Диагностика дефектов авиационных конструкций по портретам вынужденных колебаний

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
В.А. БЕРНС, Е.П. ЖУКОВ 
 
 
 
 
 
 
ДИАГНОСТИКА ДЕФЕКТОВ  
АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ  
ПО ПОРТРЕТАМ 
ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 629.7.018.4(075.8) 
         Б 514 
 
 
 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор А.Н. Серьезнов 
д-р техн. наук, доцент И.П. Олегин 
 
 
Бернс В.А. 
Б 514   
Диагностика дефектов авиационных конструкций по портретам вынужденных колебаний: учебное пособие / В.А. Бернс, 
Е.П. Жуков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 112 с. 
 
     ISBN 978-5-7782-3950-0 
 
Изложенная в учебном пособии методика диагностики дефектов 
авиационных конструкций реализуется в два этапа. Первый этап предполагает проведение модальных испытаний. По отклонениям параметров собственных тонов колебаний от их величин, заложенных в конструкцию летательного аппарата при его проектировании, делается заключение о наличии дефектов. На втором этапе результаты вибрационных испытаний представляются в виде портретов колебаний, являющихся идентификационными признаками дефектов конструкции. Таким способом выявляются люфты в проводках управления летательным аппаратом, зазоры в местах стыковки агрегатов, повышенные 
нагрузки монтажа отклоняемых поверхностей и трещины в элементах 
планера. Контроль может происходить либо на уровне качественной 
оценки, либо на уровне количественной оценки одного или нескольких 
дефектов. 
 
УДК 629.7.018.4(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-3950-0  
 
 
 
 
 
© Бернс В.А., Жуков Е.П., 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Для эффективной и безопасной эксплуатации современной авиационной техники необходимо обеспечивать соответствие технического состояния летательных аппаратов (ЛА) требованиям прочности, принятым нормам и правилам. Один из методов решения этой проблемы – 
выявление и устранение дефектов, возникающих в процессе производства и эксплуатации изделий. Такие дефекты, как правило, непосредственно влияют на структурные параметры, характеризующие техническое состояние ЛА. В различных областях техники широко применяются методы оценки технического состояния объектов контроля по параметрам вибраций, но использовать их для выявления дефектов ЛА не 
всегда возможно из-за специализированности и узкой направленности 
этих методов. 
Несмотря на тщательный надзор за соблюдением технологической 
дисциплины, качеством изготовления деталей и агрегатов, точностью 
сборочных работ, надежно оценить параметры технического состояния 
ЛА можно только на основе объективного контроля полностью собранных и оборудованных изделий. Полностью собранные и укомплектованные оборудованием самолеты подвергаются контрольным модальным испытаниям, которые проходят все опытные изделия и, по крайней 
мере, одно из каждой производственной серии. Целью испытаний является контроль характеристик собственных тонов колебаний, заложенных в расчетные динамические модели самолетов. В результате модальных испытаний могут обнаруживаться отклонения динамических характеристик от соответствующих расчетных значений. Возможны также 
нарушения симметрии характеристик, присущей симметричным объектам. Такие отклонения, как правило, есть следствие появления в конструкции производственно-технологических дефектов. Один из методов контроля дефектов заключается в их обнаружении по параметрам 
отклика изделий на вибрационное воздействие в процессе испытаний. 
Эти параметры служат идентификационными признаками дефектов. 

В настоящем учебном пособии рассматривается методика использования портретов вынужденных колебаний в качестве идентификационных 
признаков ряда дефектов авиационных конструкций. 
Выявлять дефекты с использованием портретов колебаний можно 
также при эксплуатации и прочностных испытаниях авиационной техники. Для этого необходимо проводить периодические вибрационные 
испытания ЛА. Контроль происходит либо на уровне качественной 
оценки, либо на уровне количественной оценки одного или нескольких 
дефектов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. МЕТОДЫ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ 

 ДЕФЕКТОВ И СРЕДСТВА МОДАЛЬНЫХ 
ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ 

 
 

1.1. СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО  
МОДАЛЬНОГО АНАЛИЗА 

Вибрационные испытания широко распространены во многих областях техники. В настоящее время применяется большое количество разнообразных средств испытаний, которые непрерывно эволюционируют. 
Далее приведен только краткий обзор экспериментального оборудования, используемого для наземных модальных испытаний. 
Под средствами проведения эксперимента понимается комбинация 
аппаратных и программных составляющих [1–6]. С их помощью поочередно выделяют гармонические колебания каждого собственного тона 
и проводят измерения в окрестности собственных частот. Кроме того, 
они также фиксируют частотные спектры объектов испытаний при гармоническом и негармоническом возбуждении. 
Комплекс оборудования для современного экспериментального модального анализа включает в себя: 
 пьезоэлектрические датчики вибрации стандарта IEPE (Integrated 
Electronics Piezo-Electric – датчики с внутренним предусилителем заряда) или зарядовые датчики (с использованием внешнего усилителя заряда) для измерений отклика на внешнее воздействие. Число каналов 
измерений составляет несколько сотен. Оно определяется программой 
испытаний и зависит от типа объекта исследований; 
 пьезоэлектрические датчики силы стандарта IEPE; 
 управляемое возбуждение одним или несколькими модальными 
силовозбудителями либо модальным молотком. Предусмотрена генерация различных типов сигналов возбуждения (плавная развертка синуса, 

пошаговый синус, полигармоника или случайный шум), которые при 
этом могут задаваться одновременно по разным каналам; 
 систему возбуждения колебаний, которая содержит источник гармонических напряжений; цифроаналоговые преобразователи (ЦАП); 
усилители мощности (тока), преобразующие выходные напряжения 
ЦАП в пропорциональный им ток, протекающий через силовозбудители; электродинамические силовозбудители (ЭДСВ) («модальные»),  
у которых сила, приложенная к подвижной системе, пропорциональна 
току и не зависит от частоты колебаний; 
 средства фильтрации (сбор данных); 
 средства расчетов и индикации данных в процессе измерений; 
 средства наблюдения за сигналами, их фазовыми сдвигами по фигурам Лиссажу, векторным составляющим и анимированным формам 
колебаний. 
Комплексы оборудования для модальных испытаний позволяют 
осуществлять программное управление возбуждением колебаний с 
установкой пределов изменения частоты, времени установления колебаний и числа периодов усреднения результатов измерений. В режиме 
автоматического поиска резонанса задаются ограничения максимального фазового сдвига сигналов виброускорения. Результаты испытаний 
представляются в табличном и графическом виде, пригодном для экспресс-анализа. Сбор, оперативная обработка и анализ данных могут дополняться специализированным программным обеспечением (ПО). Граничные условия для объекта испытаний реализуются либо упругим вывешиванием конструкции, либо жестким закреплением корпуса или агрегатов. В первом варианте – или вывешивание конструкции на резиновых амортизаторах, или установка на пневмоопоры (возможна и их комбинация), во втором – неподвижное закрепление. 
Специализированное программное обеспечение условно подразделяется на три части: для подготовки испытаний, для проведения измерений и для оперативной обработки данных. 
Первая часть есть интерфейс для фиксации условий эксперимента 
(дата, время, объект, комплектация, канал измерения); типа измеряемой 
характеристики (резонансная зависимость, собственная форма и др.); 
координат точек возбуждения и измерения колебаний; данных о силовозбудителях и датчиках (тип, номер, тарировка, ориентация). 
После подготовительного этапа заполняется окно программы измерений с набором границ частотных интервалов и вариантами их реализации (шаг по частоте, число периодов установления колебаний и т. д.) 

с индикацией времени измерения, номера интервала и коэффициента 
передачи, задается общий и отдельные уровни возбуждения колебаний. 
Вторая часть управляет проведением измерений с индикацией текущих результатов в табличном и графическом виде и позволяет корректировать уровень возбуждения, величину приращения частоты или амплитуды, число периодов усреднения измерений. 
Третья часть – оперативное отображение результатов в виде таблиц 
и графиков. 
Приведем краткий перечень современных систем модального анализа. 
Компанией Bruel & Kjaer (Дания) [http://www.bksv.ru/] разработана 

платформа PULSE. Модальный анализ PULSE Reflex вместе с консультантом модальных испытаний (PULSE modal test consultant) составляет 
неотъемлемую часть специализированного программного обеспечения 
и программ проведения модального анализа. Приложение поддерживает и классический, и операционный модальный анализ. 
Консультант испытаний использует платформу мультианализатора 
PULSE. Он имеет графическое отображение, легко управляется, настраивается на измерения непосредственно на тестируемой геометрической 
форме, отображенной на экране. Эти функциональные возможности 
вместе с высокоэффективными инструментами для настройки, измерений и поверки делают испытания быстрыми и надежными. Результаты 
анализа форм колебаний (ODS) могут быть анимированы непосредственно в консультанте получения форм колебаний (ODSTC), а амплитудно-частотные характеристики – непосредственно в консультанте модальных испытаний (MTC). Полученные общие данные (временные, 
спектральные, геометрические и т. д.) могут использоваться непосредственно в пакетах программ постобработки данных, таких как PULSE 
Reflex модального анализа, PULSE Reflex корреляционного анализа. 
Компания LMS (Бельгия) предлагает пакет программ LMS Test.Lab, 
который представляет собой полный набор для проведения вибрационных испытаний, включая испытания на воздействие окружающей среды 
[http://www.plm.automation.sie-mens.com/en_us/products/lms]. Пакет LMS 
Test.Lab интегрирован с семейством оборудования LMS SCADAS и предлагает следующие специализированные программы: наземные вибрационные испытания для проверки конструкционной целостности ЛА и его 
агрегатов; операционный модальный анализ; испытания реактивных 
двигателей; измерение вибрации и шума, акустические испытания и др. 

С шестидесятых годов прошлого столетия фирма Prodera (Франция) 
[http://www.prodera.com/] производит и распространяет на мировом 
рынке системы модального анализа. Prodera стала первой в мире фирмой, оснастившей свои системы модального анализа микропроцессором. Первые системы с такой архитектурой предоставляли пользователю возможность работать в ручном и автоматическом режиме. Фирма 
Prodera, следуя принципу создания систем модульной структуры, предлагает программное обеспечение P-SYS-MODAL. Управление оборудованием осуществляется с помощью программного обеспечения P-WINMODAL. Базовая версия системы позволяет управлять 16 силовозбудителями и собирать информацию с 256 каналов измерений. 
Prodera разработала также электронную модель конструкции – 
STRUCSIM-3-D, которая представляет собой аналоговое электронное 
устройство с 8 входами и 64 выходами и обеспечивает имитацию собственных мод колебаний. Электронные схемы STRUCSIM-3-D принимают сигналы, имитирующие приложенные силы, и генерируют отклики, имитирующие перемещения. Переходную функцию между входными и выходными сигналами электронной модели можно сравнить с 
переходной функцией между системой возбуждения и системой измерения оборудования для модальных испытаний, размещенного на некой 
конструкции. С помощью электронной модели STRUCSIM-3-D можно 
проводить настройку программного обеспечения для проведения модальных испытаний, а также сравнивать различные методы анализа конструкций. С помощью электронной модели можно проводить и отладку 
программного обеспечения. 
OROS (Франция) [http://www.oros.com/] предлагает инструмент для 
модальных испытаний с OROSModal 2 (OM2), который обеспечивает 
визуализацию произвольных по времени упругих колебаний конструкции независимо от характера источника возбуждения колебаний; классический модальный анализ на основе измерения частотных характеристик с применением контролируемого возбуждения (молоток или вибровозбудители); эксплуатационный модальный анализ – выделение модальных параметров (собственных форм, частот и коэффициентов демпфирования) из отклика на неконтролируемое внешнее воздействие (турбулентность потока и т. д.). 
NVGate-платформа, разработанная фирмой OROS для анализа шума 
и вибраций, позволяет управлять параметрами обработки и измерения 
на анализаторе OR3X. Независимо от режима работы, будь то измерение 
в реальном времени или постобработка в отсутствие анализатора, в системе будут использоваться одни и те же прикладные программы. 

Программы NVGate могут работать как с подключенным анализатором OR3X, так и без него. Благодаря возможностям параллельного анализа (узкополосный анализ, октавный анализ, суммарный анализ, отслеживание гармоник и т. д.) NVGate является самым верным средством в 
случае, если необходимо визуализировать данные одновременно в самых разных областях. 
Главное усовершенствование в NVGate, связанное с анализаторами 
OR3X, – это возможность проводить параллельный анализ по разным 
каналам измерения. Это означает, что в одно и то же время можно вести, 
по существу, разные сеансы измерения. Возможность анализа одновременно с записью обеспечивает контроль за состоятельностью экспериментальных данных. 
Измерительный комплекс МИК300М фирмы «Мера» (Россия) 
[http://www.nppmera.ru/] обеспечивает следующие измерения: 
 частотных характеристик (ЧХ) при моногармоническом возбуждении; 
 колебаний испытываемого объекта при полигармоническом возбуждении; 
 случайных колебаний объекта при турбулентном (случайном 
внешнем) возбуждении; 
 случайных колебаний при внешнем импульсном контролируемом 
и неконтролируемом возбуждении. 
Результаты измерений сохраняются в базе данных пакета обработки 
сигналов WinПОС в виде записей сигналов датчиков колебаний испытываемого объекта во временной области. Затем с помощью специально 
разработанных процедур WinПОС экспериментальные данные преобразуются в форматы системы идентификации расчетных динамических 
моделей (ИРДМ), применяемой для анализа результатов динамических 
испытаний и прогнозирования флаттера. 
Результаты измерений при моногармоническом возбуждении преобразуются в текстовые файлы, содержащие амплитудно-фазовые частотные характеристики (АФЧХ), которые легко могут быть импортированы в MS Excel для оформления результатов измерений в виде графиков амплитудных и фазовых характеристик для визуального анализа и 
печати отчетных материалов. Кроме того, результаты измерений ЧХ, 
полученные при моногармоническом возбуждении, могут быть преобразованы с помощью специально разработанной программы trnppxf.exe 
в формат файлов типа xf.ddd для модального анализа и прогнозирования 
флаттера в системе ИРДМ. 

Примеры бесконтактных средств испытаний 

Фотограмметрия или видеограмметрия – это методы, обеспечивающие с помощью двух и более видеокамер измерения перемещений точек 
конструкции для получения пространственных движений [7–9]. 
Видеограмметрия использует видеопроектор, освещая целевые 
точки конструкции. Движения измеряются только со стороны источника света [10]. 
Фотограмметрия основана на корреляции рисунков двух и более 
камер, которые измеряют движения дискретных точек конструкции 
[11–13]. 
Доплеровский лазерный виброметр измеряет скорости в направлении лазерного пучка. Лазерный луч способен быстро сканировать конструкцию и перемещаться вдоль нее. Лазерный виброметр используется 
преимущественно при широкополосном случайном возбуждении колебаний. Доплеровский лазерный виброметр с непрерывным сканированием применяется для измерения форм колебаний вдоль линии, эллипса 
или схемы его перемещений [4; 14; 15]. 
В работах [16; 17] изложен опыт использования для модального анализа совокупности акселерометров и пространственно-оптической аппаратуры. Применению бесконтактных датчиков в модальных испытаниях самолетов посвящена статья [6]. В ней описано успешное применение устройства, называемого датчиком бесконтактного инерционного 
контроля скорости (NIRV), в испытаниях военного самолета на военновоздушной базе «Эдвардс» в Калифорнии (США). 

1.2. МЕТОДЫ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ 

Широкое распространение в машиностроении нашли методы оценки 
технического состояния конструкций по параметрам вибраций. Как известно, вибрационные методы можно условно разделить на пассивные и 
активные. В первом случае исследуются сигналы, получаемые при нормальном функционировании контролируемого объекта, а во втором – соответствующая информация получается при приложении к объекту специально заданных воздействий. Такие методы широко применяются, на 
их основе созданы различные контрольные приборы и стенды для диагностирования, в основном машин и механизмов, имеющих вращающиеся части, различного типа подшипников, соединительных муфт и механических передач [18–20].