Search

Проведено обґрунтування та розробку методичного забезпечення структурного моніторингу технічного стану металевих елементів конструкції складних просторових об‘єктів, виконано технічну реалізацію системи моніторингу на основі концепції Structural Health Monitoring у макетному зразку. Отримано імітаційні та фізичні діагностичні моделі складного просторового об‘єкта – резервуара для зберігання еколого-небезпечних речовин, проведено їх дослідження, підтверджено адекватність моделей. Розроблено методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для оцінювання та прогнозування структурної стійкості об‘єкту в умовах динамічних навантажень та під впливом зміни технічного стану об‘єкта. Розроблено інформаційну модель та структурну схему системи моніторингу, алгоритмічне та програмне забезпечення для визначення і візуалізації параметрів напружено-деформованого стану, вібрації та просторового положення об‘єкту під впливом динамічних навантажень. Обґрунтовано структуру вимірювальних каналів макетного зразку системи, сформовано та налагоджено такі вимірювальні канали: канал вимірювання вібрації; канал визначення просторового положення об‘єкта; канал визначення параметрів напружено-деформованого стану елементів конструкцій об‘єкта. Розроблено методики та проведено калібрування вібраційних датчиків. Обґрунтовано та розроблено блок бездротової передачі даних, розроблено алгоритмічне і програмне забезпечення. Розроблено макетний зразок системи моніторингу, технологічне програмне забезпечення для його реалізації та функціонування. Розроблено методики та проведено лабораторні випробування макетного зразку системи моніторингу, в результаті встановлено залежності вібраційних (спектральних, модальних, фрактальних та статистичних) характеристик, параметрів напружено-деформованого стану та параметрів просторового положення об‘єкта від зміни його функціонального стану і динамічних навантажень, за якими приймається рішення про поточний технічний стан об‘єкта та прогнозуються його зміни. A study and development of methodological support structural monitoring of the technical state of metallic structural elements of complex spatial objects are carried out, the technical implementation monitoring system based on the concept of Structural Health Monitoring in mock sample is made. The simulation and physical models of complex spatial diagnostic object – the tank for storage of hazardous substances are given, the adequacy of models is confirmed. Methodological support, algorithms and software are developed for evaluation and prediction of structural stability of object under dynamic loads and during changes in the technical condition of the object. The information model and block diagram of the monitoring system are designed, algorithmic and software are developed for identification and visualization options deflected mode of vibration and the spatial position of the object under the influence of dynamic loads. It is grounded of the structure measuring channel of model specimen of the system, the following measuring channels are formed and arranged: the channel of vibration measuring; the channel for determination of the object spatial position; the channel for the definition of parameters of stress-strain state of structural elements of the object. The methods are developed and vibration sensors are calibrated. The wireless data unit, algorithmic and software are developed. The model sample of monitoring system is developed, software for its implementation and operation is developed. The procedure is designed and laboratory tests of model sample of monitoring system are carried out, dependencies of vibration (spectral, modal, fractal and statistical) characteristics, parameters of the stress-strain state and spatial parameters of the object are received to change its functional state and dynamic loads. These dependencies are used for decision making on the current technical condition and prediction of its changes. Проведено обоснование и разработку методического обеспечения структурного мониторинга технического состояния металлических элементов конструкции сложных пространственных объектов, выполнено техническую реализацию системы мониторинга на основе концепции Structural Health Monitoring путем создания макетного образца системы. Получены имитационные и физические диагностические модели сложного пространственного объекта – резервуара для хранения эколого-опасных веществ, проведено их исследование и подтверждена адекватность моделей. Разработано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для оценивания и прогнозирования структурной устойчивости объекта в условиях динамических нагрузок и под влиянием изменения технического состояния объекта. Разработана информационная модель и структурная схема системы мониторинга, алгоритмическое и программное обеспечение для определения и визуализации параметров напряженно-деформированного состояния, вибрации и пространственного положения объекта под влиянием динамических нагрузок. Обоснована структура измерительных каналов макетного образца системы, сформированы и настроены такие измерительные каналы: канал измерения вибрации; канал определения пространственного положения объекта; канал определения параметров напряженно-деформированного состояния элементов конструкции объекта. Разработаны методики и выполнена калибровка вибрационных датчиков. Обоснован и разработан блок беспроводной передачи данных, разработано алгоритмическое и программное обеспечение. Разработан макетный образец системы мониторинга, технологическое программное обеспечение для его реализации и функционирования. Разработаны методики и проведены лабораторные испытания макетного образца системы мониторинга, в результате установлены зависимости вибрационных (спектральных, модальных, фрактальных и статистических) характеристик, параметров напряженно-деформированного состояния и пространственного положения объекта от изменения его функционального состояния и динамических нагрузок, по которым принимается решение о текущем техническом состоянии объекта и прогнозируются его изменения.

Для моніторингу металевих та неметалевих елементів конструкцій в експлуатації запропоновано та обґрунтовано розробку комплексної інтелектуальної системи моніторингу технічного стану конструкцій, яка відноситься до нового класу діагностичних систем на основі концепції Structural Health Monitoring. Проведено структурно-функціональний синтез системи, в результаті якого: розроблено узагальнену структурну схему та обґрунтовано принцип функціонування системи; розроблено функціональну схему багатоканальної системи моніторингу елементів конструкцій зварних резервуарів для оцінки статичних та динамічних навантажень на елементи конструкції та оцінки поточного технічного стану об‘єкту; обґрунтовано використання датчиків первинної інформації, побудованих на різних фізичних принципах, сформовано такі вимірювальні канали багатоканальної системи: канали вимірювання вібрації; канали інклінометрії; канали вимірювання деформації. Розроблено структурні схеми, проведено моделювання та аналіз вимірювальних каналів. Розроблено діагностичний сервер для керування процесами вимірювання, реєстрації, перетворення, передачі та комплексного аналізу даних, прийняття рішення про поточний технічний стан конструкції та експлуатаційні навантаження. Розроблено алгоритмічне й програмне забезпечення, створено графічний інтерфейс передачі й збереження діагностичних даних на основі зовнішнього модуля АЦП, який підтримує взаємодію із системою у системі LabVIEW. Запропоновано та обґрунтовано побудову класифікатора технічного стану на основі імовірнісної нейронної мережі, яка забезпечує нелінійне розділення простору ознак. Підтверджено ефективність розробленого класифікатора при розпізнаванні бездефектного та дефектного (відносний розмір тріщини 0,05) станів елементу конструкції за двовимірними ознаками. Розроблено керуючий модуль, як складову діагностичного серверу, який програмно реалізовано у вигляді віртуального приладу в системі LabVIEW. Розроблено методику та проведено перевірку працездатності модуля опитування датчиків первинної інформації на тестових сигналах та на сигналах датчиків вібрації, в результаті підтверджено працездатність створеного віртуального приладу та стабільність роботи мережевого інтерфейсу і каналу зв’язку. Для металевих та неметалевих елементів конструкцій об‘єктів авіаційної техніки, машинобудування, енергетики, інженерних споруд спеціального призначення розроблено методики визначення параметрів та характеристик технічного стану та експлуатаційних навантажень. The development of the complex smart system of technical condition monitoring is offered and is supported for monitoring of metal and nonmetallic elements of construction at the operation, which concerns a new class of diagnostic systems on the basis of concept Structural Health Monitoring. Structurally functional synthesis of system is carried out. The generalized block diagram is developed, and the principle of functioning of system is proved. The functional chart of multichannel system of monitoring of construction elements of welded tanks is developed for an estimation of static and dynamic loadings and an estimation of a current technical condition of the testing object. The following measuring channels of system are generated: the channel of measurement of vibration, the channel inclinometer, the channel of measurement of deformation. Block diagrammes are developed, simulation and the analysis of characteristics of measuring channels is carried out. The diagnostic server is developed for management of processes of measurement, registration, transformation, transfer and the analysis of data, decision-making on a current technical condition and operational loadings. Algorithms and the software, the graphic interface of program and conservation of diagnostic data are developed on the basis of external module ADT which co-operates with system LabVIEW. The qualifier of a technical condition on the basis of a probability neural network is developed, which provides nonlinear classification diagnostics data. Efficiency of the developed qualifier is confirmed at recognition of faultless and defective conditions (the relative size of a crack 0,05) of elements by using two-dimensional features. As a part of a diagnostic server the module of management is developed. It is realized as virtual device in system LabVIEW. The working capacity of the virtual device and stability of work of the network interface and communication channels is confirmed. Techniques of definition of parameters and characteristics of a technical condition and operational loadings are developed for metal and nonmetallic elements of aviation construction, mechanical engineering objects, power objects, engineering constructions of a special purpose. Для мониторинга металлических и неметаллических элементов конструкций в эксплуатации предложено и обосновано разработку комплексной интеллектуальной системы мониторинга технического состояния конструкций, которая относится к новому классу диагностических систем на основе концепции Structural Health Monitoring. Выполнен структурно-функциональный синтез системы, в результате которого разработана обобщенная структурная схема и обоснован принцип функционирования системы; разработана функциональная схема многоканальной системы мониторинга элементов конструкций сварных резервуаров для оценки статических и динамических нагрузок и оценки текущего технического состояния объекта; обосновано использование датчиков первичной информации, построенных на различных физических принципах, сформированы такие измерительные каналы системы: канал измерения вибрации, канал инклинометрии, канал измерения деформации. Разработаны структурные схемы, выполнено моделирование и анализ характеристик измерительных каналов. Разработан диагностический сервер для управления процессами измерения, регистрации, преобразования, передачи и анализа данных, принятия решения о текущем техническом состоянии конструкций и эксплуатационных нагрузках. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, создан графический интерфейс передачи и сохранения диагностических данных на основе внешнего модуля АЦП, который взаимодействует с системой LabVIEW. Предложено и обосновано построение классификатора технического состояния на основе вероятностной нейронной сети, которая обеспечивает нелинейное разделение признаков. Подтверждена эффективность разработанного классификатора при распознавании бездефектного и дефектного состояний (относительный размер трещины 0,05) элемента конструкции по двумерным признакам. В составе диагностического сервера разработан модуль управления, который программно реализован в виде виртуального прибора в системе LabVIEW. Разработана методика и проверена работоспособность модуля опроса датчиков первичной информации на тестовых сигналах и сигналах датчиков вибрации, в результате подтверждена работоспособность виртуального прибора и стабильность работы сетевого интерфейса и каналов связи. Для металлических и неметаллических элементов конструкций объектов авиационной техники, машиностроения, энергетики, инженерных сооружений специального назначения разработаны методики определения параметров и характеристик технического состояния и эксплуатационных нагрузок.

Розроблено дворівневу систему контролю вібрації складних роторних систем (авіаційних двигунів) на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації. Перший рівень системи забезпечує поточний контроль значення вібраційної швидкості на роторних гармоніках двигуна та їх нормування. Другий рівень призначений для виявлення початкових пошкоджень та дефектів докритичних розмірів роторних елементів за умови «нормальної» вібрації на основі комплексного застосування сучасних цифрових методів обробки сигналів. На основі багаторівневої обробки вібраційних та віброакустичних сигналів обґрунтовано метод вібраційного контролю та діагностики. Для першого рівня системи контролю вібрації проведено синтез, моделювання та аналіз цифрового вузькосмугового слідкуючого фільтру, амплітудно-частотна характеристика якого відповідає встановленим вимогам. В результаті синтезований фільтр зі скінченою імпульсною характеристикою за якого задовольняються вимоги по ширині смуги частот пропускання (від 2-3 Гц до 4-5 Гц) та величині пригнічення складових поза межами смуги пропускання (мінус 30 дБ). Для другого рівня системи теоретично обґрунтовано використання методів обробки сигналів на основі спектральних і статистичних характеристик вищих порядків, частотно-часових перетворень, масштабно-часового перетворення та чисельних характеристик віброакустичних сигналів для обробки діагностичної інформації на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації. Запропоновано комплексне використання методів на основі вейвлет – перетворення та статистичних характеристик вібраційних процесів для підвищення чутливості безрозмірних амплітудних характеристик до початкового розвитку пошкодження. Розроблено та реалізовано програмну модель дворівневої системи контролю вібрації у вигляді віртуального приладу в системі графічного програмування LabView фірми National Instruments. Розроблено макетний зразок дворівневої системи контролю вібрації, технологічне та прикладне програмне забезпечення. Розроблено методику випробувань та проведено лабораторні випробування макетного зразку, результати яких підтвердили його функціонування. The two-level vibration control system of complex rotation systems (aviation engines) is developed at the steady-state and non-steady-state modes of operation. At the first level the vibration control system supports the current control of actual levels of vibration at the harmonics of the rotor rotation. The second level is assigned for analysis of “normal vibration” in order to predict or detect small damages of engine rotary details on the bases of integrated usage of signal processing methods for damages diagnosis. The vibration control method is based. The synthesis, simulation and analysis of the digital narrowband tracking filter are carried out for the first level of vibration control system. The filter has a finite impulsive characteristic and supports the necessary pass bandwidth (from 2-3 Hz to 4-5 Hz) and necessary level of the off-frequency rejection (minus 30 dB). The theoretical explanation of the usage of signal processing methods are carried out for the second level of vibration control system. There are following signal processing methods: Higher-Order Spectral and Statistical analysis; Time-Frequency Transformation; Scale-Time Transformation and determination of Dimensionless Peak Characteristics. These methods are using at the steady-state and non-steady-state modes of operation. We propose the integrated usage of signal processing methods on the basis of Wavelet Transformation and Statistical characteristics for the sensitivity enhancement of the Dimensionless Peak Characteristics at the initial damages propagation. The software model of the two-level vibration control system is developed as the virtual device at the system of programming LabView. The model of vibration control system is developed. The technological and application software are developed. The lab test of developed model of the vibration control system is carried out. Разработана двухуровневая система контроля вибрации сложных роторных систем (авиационных двигателей) на стационарных и нестационарных режимах эксплуатации. Первый уровень обеспечивает текущий контроль значения вибрационной скорости на роторных гармониках двигателя и их нормирование. Второй уровень предназначен для обнаружения начальных повреждений и дефектов докритических размеров роторных элементов при условии «нормальной» вибрации на основе комплексного использования современных цифровых методов обработки информации. На основе многоуровневой обработки вибрационных и виброакустических сигналов обоснован метод вибрационного контроля и диагностики. Для первого уровня системы контроля вибрации выполнен синтез, моделирование и анализ цифрового узкополосного следящего фильтра, амплитудно-частотная характеристика которого отвечает требованиям. Синтезированный фильтр с конечной импульсной характеристикой удовлетворяет требованиям по ширине полосы частот пропускания (от 2-3 Гц до 4-5 Гц) и по уровню подавления сигнала вне полосы частот пропускания (минус 30 дБ). Для второго уровня системы теоретически обосновано использование методов обработки сигналов на основе спектральных и статистических характеристик высших порядков, частотно-временных преобразований, масштабно-временного преобразования и численных характеристик виброакустических сигналов для обработки диагностической информации на стационарных и нестационарных режимах эксплуатации. Предложено комплексное использование методов на основе вейвлет-преобразования и статистических характеристик вибрационных сигналов для повышения чувствительности безразмерных амплитудных характеристик к начальному развитию повреждения. Разработана и реализована программная модель двухуровневой системы контроля вибрации в виде виртуального прибора в системе графического программирования LabView фірми National Instruments. Разработан макетный образец двухуровневой системы контроля вибрации, технологическое и прикладное программное обеспечение. Разработана методика и проведены лабораторные испытания макетного образца, которые подтвердили его функционирование.

Звіт про НДР: 247 сторінок, 78 ілюстрацій, 4 таблиці, 94 джерел. Об‘єкт досліджень – складна роторна система (авіаційний двигун) у процесі експлуатації на стаціонарних та нестаціонарних режимах, технічні за-соби для систем контролю та функціональної діагностики об‘єктів. Метою роботи є наукове обґрунтування та розробка методичного забез-печення системи багаторівневої обробки віброакустичних сигналів, технічна реалізація системи моніторингу роторних систем у макеті пристрою контролю вібрації. Основними методами досліджень є порівняльний аналіз існуючих сис-тем контролю вібрації, порівняльний аналіз алгоритмів цифрової фільтрації, ви-значення узагальнених вимог до методів обробки діагностичної інформації, об-ґрунтування методів обробки на основі статистичних та спектральних характе-ристик вищих порядків, частотно-часових та масштабно-часових перетворень, розробка структурної схеми та програмної моделі дворівневої системи контро-лю вібрації, розробка та лабораторні випробування макетного зразку системи. Науково обґрунтовано та розроблено методичне забезпечення багаторі-вневої обробки вібраційних та віброакустичних сигналів, розроблено дворівне-ву систему контролю вібрації, розроблено та досліджено програмну модель си-стеми у вигляді віртуального приладу, створено та випробувано макетний зра-зок системи контролю вібрації. Використання розробленої системи забезпечить підвищення надійності та ефективності експлуатації складних роторних систем, прогнозування і попередження руйнування.