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 197046, Российская Федерация
b
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация,
Адрес для переписки: Al.s.voronov@yandex.ru
Информация о статье
Поступила в редакцию 04.04.16, принята к печати 14.06.16
doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-4-738-744
Язык статьи – русский
Ссылка для цитирования: Аванесов Ю.Л., Воронов А.С., Евстифеев М.И. Компьютерное моделирование прочностных характе-
ристик датчика индукционного лага // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16.
№ 4. С. 738–744. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-4-738-744
Аннотация
Предмет исследования. Исследованы проблемы недостаточной прочности датчика индукционного лага.
Проанализирована конструкция датчика индукционного лага для глубоководных аппаратов, построена
математическая модель. Продемонстрированы конструкторские и технологические решения, способствующие
повышению эксплуатационных характеристик данного типа лага. Метод исследования. Исследование выполнено с
применением метода конечных элементов в пакете прикладных программ ANSYS. Расчеты проведены в модуле
static structural, в котором создана нагрузка, имитирующая внешнее гидростатическое давление. Для проверки
сходимости результатов выполнен анализ модели встроенными средствами оценки качества элементов. При
расчетах все материалы приняты изотропными. Основные результаты. Представлены пути повышения прочности
забортных средств измерения скорости судна. Методом конечно-элементного анализа получены результаты расчета
напряженно-деформированного состояния приборов под воздействием забортной воды при различных глубинах.
Указаны технологические особенности производства датчика. Приведены рекомендации по изменению конструкции
для увеличения его прочности, подтвержденные компьютерным моделированием. Практическая
значимость. Указанные пути повышения прочности прибора позволяют расширить сферу его использования.
Полученные результаты могут быть применены при модернизации, проектировании и конструировании новых
датчиков индукционных лагов, работающих при повышенных давлениях.
Ключевые слова
глубоководные исследования, индукционный лаг, прочность
COMPUTER SIMULATION OF ELECTROMAGNETIC LOG SENSOR STRENGTH
CHARACTERISTICS
Y.L. Avanesov
a
, A.S. Voronov
a,b
, M.I. Evstifeev
a,b
a
Concern “CSRI Elektropribor” JSC, Saint Petersburg, 197046, Russian Federation
b
ITMO University, Saint Petersburg, Russian Federation
Corresponding author: Al.s.voronov@yandex.ru
Article info
Received 04.04.16, accepted 14.06.16
doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-4-738-744
Article in Russian
For citation: Avanesov Y.L., Voronov A.S., Evstifeev M.I. Computer simulation of electromagnetic log sensor strength characteristics.
Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 4, pp. 738–744. doi: 10.17586/2226-
1494-2016-16-4-738-744
Abstract
Subject of Research. The problems of insufficient strength of the EM log sensor are studied. The EM log sensor design for
deep-sea vehicles is analyzed; a mathematical model of EM log sensor is built. The design and technological solutions that
improve the performance of this type of log are shown. Method. The study was performed using the finite element method in
the ANSYS software. The calculations were performed in the static structural module, in which the load was created in the
way that simulated the external hydrostatic pressure. To check the reproducibility the analysis of model was carried out by
built-in assessment of the quality elements. All materials are taken to be isotropic. Main Results. The ways of increasing the
strength of outboard tools for measuring the ship speed are presented. Calculating results of the stress-strain state of devices
Ю.Л. Аванесов, А.С. Воронов, М.И. Евстифеев
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2016, том 16, № 4
739
under the influence of seawater at various depths were obtained by the method of finite element analysis. The technological
features of the sensor production are shown. The recommendations for changing the log construction to increase its strength,
supported by computer modeling, are given. Practical Relevance. The discussed ways of increasing the strength of the
device enable to expand implementation area. The results can be applied in the modernization of the design and construction
of new EM log sensor operating at high pressures.
Keywords
deep-sea research, electromagnetic log, strength
Введение
Современные глубоководные исследования Мирового океана направлены на изучение подводной
среды и донного рельефа, выполнение научной океанографической деятельности, определение возмож-
ности проведения подводно-технических и аварийно-спасательных работ на больших глубинах. Акту-
альность таких исследований, в том числе, обусловливается необходимостью определения границ России
и освоения Арктики, что подтверждается историческими погружениями аппарата «Мир» на глубину
4
300 м в районе Северного полюса [1–4]. Совершенствование глубоководных аппаратов, таких как
«Мир» и «Русь», позволяет совершать погружения на глубины до 6 км [5–7]. При таких глубинах заборт-
ная аппаратура испытывает давление до 60 МПа. Это выдвигает требования обеспечения прочности за-
бортных средств при эксплуатации.
Несмотря на бурное развитие высокоточных навигационных приборов и систе
м, в особенности
спутниковых, использование лага для измерения скорости судна является обязательным, что регламен-
тировано во многих руководящих документах, в том числе в Российском морском регистре судоходства
[8].
По типу получаемой информации лаги разделяются на абсолютные и относительные. Под абсо-
лютными понимаются лаги, измеряющие скорость судна относительно грунта. Относительные лаги из-
меряют скор
ость относительно воды. Абсолютные и относительные лаги подразделяются на отдельные
подтипы в зависимости от принципа действия, который в них реализован [9]. Получаемая информация
может как напрямую передаваться пользователю, так и использоваться для дополнительных корректиро-
вок систем навигации [10–12].
В работе рассмотрены вопросы прочности конструкции датчика относительного индукционного
лага при заданном гидростатическом давлении.
Конструкция индукционного лага
Принцип работы индукционного лага основан на явлении электромагнитной индукции. Согласно
этому принципу, при перемещении проводника в магнитном поле в проводнике индуцируется ЭДС, про-
порциональная скорости перемещения судна. В связи с этим обязательными конструктивными элемен-
тами датчика являются катушки индуктивности и электрические контакты, воспринимающие ЭДС с за-
бортной воды, являющейся проводником. Для ге
рметизации электроники и контактов в датчике исполь-
зуется заливочный материал (компаунд) [13]. Общая конструкция такого датчика представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция датчика индукционного лага.
А – зона образования трещин вблизи блока электроники, Б – зона образования трещин вблизи контактов
Представленный датчик индукционного лага содержит блок электроники, основной частью кото-
рого является катушка, создающая направленное магнитное поле, и два контакта, поверхности которых
сопрягаются с водной средой. Все элементы датчика, кроме поверхностей контактов, герметизированы
неэлектропроводным компаундом. Такая конструкция работоспособна при незначительной глубине по-
гружения (до 1 МПа), однако не пригодна для глубоководных погружений. В пр
оцессе испытаний под
А
Б
Б
А
Контакты
Компаунд
Блок электроники
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ...
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2016, том 16, № 4
740
действием внешнего гидростатического давления до 60 МПа в датчике обнаруживаются нарушения це-
лостности компаунда – трещины в зонах А и Б (рис. 1), влекущие за собой разгерметизацию датчика и,
как следствие, выход его из строя из-за электрического замыкания контактов.
Пути повышения прочности
Ключевым элементом, ограничивающим прочность датчика лага при гидростатическом давлении,
является компаунд, обеспечивающий электрическую изоляцию и герметичность прибора в целом. Для
безотказной конструкции индукционного лага при заданном гидростатическом давлении намечены сле-
дующие пути повышения его прочности:
введение защитного корпуса;
армирование заливочной полости прибора;
оптимизация геометрической формы контактов;
оптимизация харак
теристик компаунда;
применение новых технологий заливки.
Использование защитного металлического корпуса позволяет снизить напряжения в компаунде в
зоне А по внешней границе прибора. Введение различных армирующих элементов для повышения меха-
нических свойств материалов широко используется во многих областях промышленности [14, 15]. Для
повышения прочности датчика предлагается использовать дополнительные армирующие элементы в ви-
де пер
форированной трубки. В силу разномодульной природы компаунда [16] (допустимые напряжения
при сжатии превышают допустимые напряжения при растяжении) геометрия элементов должна миними-
зировать зоны растяжения компаунда при его деформациях под давлением. В первую очередь это необ-
ходимо в зоне контактов, взаимодействующих с забортной водой и воспринимающих гидростатическое
давление. Контакты типа 1 (рис. 2), используемые в да
тчике на рис. 1, не обеспечивают герметичное со-
единение «контакт-компаунд» при повышенных давлениях в связи с большой зоной растяжения на ко-
нусной части контакта.
Рис. 2. Изменение формы электрических контактов
Наличие канавки на контакте типа 2 позволяет увеличить площадь связи компаунд–контакт и по-
высить запас прочности компаунда вблизи контактов. Геометрия контакта по типу 3, благодаря отсутст-
вию острых кромок и наличию зоны В, позволяет еще больше снизить максимальные напряжения в ком-
паунде, возникающие вблизи контактов.
Помимо оптимизации формы контактов, необходимо уменьшить концентраторы напр
яжений ком-
паунда 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.
Очевидно, что прочность соединения компаунд–корпус напрямую зависит от пл
ощади и качества
обработки сопрягаемых поверхностей. Перед заливкой компаунда рекомендуется [16] шкурить и песко-
струить поверхности для увеличения шероховатости и неровности, что увеличивает площадь соприкос-
новения материалов. Вследствие неизбежного образования пустот (воздушных карманов) заполнение
компаундом следует производить в вакууме, однако из-за неабсолютной смачиваемости корпуса и сни-
жения текучести компаунда пр
и заливке возможно сохранение отдельных незаполненных объемов, кото-
рые представляют собой зоны концентрации напряжений.
Получение удовлетворительного смачивания является одним из способов исключения появления
дефектов на границе раздела, чтобы прочность соединения корпус–компаунд оказалась максимально
близкой к теоретической прочности [17].
Установлено положительное влияние вибрации на качество технологического процесса заливки и
увеличение механических характеристик изделий [1
8]. Использование такой технологии позволяет уве-
личить площадь «склеенных» поверхностей и уменьшить количество пустот как концентраторов напря-
жений, что увеличивает прочность прибора.
В
Тип 1 Тип 2 Тип 3
Ю.Л. Аванесов, А.С. Воронов, М.И. Евстифеев
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2016, том 16, № 4
741
Компьютерное моделирование
Для анализа датчика лага в пакете прикладных программ ANSYS Workbench построена конечно-
элементная модель (рис. 3). Расчеты проводились в модуле static structural, в котором на все внешние
поверхности задавалась нагрузка, имитирующая гидростатическое давление забортной воды. Количество
конечных элементов в модели составило примерно 1,1 млн. Вблизи критических областей была произве-
дена трансформация сетки и ее измельчение. Для уменьшения вре
мени расчета задача решалась в сим-
метричной постановке (симметрия вдоль продольной оси).
Рис. 3. Расчетная модель прибора
Использована гексагональная сетка с дополнительными узлами, с допущением тетраэдрических
элементов (scoping method – Hex Dominant, element midside nodes – kept, free face mesh type – Quad/Tri).
Для оценки качества элементов использовались встроенные средства анализа ANSYS. Качество
элементов сетки определялось параметром К в пределах от нуля до единицы:
3
2
V
КС
a
,
где С – параметр, зависящий от типа элементарного элемента (тетраэдр, пирамида, куб, и т.д.), V – объем,
a – длина стороны [19].
Сводная характеристика качества элементов сетки представлена на рис. 4. Дальнейшее измельче-
ние сетки не ведет к существенному улучшению точности расчетов, при этом сильно увеличивает ресур-
соемкость задачи.
Рис. 4. Количество конечных элементов в сетке в зависимости от их качества.
Tet10, Hex20, Wed15, Pyr13 – типы конечных элементов, используемые Ansys для расчета
В качестве критерия прочности в расчетах использовался предел прочности при растяжении мате-
риалов σ
в
. В ходе расчетов нагрузка задавалась по всем наружным поверхностям. В датчике основные
конструктивные элементы выполнены из титанового сплава ВТ1-0 с σ
в
= 610 МПа, контакты – из серебра
Ср999 с σ
в
= 200 МПа, а исследуемый компаунд УП-5-105/1А имеет σ
в
= 80 МПа [16, 20] Физические
свойства материалов (модуль упругости, удельный вес, пределы прочности и пр.) были заданы непосред-
ственно в трехмерных моделях деталей. При расчетах все материалы приняты изотропными. Результаты
моделирования представлены на рис. 5. Здесь и далее на цветовой палитре представлено распределение
эквивалентных напряжений (Equivalent (von-Mises) Stress). Эквивалентные напряжения
е
более пред-
Контакты
Компаунд
Блок
электроники
0 7,5 15 22,5 30 (мм)
647500
500000
400000
300000
200000
100000
0 0,13 0,25 0,38 0,50 0,63 0,75 0,88 1,00
Качество элемента
Количество элементов
Tet10 Hex20 Wed15 Pyr13
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ...
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2016, том 16, № 4
742
почтительны для текущего анализа, так как имеет место сложнонапряженное нагружение (происходит
объемное сжатие компаунда), и определяются по формуле
22
2
12 23 31
1
σσσσσσσ
2
е
,
где
1
σ ,
2
σ ,
3
σ
– главные напряжения.
Наибольшие напряжения и деформации возникают на наружной поверхности компаунда в области
контактов и вблизи блока электроники, что соответствует результатам испытаний.
Рис. 5. Распределение напряжений в компаунде
В процессе моделирования выявлено, что применение корпуса и армирование позволяет перерас-
пределить возникающие напряжения в приборе. Часть нагрузки снимается с компаунда и воспринимает-
ся армирующим элементом и корпусом. В этом случае максимальные напряжения в компаунде, очевид-
но, уменьшаются. На рис. 6 показано распределение напряжений в бескорпусном (рис. 6, а) и корпусном
(рис. 6, б) испо
лнении. Наблюдается снижение напряжений вблизи блока электроники, напряжения
вблизи контактов снижаются в меньшей степени, но величина зоны повышенных напряжений сущест-
венно уменьшается.
Применение защитного корпуса помогло снизить максимальные напряжения, возникающие в
компаунде, на 16%.
а б
Рис. 6. Влияние корпуса: датчик без корпуса (а); датчик с корпусом (б)
Рис. 7. Армирование датчика
Схематично конструкция датчика с корпусом и армирующим элементом изображена на рис. 7. На
рис. 8 показаны распределения напряжений в компаунде корпусного исполнения датчика без армирова-
ния (рис. 8, а) и с применением армирования (рис. 8, б). Получено, что применение армирования в кор-
пусном исполнении снижает максимальные напряжения в компаунде на 10%. Окончательно введение
МПа
105,9
40
30
20
10
0,03
МПа
105,9
40
30
20
10
0,03
МПа
88,8
40
30
20
10
0,22
Корпус
Армирующий
элемент