СУДОСТРОЕНИЕ 1'2014
К ВОПРОСУ О МОДЕЛИРОВАНИИ ПРИ ПОИСКЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ СОВРЕМЕННЫХ ТОКОВВОДОВ
М. В. Тепляков, канд. техн. наук (ООО НПЦ «СЭС», e-mail: ses@npcses.ru)
При практическом подходе под моделированием понимают процесс, при котором специалист использует модель для получения информации, на базе которой разработчик может принять разумное решение. Моделирование способствует процессу изучения объекта исследования и помогает разработчику понять основные взаимосвязи явлений, происходящих в объекте.
Классический подход при моделировании заключался в том, чтобы сформулировать исходную задачу и затем постараться ввести упрощающие предположения для формулирования новой задачи, которая уже может быть решена. Для этого широко используется метод разделения факторов на несколько групп, например: значимые и малозначимые, существенные и несущественные. Вместе с тем следует учитывать, что применение аналитических методов становится менее эффективным по мере увеличения числа учитываемых факторов.
Подготовленный специалист, рассматривая более 10—20 факторов одновременно, сталкивается со значительными трудностями. При решении задач по разработке отдельных видов электромонтажных узлов, таких как корабельные токовводы (рис. 1), которые предназначены в том числе и для работы в экстремальных условиях, анализируется несколько десятков переменных (факторов). Эти переменные в совокупности нельзя количественно оценить во взаимосвязи и систематизировать в простой поддающейся оценке форме, тем не менее они существуют.
При этом следует учитывать площадь вставки, материал, из которого изготовлена вставка, и его физические свойства, толщину перегородки (сепаратора), показатели чистоты и качества механообработки поверхностей, в том числе радиусы скруглений, количество отверстий в сепараторе, их расположение по сепаратору, диаметры отверстий, расстояния между осями отверстий, состав изолятора, его толщину, количество циклов нагружения конструкции при эксплуатации, параметры аварийных ситуаций и т. д. Причем отдельные параметры следует оценивать в процессе постоянного их изменения.
В прошлом разработчики и специалисты при разработке конструкций токовво-
Рис. 1. Общий вид токоввода:
1 — прижимная гайка; 2 — корпус, оболочка; 3 — втулка токоввода; 4 — эластомерные кольца уплотнения; 5 — токопроводящие стержни; 6 — электроизоляционный герметизирующий материал; 7 — прокладка из мягкого металла
дов использовали интуитивный подход и добивались успешных результатов в большинстве случаях, но при этом на каждом этапе после очередных испытаний приходилось изготавливать новые образцы, в которых учитывались недоработки или ошибки, что удорожало разработку и увеличивало ее время. Современному инженеру или разработчику необходимо иметь инструмент, который позволял бы оценивать имеющиеся факторы и определять их взаимосвязь с полученным решением. Более того, этот инструмент должен позволять эффективно принимать решение и выбирать необходимые средства модернизации, средства изменения и уточнения систем и объектов в процессе работы. Модельный подход наиболее близко отвечает этим целям.
В основном встречаются модели двух типов: физические и математические (попросту говоря, одни модели можно осязать, а другие нет).
Физические модели — это, по существу, масштабно уменьшенные образцы оригинала (пилотные установки, прототипы и им подобные) или модели, воспроизводящие процесс, физически подобный оригиналу, но который может подчиняться другой группе физических законов. Например, электролитическая модель, используемая для изучения процессов в массиве прессованного материала и основанная на однозначной связи между
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ_судостроение 1-2014
фильтрацией жидкости в пористой среде и потоком ионов в электрическом потенциальном поле.
Математические модели представляют собой системы математических уравнений, описывающие с физической точки зрения характер исследуемого процесса. При моделировании процессов разработки месторождений эти уравнения в общем виде представляют собой сложные дифференциальные уравнения в частных производных, но при моделировании процессов в других областях они могут быть системой более простых уравнений. Вследствие значительной размерности системы уравнений и сложности этих математических моделей для их расчета необходимо применять вычислительную технику. В настоящей статье под словом модель понимается математическая модель.
Рассмотрим блок-схему, приведенную на рис. 2. Центральная часть представляет непосредственно модель. Ее формулирование и разработка требуют существенных знаний математики и вычислительной техники. Однако пользоваться этой моделью может любой квалифицированный инженер. Как показано на рисунке, в процессе моделирования применяется цепь обратной связи.
Модель реализуется с помощью вычислительной техники. Все остальные блоки, показанные на схеме, относятся к области деятельности инженера. Процесс начинается с того, что в модель вводят исходные данные, после обработки которых с помощью модели получают выходные данные. Эта информация анализируется с точки зрения эффективности влияния происшедших изменений на выходные параметры. Если необходимо, проводится коррекция, и затем процесс моделирования повторяется. В процессе моделирования от цикла к циклу благодаря опыту специалиста получают более подробное представление об объекте, параметры которого можно использовать в последующей разработке изделия.
Инженер-исследователь, используя технику моделирования, количественно оценивает полученные
Рис. 2. Блок-схема процесса математического моделирования
на выходе из модели решения и добивается их оптимальности.
Исходя из задач, выполнение которых в эксплуатации подводных аппаратов и средств предстоит обеспечивать гермовводам, при разработке и изготовлении должны быть заложены, учтены и оптимизированы в конструкции и технологии следующие параметры.
1. Обеспечение прочности (о ):
~ 1 ввода'
подчиняется закону Дарси (Анри Дарси, 1856) — закону фильтрации флюидов (имеется в виду текучее вещество, в данном случае жидкость или газ, в дальнейшем будем называть его просто жидкость) в пористой среде, который в виде уравнения баланса сил представляется в следующем виде:
-VP - - u К
■ Pf = 0 ,
(2)
°ввода = f(D; D; Dm; j; /d; /c; /w; V d;
[p]; m D; Ko; Sd) , (1)
где D — внутренний диаметр расчетной детали; Da — наружный диаметр расчетной детали; Dm — средний диаметр расчетной детали; / — расчетный коэффициент прочности; /d — коэффициент прочности при ослаблении отверстиями; /с — коэффициент прочности при ослаблении отверстиями с учетом укрепления; jw — коэффициент прочности при ослаблении сварными соединениями; s0 — минимальная расчетная толщина стенки без прибавок при ф = 1,0 (ф — расчетный коэффициент прочности); d — диаметр отверстия в расчетной детали; [p] — допустимое расчетное давление; tm — температура рабочей среды; Dt — превышение температуры рабочей среды над средней температурой (связанное с режимными и гидродинамическими условиями); K0 — коэффициент, учитывающий ослабление отверстиями; Sd| — сумма диаметров отверстий. При этом следует учесть, что половина перечисленных факторов зависит от других, менее значимых.
Подобные зависимости существуют и для других, не менее важных, свойств токовводов.
2. Герметичность конструктивно-монтажного узла (непроницаемость) — характеристика, обратная проницаемости, которая для пористых сред, входящих в конструкцию,
где Р — внешнее давление; п — динамическая вязкость жидкости; К — коэффициент проницаемости, характеризующий способность пористой среды к пропусканию жидкости; р — скорость фильтрации; и — плотность жидкости; f — поле внешних сил. Для конструктивно-монтажных узлов, имеющих в сборках уплотнения с применением эластомеров или клеевых конструкций, проницаемость определяется в виде утечки в соответствии с уравнением
BAP
Q = ¥о-
3 e-3Pk/kE
Л3 e
(3)
где О — расход жидкости; уо и к — коэффициенты, зависящие от качества обработанной поверхности [2]; В — периметр герметизируемых при сборке деталей; АР — разность давлений; 1 — длина или высота уплотнения; ц — вязкость жидкости; ^ — чистота обработки сочленяемых поверхностей, зависящая от параметров инструмента и станочного оборудования, используемого при обработке сочленяемых поверхностей; Е — модуль Пуассона (для эластомеров колеблется в пределах 7—12 МПа). Расчетная схема замещения для токоввода приведена в [3].
Кроме того, выражения (2) и (3) не учитывают параметров изменения температуры окружающей среды, ее неоднородности, возможности циклического влияния среды, ее состава и некоторых других существенных факторов.
3. Сопротивление изоляции электрических цепей токовводов в эксплуатации определяется токами утечки и зависит также от многих внешних причин и поведения используемых в конструкции материалов. В
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2014_СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ
общем виде ток электропроводности в диэлектрике есть ток сквозной проводимости и абсорбционных токов, который может быть представлен выражением
I = I + I + I + I + I + I + I
э и др ир эр м сп '
(4)
где явное перемещение в электрическом поле электронов /э и ионов ¡и собственной структуры, а также диполей I ,ионов I и электронов /эр релаксационной поляризации и возможных поляризаций миграционной I и спонтанной I состав-
м сп
ляют общий ток в диэлектрике по поверхности или объему или в сумме от того и другого в зависимости от структуры диэлектрика. В свою очередь, данные токи могут изменяться в зависимости от чистоты диэлектрика, режимов их технологической переработки, свойств поверхности изделия (токоввода), в которое перерабатывается (запрессовывается) диэлектрик, насыщенности изолятора токопроводя-щими стержнями, геометрических размеров диэлектрика, равномерности толщины изоляционного слоя вокруг токопроводящих стержней, параметров окружающей среды (давления, температуры, релаксационных процессов, происходящих при изменении внешних факторов), гигроскопичности материала, изменения характеристик материала вследствие естественного и эксплу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.