Помощь студентам в учебе
Ультразвуковая измерительная колебательная система для бурения
|
Введение
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1 Анализ существующих методов бурения и выявление их недостатков в
приложениях космической отрасли 11
1.2 Обзор технических решений по рассматриваемой проблеме 16
1.3 Задачи исследования 20
2 АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 22
2.1 Пьезоэлектрический преобразователь 22
2.2 Методы расчёта ультразвуковых преобразователей продольного типа . 25
2.2.1 Расчёт ультразвукового преобразователя путём решения уравнения
продольных колебаний 25
2.2.2 Расчёт ультразвукового преобразователя методом эквивалентных
схем 31
2.3 Механический трансформатор 38
2.3.1 Расчёт параметров ультразвукового трансформатора 40
2.3.2 Оптимизация конструкции ультразвукового трансформатора 43
2.4 Выводы по второй главе 45
3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 46
3.1 Моделирование пьезокерамического ультразвукового преобразователя
продольного типа 47
3.1.1 Моделирование ультразвукового полуволнового преобразователя,
рассчитанного методом решения уравнения продольных колебаний 47
3.1.2 Моделирование ультразвукового полуволнового преобразователя,
рассчитанного методом эквивалентных схем 53
3.2 Моделирование ультразвукового полуволнового механического
трансформатора 56
3.2.1 Частотный анализ ультразвукового полуволнового механического
трансформатора 56
3.3 Моделирование ультразвуковой колебательной системы 58
3.3.1 Частотный анализ ультразвуковой колебательной системы 58
3.3.2 Гармонический анализ ультразвуковой колебательной системы... 61
3.4 Моделирование ультразвуковой колебательной системы с изменённым концентратором 63
3.4.1 Частотный анализ ультразвуковой колебательной системы с
изменённым концентратором 63
3.4.2 Гармонический анализ ультразвуковой колебательной системы с
изменённым концентратором 65
3.4 Выводы по третьей главе 67
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ СВОБОДНОГО ТЕЛА И КОНЦЕНТРАТОРА НА ОСНОВЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ 68
4.1 Модель взаимодействия концентратора со свободным телом 68
4.2 Определение характеристик элементов модели 71
4.2.1 Определение эквивалентной массы, жёсткости и демпфирования
модели ультразвукового концентратора 71
4.2.2 Определение массы свободного тела и жёсткости пружины 76
4.3 Уравнения движения и взаимодействия элементов модели 77
4.4 Описание программы для расчёта послеударных характеристик
свободного тела 80
4.4.1 Описание компонентов программы 83
4.5 Результаты 87
4.6 Выводы по четвёртой главе 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 96
ПРИЛОЖЕНИЕ А 100
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1 Анализ существующих методов бурения и выявление их недостатков в
приложениях космической отрасли 11
1.2 Обзор технических решений по рассматриваемой проблеме 16
1.3 Задачи исследования 20
2 АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 22
2.1 Пьезоэлектрический преобразователь 22
2.2 Методы расчёта ультразвуковых преобразователей продольного типа . 25
2.2.1 Расчёт ультразвукового преобразователя путём решения уравнения
продольных колебаний 25
2.2.2 Расчёт ультразвукового преобразователя методом эквивалентных
схем 31
2.3 Механический трансформатор 38
2.3.1 Расчёт параметров ультразвукового трансформатора 40
2.3.2 Оптимизация конструкции ультразвукового трансформатора 43
2.4 Выводы по второй главе 45
3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 46
3.1 Моделирование пьезокерамического ультразвукового преобразователя
продольного типа 47
3.1.1 Моделирование ультразвукового полуволнового преобразователя,
рассчитанного методом решения уравнения продольных колебаний 47
3.1.2 Моделирование ультразвукового полуволнового преобразователя,
рассчитанного методом эквивалентных схем 53
3.2 Моделирование ультразвукового полуволнового механического
трансформатора 56
3.2.1 Частотный анализ ультразвукового полуволнового механического
трансформатора 56
3.3 Моделирование ультразвуковой колебательной системы 58
3.3.1 Частотный анализ ультразвуковой колебательной системы 58
3.3.2 Гармонический анализ ультразвуковой колебательной системы... 61
3.4 Моделирование ультразвуковой колебательной системы с изменённым концентратором 63
3.4.1 Частотный анализ ультразвуковой колебательной системы с
изменённым концентратором 63
3.4.2 Гармонический анализ ультразвуковой колебательной системы с
изменённым концентратором 65
3.4 Выводы по третьей главе 67
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ СВОБОДНОГО ТЕЛА И КОНЦЕНТРАТОРА НА ОСНОВЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ 68
4.1 Модель взаимодействия концентратора со свободным телом 68
4.2 Определение характеристик элементов модели 71
4.2.1 Определение эквивалентной массы, жёсткости и демпфирования
модели ультразвукового концентратора 71
4.2.2 Определение массы свободного тела и жёсткости пружины 76
4.3 Уравнения движения и взаимодействия элементов модели 77
4.4 Описание программы для расчёта послеударных характеристик
свободного тела 80
4.4.1 Описание компонентов программы 83
4.5 Результаты 87
4.6 Выводы по четвёртой главе 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 96
ПРИЛОЖЕНИЕ А 100
Актуальность темы. Изучение ближайших к Земле космических тел: астероидов, комет, Луны, а также, планет Солнечной системы является приоритетной задачей для современных и будущих миссий корпораций космической деятельности. Одной из основных задач такого рода миссий является анализ образцов грунта изучаемых объектов для определения его состава, физико¬механических, физико-химических, химических, биологических и других свойств. На Земле для решения задачи отбора проб предусмотрен как ручной, так и автоматизированный инструмент. К ручному инструменту относятся разные виды буров, они применяются в основном для получения пробы из уже пробуренных скважин. Скважины для анализа почвы получают с помощью мобильных либо стационарных буровых установок. Классические инструменты и методы бурения, отмеченные выше, не удовлетворяют требованиям эксплуатации за пределами нашей планеты.
В настоящее время отбором проб грунта космических тел занимаются автономные подвижные модули, имеющие на борту научную лабораторию для анализа полученных образцов. Космические условия накладывают ряд жёстких ограничений на характеристики таких машин, а, следовательно, и на бортовое оборудование. В частности к ограничениям, накладываемым на буровую установку, относятся: малые габариты установки, малая масса, малая осевая сила и крутящий момент, а также, небольшая потребляемая мощность и возможность эксплуатации при критических значениях температуры и радиационного воздействия.
Исследованию методов бурения, удовлетворяющих вышеперечисленные ограничения, посвящён ряд работ. Существенный вклад в решение данной проблемы содержится в работах Bar-Cohen Y., Sherrit S., Peterson T., Нестерова В.А., Костенко В.И., Хмелёва В.Н., Цыгонка С.Н., Генне Д.В. и др.
Типовым подходом к решению данной проблемы является использование ультразвуковой технологии бурения, суть которой заключается в преобразовании ультразвуковых вибраций в вибрацию и акустические удары специального инструмента в грунте. Сам механизм состоит из четырёх частей: ультразвукового преобразователя, концентратора для усиления амплитуды вибраций, свободного тела для преобразования части энергии ультразвуковых колебаний в низкочастотное ударное воздействие и долота, жёстко закреплённого с концентратором.
Космический бур, выполненный по данному принципу, до настоящего времени используется в марсоходе «Кьюриосити», однако в литературе отсутствуют сведения о построении замкнутой математической модели устройства, и нет результатов анализа и оптимизации конструкции на ней. Отечественные разработки касаются различных вариантов конструкций бура, испытаний действующих моделей, но в них полностью отсутствуют информация о каком-либо виде моделирования.
В этой связи является актуальной задача расчёта параметров ультразвукового бурового инструмента с использованием более подходящих методов и пакетов программ математического моделирования.
Цель выпускной квалификационной работы и задачи исследования.
Целью выпускной квалификационной работы является обоснованный выбор параметров ультразвукового ударного бура, обеспечивающих работоспособность устройства.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи исследовательского и прикладного характера:
- Проведение анализа существующих методов ультразвукового бурения и устройств на их основе с целью выяснения наиболее подходящей конфигурации ультразвукового бурового устройства и определения методики его расчёта.
- Аналитический расчёт параметров элементов ультразвукового бурового устройства различными методами и оптимизация его конструкции по критерию максимального к.п.д.
- Разработка компьютерной модели устройства и определение его параметров численным методом.
- Разработка модели нелинейного движения свободного тела в зазоре ультразвукового преобразователя с учётом вибрации и упругих свойств ограничивающих поверхностей.
Предметом исследования является математическая модель ультразвукового бура, позволяющая произвести оптимизацию конструкции и выявить условия трансформации ультразвуковой энергии в энергию удара, найти закон движения свободного тела в составе ультразвукового бура.
Объектом исследования является процесс ультразвукового бурения.
Методология и методика исследования. Теоретической и методологической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных учёных по расчёту и применению ультразвуковых преобразователей. В работе использовались методы классической механики, теории автоматического управления, конечных автоматов, математической физики, распределённых систем, конечно-элементные методы численных расчетов, электромеханической аналогии. Математическое и имитационное моделирование объекта исследования производилось с помощью пакета прикладных программ MATLAB/Simulink, а для расчета рабочих частот объекта, амплитуд резонансных колебаний, определения параметров эквивалентных динамических моделей и оптимизации трёхмерной конструкции использовался программный комплекс конечно¬элементного расчёта SolidWorks.
Научная новизна выпускной квалификационной работы.
Впервые на основе теории удара разработана ударная модель взаимодействия упругих тел при высокочастотной вибрации одного из них.
Практическое значение.
Достижение указанных целей позволит систематически подойти к задаче разработки конструкции ультразвукового бура. Это позволит не только решить задачу импортозамещения в области космической техники, но и создаёт предпосылки для разработки серии хирургических инструментов нового типа.
В настоящее время отбором проб грунта космических тел занимаются автономные подвижные модули, имеющие на борту научную лабораторию для анализа полученных образцов. Космические условия накладывают ряд жёстких ограничений на характеристики таких машин, а, следовательно, и на бортовое оборудование. В частности к ограничениям, накладываемым на буровую установку, относятся: малые габариты установки, малая масса, малая осевая сила и крутящий момент, а также, небольшая потребляемая мощность и возможность эксплуатации при критических значениях температуры и радиационного воздействия.
Исследованию методов бурения, удовлетворяющих вышеперечисленные ограничения, посвящён ряд работ. Существенный вклад в решение данной проблемы содержится в работах Bar-Cohen Y., Sherrit S., Peterson T., Нестерова В.А., Костенко В.И., Хмелёва В.Н., Цыгонка С.Н., Генне Д.В. и др.
Типовым подходом к решению данной проблемы является использование ультразвуковой технологии бурения, суть которой заключается в преобразовании ультразвуковых вибраций в вибрацию и акустические удары специального инструмента в грунте. Сам механизм состоит из четырёх частей: ультразвукового преобразователя, концентратора для усиления амплитуды вибраций, свободного тела для преобразования части энергии ультразвуковых колебаний в низкочастотное ударное воздействие и долота, жёстко закреплённого с концентратором.
Космический бур, выполненный по данному принципу, до настоящего времени используется в марсоходе «Кьюриосити», однако в литературе отсутствуют сведения о построении замкнутой математической модели устройства, и нет результатов анализа и оптимизации конструкции на ней. Отечественные разработки касаются различных вариантов конструкций бура, испытаний действующих моделей, но в них полностью отсутствуют информация о каком-либо виде моделирования.
В этой связи является актуальной задача расчёта параметров ультразвукового бурового инструмента с использованием более подходящих методов и пакетов программ математического моделирования.
Цель выпускной квалификационной работы и задачи исследования.
Целью выпускной квалификационной работы является обоснованный выбор параметров ультразвукового ударного бура, обеспечивающих работоспособность устройства.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи исследовательского и прикладного характера:
- Проведение анализа существующих методов ультразвукового бурения и устройств на их основе с целью выяснения наиболее подходящей конфигурации ультразвукового бурового устройства и определения методики его расчёта.
- Аналитический расчёт параметров элементов ультразвукового бурового устройства различными методами и оптимизация его конструкции по критерию максимального к.п.д.
- Разработка компьютерной модели устройства и определение его параметров численным методом.
- Разработка модели нелинейного движения свободного тела в зазоре ультразвукового преобразователя с учётом вибрации и упругих свойств ограничивающих поверхностей.
Предметом исследования является математическая модель ультразвукового бура, позволяющая произвести оптимизацию конструкции и выявить условия трансформации ультразвуковой энергии в энергию удара, найти закон движения свободного тела в составе ультразвукового бура.
Объектом исследования является процесс ультразвукового бурения.
Методология и методика исследования. Теоретической и методологической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных учёных по расчёту и применению ультразвуковых преобразователей. В работе использовались методы классической механики, теории автоматического управления, конечных автоматов, математической физики, распределённых систем, конечно-элементные методы численных расчетов, электромеханической аналогии. Математическое и имитационное моделирование объекта исследования производилось с помощью пакета прикладных программ MATLAB/Simulink, а для расчета рабочих частот объекта, амплитуд резонансных колебаний, определения параметров эквивалентных динамических моделей и оптимизации трёхмерной конструкции использовался программный комплекс конечно¬элементного расчёта SolidWorks.
Научная новизна выпускной квалификационной работы.
Впервые на основе теории удара разработана ударная модель взаимодействия упругих тел при высокочастотной вибрации одного из них.
Практическое значение.
Достижение указанных целей позволит систематически подойти к задаче разработки конструкции ультразвукового бура. Это позволит не только решить задачу импортозамещения в области космической техники, но и создаёт предпосылки для разработки серии хирургических инструментов нового типа.
Разработанная в работе модель взаимодействия концентратора ультразвукового пьезокерамического преобразователя продольного типа со свободным телом позволила исследовать ударное взаимодействие в ультразвуковом буре. Было показано, что с помощью свободной массы непрерывную высокочастотную вибрацию концентратора можно преобразовать в низкочастотное движение свободного тела, направленное на взаимодействие с буровым долотом. В работах [24 - 27] показана высокая эффективность применения такого воздействия в целях отбора образцов пород и бурения в целом. Используя комбинацию аналитических методов расчёта ультразвуковых преобразователей с компьютерным моделированием, удалось определить наиболее точную методику их расчёта, а также, оптимизировать конструкцию реального ультразвукового преобразователя по условию получения максимума коэффициента усиления.