Средства измерений 52 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 УДК 681.2-027.31 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПОРТАТИВНОГО ПРИБОРА НАБЛЮДЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ АНАЛИЗА ЖЕСТКОСТИ ЕГО КОНСТРУКЦИИ В СРЕДЕ САПР PRO/ENGINEER Фёдорцев Р.В.1, Фуфаев А.В.2, Болотин А.А.3 1 Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь 2 НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО», г. Минск, Республика Беларусь 3 ОАО «Пеленг», г. Минск, Республика Беларусь В САПР Pro/ENGINEER построена 3D-модель портативного прибора наблюдения. По- средством встроенного в данный пакет модуля инженерного анализа проведен механи- ческий анализ жесткости конструкции изделия. Определены собственные частотные колебания прибора по ортогональным осям и соответствующие точки максимальной концентрации напряжений в оптических и механических компонентах под действием их силы тяжести. (E-mail: feod@tut.by) Ключевые слова: прибор наблюдения, метод конечных элементов, инерциальная нагрузка, ча- стотное колебание, эквивалентное напряжение. Введение Развитие оптического приборостроения привело к появлению на мировом рынке боль- шого числа портативных комбинированных устройств наблюдения. Данные изделия соче- тают в себе достоинства тепловизионного при- бора и телевизионной камеры, а с конструктив- ной точки зрения позволяют устранить недо- статки каждой из отдельно взятых оптических систем. Анализ основных технических и эксплуа- тационных характеристик существующих мно- гоканальных комплексов и систем наблюдения показал, что улучшение параметров функцио- нальных каналов непосредственно связано с возрастанием массы прибора и его габаритных размеров (таблица 1) [1–3]. Возрастание численных значений указан- ных технических параметров приводит к появ- лению проблем связанных с эргономическими показателями конструкции изделия. В частно- сти, большие габаритные размеры изделия при- водят к ограничениям доступа к органам управления прибора, а также продолжительно- сти его удержания в руках пользователя. Указанные причины приводят к появлению утомляемости пользователя и непреднамерен- ному дрожанию изображения при наблюдении. Согласно ГОСТ 26170-84 рекомендуемая максимально допустимая масса портативного прибора не должна превышать 6 кг. Научная задача исследований заключалась в изучении направлений возможной миниатюри- зации конструкции прибора наблюдения (ПН) за счет оптимальной внутренней компоновки его составных узлов, равномерного распределения нагрузки по всему корпусу изделия и обеспече- ния при этом максимальной функциональности, связанной с дальностью обнаружения и распо- знавания цели. Объектом исследования в данной работе является малогабаритный переносной оптико- электронный ПН с тремя основными встроен- ными каналами: телевизионный низкоуровне- вый канал на фотоприемной матрице; теплови- зионный канал спектрального диапазона 8–12 мкм на неохлаждаемой микроболометрической матрице и дальномерный канал на базе полу- проводникового лазера с рабочей длиной волны 905 ± 20 нм. К основным функциональным возможно- стям прибора относятся:  визуальное обнаружение и распознава- ние наземных целей типа «человек, машина на колесном или гусеничном ходу» в дневное и ночное время, а также в условиях плохой види- мости и быстро меняющейся освещенности; Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 53 Таблица 1 Основные характеристики различных моделей систем наблюдения Параметр системы наблюдения Наименование модели прибора, производитель, страна «КАПОНИР» (НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО) РБ «MARS» (Elbit Sys- tems Ltd.) Israel «Бумеранг-Буре- вестник» (ОАО «РОМЗ») РФ Дальность распознавания цели (тепловизионный канал), м 1000 500 1500 Разрешение тепловизионной матрицы, пикс 640 × 480 384 × 288 Нет данных Дальность распознавания цели (телевизионный канал), м 1000 Нет данных 3000 Диапазон измерения дальности, м 50–2000 50–2000 100–5000 Размеры (длина, ширина, высота), мм 264 × 225 × 159 200 × 180 × 90 Нет данных Масса, кг 6,1 2 15  измерение дальности до целей в преде- лах от 50 до 2000 м с погрешностью не более ±2 м в импульсном режиме (не более 0,5 с);  измерение угла места и азимута целей с точностью не менее 0,5;  определение собственного местополо- жения прибора наблюдения по широте и дол- готе с точностью не менее 0,001 (с привязкой к глобальной спутниковой навигационной си- стеме координат GPS/GLANASS);  подготовка и передача полученной ин- формации на внешние устройства по интер- фейсу RS-232 или USB для снятия показаний об объекте наблюдения. Конструктивно изделие снабжено авто- номным источником питания, имеет посадоч- ное место крепления для установки на штатив- треногу, а также удобное расположение кно- пок управления при удерживании прибора в руках. ПН должен сохранять работоспособность в достаточно сложных условиях эксплуатации: при пониженном атмосферном давлении, воз- действии солнечного излучения, атмосферных конденсированных осадков, пыли, морского тумана, паров масла, различных видов топлива (таблица 2). Улучшение прочностных характеристик конструкции ПН возможно за счет компьютерно- го моделирования воздействия на него различных знакопеременных динамических нагрузок. Таблица 2 Внешние условия работы прибора Наименование параметра Численное значение Температура окружающей среды, С от −40° до +60° Максимальная влажность воздуха, % 98 % (не более 48 ч) Воздействие вибрации в диапазоне частот, Гц от 20 до 80 Амплитуда ускорения при воздействии синусоидаль- ной вибрации, м/с2 40 м/с2 (4 g) Средства для создания 3D-модели и назначе- ние основных узлов прибора Трехмерная геометрическая модель изде- лия создана в лицензионной среде САПР Pro/ENGINEER (рисунок 1). На стадии выполнения технического про- екта был разработан действующий макетный образец ПН с габаритными размерами 250 × × 188,8 × 116,5 мм и массой 3,7 кг. Проведенные предварительные лаборатор- ные испытания макетного образца показали, что выбранная элементная база ПН не обеспе- чивает в полной мере требования по дальности распознавания цели тепловизионным и телеви- зионным каналами (таблица 3). Средства измерений 54 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 Рисунок 1 – 3D-модель прибора наблюдения: 1 – корпус; 2 – объектив тепловизионного канала; 3 – объектив телевизионного канала; 4 и 5 – объективы соответственно передающего и приемного дальномер- ного канала; 6 – внешняя активная антенна ГЛОНАСС/GPS; 7 – окуляр с маломощным AMOLED микродисплеем для отображения видеоинформации; 8 – батарейный отсек; 9 – встроенный блок управления Таблица 3 Сравнительные характеристики макетного и опытного образцов Наименование параметра Макетный образец Опытный образец Телевизионный канал Диапазон рабочей осве- щенности, лк 5·10-2–104 6·10-5–104 Диапазон изменения углового поля зрения, ° 2,3–20 1,7–26 Дальность распознава- ния цели*, м до 800 до 1000 Тепловизионный канал Диапазон рабочих длин волн, мкм 10–12 8–12 Поле зрения, ° (горизонт × вертикаль) 5 × 4 6,2 × 5 Дальность обнаружения цели типа «человек», м 1400 2000 Дальность распознавания цели типа «человек», м 650 1000 Дальномерный канал Рабочая длина волны, нм 905–20 Диапазон измерения дальности**, м 502  2000  2 Расходимость лазерного излучения дальномера, рад 1,7 Для достижения заданных технических па- раметров были проведены уточняющие оптиче- ский и энергетический расчеты, результаты ко- торых показали необходимость применения покупных частей изделия с большими массога- баритными характеристиками. Повышение функциональных показателей ПН связано с ра- циональным выбором составной элементной базы изделия. В результате проведенного сравнительного анализа различных моделей в качестве приемни- ка телевизионного канала была выбрана низко- уровневая высокочувствительная камера с ПЗС сенсором с глобальным затвором, что по сравне- нию с КМОП матрицами, работающими в режи- ме скроллинг-затвора, обеспечивает минималь- ное искажение геометрии движущихся объектов (рисунок 2). Рисунок 2 – Внутренняя компоновка прибора наблюдения с расположением основных электрон- ных узлов В камере используется комбинация двух режимов увеличения чувствительности: биннин- га и интегрирования кадров. Благодаря специ- альному алгоритму переключения этих режимов в сочетании с применением «шахматного» бин- нинга, с одной стороны, повышена эффектив- ность режимов увеличения чувствительности и, с другой стороны, значительно снижен уровень влияния артефактов. Наряду с высококачествен- ным наблюдением в дневное время суток, чувст- * Тип цели – «человек в камуфляже» во всех условиях освещенности и метеорологической дальности види- мости МДВ  10 км и на фоне местности с коэффициентом отражения  0,1. ** Цели с угловым размером не менее 1,5 мрад, коэффициентом диффузного отражения  0,25, в условиях МДВ  10 км. Телевизионная камера Тепловизионная камера Окуляр 5 4 7 6 8 3 1 2 9 Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 55 вительность камеры в ночное время приближает- ся к чувствительности приборов ночного видения с ЭОП 2-го поколения. В качестве тепловизионного канала в ПН используется неохлаждаемый длинноволновый тепловизор со спектральной областью чувстви- тельности в диапазоне 8–12 мкм. Дальномерный канал конструктивным изменениям не подвергался. Узел излучателя дальномерного канала построен на базе лазе- ра с диодной накачкой мод. SPL-PL90-3, ра- ботающего в импульсном режиме (τ = 100 нс). Габаритные размеры AMOLED микро- дисплея, встроенного в окуляр, также не изменя- лись (9 × 12 мм), однако увеличилось его разре- шение с исходных 600 × 450 пикс. до 800 × 600 пикс., что позволило значительно улучшить наблюдаемое изображение на экране. В результате конструирования получена компоновка ПН с габаритными размерами и мас- сой составных частей, приведенными а таблица 4. Таким образом, общая масса опытного образца прибора дополнительно увеличилась и составила около 6 кг. При оптимальном составе ПН по входящим компонентам снижение массы изделия становит- ся возможным только за счет правильного подбо- ра материала корпусных базовых деталей, без ущерба снижения жесткости конструкции прибо- ра в целом. В таблице 5 приведены свойства основных материалов используемых при изготовлении эле- ментов конструкций прибора наблюдения. Таблица 4 Масса и габаритные размеры составных частей опытного образца ПН Составные части Размеры, мм Масса, кг Корпус прибора 264 × 190 × 145 2,20 Телевизионный канал 78 × 65 × 158 0,63 Тепловизионный канал 125 × 125 × 163 1,34 Дальномерный канал (излучатель) 32 × 32 × 78,5 0,06 Дальномерный канал (приемник) 62 × 62 × 101,4 0,22 GPS антенна 57 × 15 0,15 Окуляр с AMOLED микродисплеем 22 × 17 × 4,6 0,20 Батарейный отсек с батарейками (2 шт.) 138 × 120 × 50 0,71 Компас электронный 50 × 40 × 13 0,02 Блок управления 70 × 39 × 8,5 0,42 Таблица 5 Принятые значения параметров материалов Наименование физико- механического параметра Марка материала (компонент) Алюминиевый сплав Д16Т ГОСТ 4784-97 (корпус прибора) Сталь 45 ГОСТ 535-88 (некоторые крепеж- ные элементы) Стекло К8 ГОСТ 3514-94 (оптические детали) Массовая плотность , кг/м3 2780 7826 2520 Модуль Юнга E, ГПа 73,0 204,0 – Коэффициент Пуассона  0,33 0,3 – Коэффициент линейного расширения, К–1 2,310–5 1,1910–5 – Удельная теплоемкость, Дж/ (кгК) (при Т = 20°) 960 473 – Средства измерений 56 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 Указанные численные значения физико- механических параметров необходимы для проведения прочностного компьютерного ана- лиза конструкции изделия. Метод прочностного компьютерного анали- за изделия Одним из наиболее оптимальных методов прочностного анализа конструкции 3-хмерной компьютерной модели прибора в настоящее время является метод конечных элементов (МКЭ). В соответствии с этим методом поверх- ность всего изделия или отдельного его компо- нента автоматически задается сеткой из масси- ва двумерных (треугольники и параллелограм- мы) или трехмерных (например, тетраэдры и параллелепипеды) геометрических фигур. Раз- биение может быть неравномерным и априорно учитывать градиент фазовой переменной, т.е. там, где происходит быстрое изменение формы поверхности, сетка должна быть гуще и наобо- рот. При автоматическом наложении сетки на внешние поверхности ПН наибольшая плот- ность элементов наблюдалась на объективах телевизионного канала, приемного и передаю- щего дальномерного канала; на окуляре, а так- же на гранях корпуса в местах перехода сопря- женных поверхностей (рисунок 3). Рисунок 3 – Схема наложения сетки на 3D-модель прибора наблюдения Взаимосвязи между тетрагональными 10- узловыми конечными элементами описываются специальными пробными функциями или гло- бальными базисными функциями, обладающи- ми следующими свойствами – в узле аппрок- симации (резкого перехода) функции имеют значение равное единице, в остальных случаях равны нулю. В зависимости от соотношения требований точности решения задачи и возможностей вы- числительной системы выбирают линейную, квадратичную или кубическую степень функ- ции формы, при этом число узлов аппроксима- ции должно быть минимум на единицу больше порядка аппроксимирующей функции [4]. На основе полученных функций сформиро- ваны глобальные матрицы, отражающие зоны деформации тела под воздействием векторов си- нусоидальных нагрузок, а также определены ча- стоты собственных колебаний ПН. Конечно-элементная трехмерная компью- терная модель ПН создана в пакете Pro/ ENGINEER. Прочностной анализ модели прово- дился посредством PC следующей конфигура- ции: тактовая частота процессора – 2,6 × 2 ГГц; ОЗУ (DDR3) – 4 Гб. Общее машинное время обсчета составило 10 мин 9 c, в том числе: наложение сетки из конечных элементов 3 мин 23 c, построение топограммы прибора для од- ной отдельно заданной формы колебания или деформации 51 c. Целью проведенного прочностного анали- за являлось определение величины поверх- ностных деформаций, внутренних напряжений и собственных частотных колебаний конструк- ции прибора при эквивалентном инерционном нагружении, а также оценка прочностного за- паса. Результаты расчета Причина появления вибрации – неуравно- вешенное силовое воздействие. Основной про- цедурой механического анализа является мо- дальный анализ, который предназначен для определения собственных частот и форм коле- баний элементов конструкции. Знание соб- ственных частот необходимо при конструиро- вании деталей и узлов, чтобы избежать их воз- буждения на одной из собственных частот в процессе эксплуатации. Согласно данным ГОСТ В 20.57.304-98 [5] для диапазона частот синусоидальной вибрации 20–80 Гц, амплитуда перемещения не должна превышать 10 мм. ПН относится к переносному классу приборов и в процессе эксплуатации находится в непосредственном контакте с че- ловеком, что в свою очередь накладывает огра- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 57 ничения на его рабочий частотный диапазон. С гигиенической точки зрения ГОСТ 12.1.003 для человека безопасными считаются частоты в диапазоне 20–20000 Гц, имеющие слабую си- ловую интенсивность (дБ) [6]. Частота ниже порогового значения 20 Гц от- носится к инфразвуку и образуется вследствие работы компрессоров, дизельных двигателей, вентиляторов, реактивных двигателей, транс- портных средств и др. При длительном воздей- ствии инфразвук оказывает негативное влияние на органы слуха, вызывая утомление, чувство страха, головные боли и головокружение, а также снижает остроту зрения. В нашем случае низко- частотные колебания могут возникать в результа- те передвижения оператора с прибором на транс- портном средстве. Верхний частотный диапазон 80 Гц определяется антропометрическими свой- ствами (физиологическими особенностями чело- веческого тела), а именно частотный диапазон сокращения мышц рук оператора находится в диапазоне 30–80 Гц. Определение величины деформации про- граммным методом осуществляется в автома- тическом режиме. Назначается номер моды, для которой соответствует свой частотный диапазон, и определяется значение деформа- ции. Топограмма распределения деформации строится только при их наличии. Если на за- данном диапазоне частот деформация отсут- ствует, то программа выбирает более высокую частоту и повторяет анализ, до появления пер- вой резонансной частоты. Анализ работы программы показал, что в диапазоне частот 20–80 Гц деформации отсут- ствуют. Первая величина деформации 19,01 мм проявляется только на частоте 116 Гц и скон- центрирована не на наружной поверхности корпуса ПН, а внутри его на верхней кромке корпуса телевизионного канала в месте крепле- ния платы его управления (рисунок 4). С эксплуатационной точки зрения в ча- стотном диапазоне 110–120 Гц практически отсутствуют биологические и техногенные ис- точники возмущения высокой мощности, спо- собные привести ПН к каким-либо полным или частичным разрушающим колебаниям (наибо- лее близкий источник – высота голоса взросло- го мужчины 80–200 Гц, однако его мощность не превышает 40–70 дБ). Усовершенствование конструкции макет- ного образца до опытного образца по электрон- ной базе используемых компонентов, также способствовали уменьшению собственных ре- зонансных частот ПН. Рисунок 4 – Распределение деформации по поверх- ности ПН (вид со стороны окуляра без внешнего корпуса) Результаты лабораторных и полевых испы- таний опытного образца Лабораторные испытания опытного образ- ца проводились в три этапа в соответствии с разработанной на предприятии программой и методикой предварительных испытаний на ос- новании технических требований изложенных в ГОСТ В 20.57.305-98 [7]. Основная цель указанных испытаний за- ключалась в оценке эффективности работы амортизаторов, элементов крепления корпуса с другими разъемными элементами конструкции и составными частями ПН. 1. В ходе проведения испытаний осу- ществлялась проверка прочности ПН к ударно- му воздействию при его однократном свобод- ном падении с высоты 1 м на бетонную пло- щадку толщиной не менее 100 мм, на которой разложена прокладка из войлока марки ТПР15 толщиной 15 мм по ГОСТ 288. При этом про- водилась предварительная подготовка испыта- тельной площадки согласно следующим требо- ваниям: ее поверхность должна быть ровной, твердой и жесткой. Ограничительным факто- ром при испытании являлось исключение паде- ния ПН непосредственно на оптические детали. 2. Далее осуществлялась проверка ПН на возможность сохранения работоспособности после воздействия на него синусоидальной виб- рации в диапазоне частот 20–80 Гц с амплиту- дой ускорения 39,2 м/с2 (4g). С этой целью ПН жестко закрепляли на вибрационной электроди- мм Средства измерений 58 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 намической установке мод. ВЭДС-1500 (LDS, Англия) в эксплуатационном положении и ис- пытывали по нормам, указанным в таблице 6. Программа и методика испытаний преду- сматривала следующие действия. При включении вибростенда плавно изме- няли частоты в заданном диапазоне в направ- лении от нижней частоты до верхней и обратно со скоростью не более одной октавы в минуту. При этом стремились поддерживать заданную в таблице амплитуду виброперемещения и виб- роускорения. Контрольные значения ускорения и амплитуды виброперемещения измеряли в точках крепления ПН. Таблица 6 Нормы проверок на вибропрочность Поддиапа- зон частот, Гц Амплитуда вибропереме- щения, мм Амплитуда виброускоре- ния, м/с2, (g) 16–20 0,5 — 20–25 0,5 — 25–31,5 0,5 — 31,5–40 0,5 — 40–50 — 39,2 (4) 50–63 — 39,2 (4) 63–80 — 39,2 (4) 80–100 — 39,2 (4) 100–120 — 39,2 (4) 3. Проверку устойчивости изделия в упако- ванном виде к разрушающему действию механи- ческих нагрузок, возникающих при транспорти- ровании, производили следующим образом. Перед испытанием проверили надежность крепления ПН в штатной упаковке для транс- портирования. ПН в упаковке жестко закрепля- ли в центре платформы стенда ST-500. Испытания проводили с частотой повторе- ния 40–120 ударов в минуту, при пиковом ускорении 20g и длительности ударных им- пульсов 1–5 мс, число ударов составляло 2000. Измерение пиковых ударных ускорений осу- ществлялось с погрешностью не более ± 15 %. Далее изделие снимали со стенда и прово- дили внешний осмотр тары, а также осуществ- ляли проверку чистоты оптических деталей и внешний осмотр на отсутствие механических повреждений и качество маркировки. Перед началом и по окончании всех видов испытаний ПН проверяли на соответствие всем пунктам технических характеристик. Заключение 1. При сохранении внешних габаритных размеров изделия, увеличение массы прибора наблюдения по составным частям способствует дополнительному гашению амплитудных виб- раций и смещению точки резонанса в верхний частотный диапазон. 2. В ходе анализа результатов моделирова- ния в частотном диапазоне эксплуатации при- бора (20–80 Гц) расчетная величина деформа- ций не наблюдается. Первичные резонансные колебания определяются на частоте 116 Гц. Точка концентрации деформации расположена внутри прибора наблюдения на кромке корпуса телевизионного блока, что объясняется его зна- чительной массой (0,63 кг). 3. Снижение массы изделия на 52 % за счет уменьшения толщины стенок корпуса прибора наблюдения с исходных 3–4 мм до 2 мм приводит к смещению точки возникнове- ния резонанса с частоты 116 Гц на частоту 68,82 Гц, которая попадает в ограничитель- ный диапазон вибраций и является недопу- стимой. 4. Результаты проведения лабораторных стендовых испытаний показали, что прибор наблюдения имеет 4-х кратный запас прочно- сти конструкции к воздействию кратковремен- ных знакопостоянных и однократных знакопе- ременных синусоидальных вибраций. Список использованных источников 1. Соломонов, М. Точность и интеллектуальность на службе у «Солдата будущего» / М. Соломо- нов // Армия. – № 3. – 2012. – С. 20–23. 2. MARS. Uncooled Hand-Held Thermal Imager with Target Acquisition Capabilities. Thermal Imaging Systems. Elbit Systems Electro-optics. – Elop Ltd. № 8. – 2009. Israel. – www.elbitsystems.com/elop. 3. Модуль телетепловизионный дальномерный (МТТД) «Бумеранг-Буревестник» / ОАО Ро- стовский оптико-механический завод. Про- дукция. – http://www.romz.ru/ru/catalog/ 4. Трудоношин, В.А. Метод конечных элементов : электронный учебник / В.А. Трудоношин, Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 59 М.Ю. Уваров ; МГТУ имени Н.Э. Баумана. Кафедра САПР. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rk6.bmstu. ru/ electron- ic_book/function_model/mke/mke.html. 5. ГОСТ РВ 20.57.304-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование воен- ного назначения. ДСП. – Госстандарт Рос- сии. Москва. – 55 с. 6. ГОСТ 12.1.003-83. Система стандартов безопас- ности труда. Шум. Общие требования безопас- ности. – Госстандарт России. Москва. – 14 с. 7. ГОСТ РВ 20.57.305-98. Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назна- чения. Методы испытаний на воздействие механических факторов. ДСП. – Госстандарт России. Москва. – 50 с. ________________________________________________________ Feodortsau R.V., Fufaev A.V., Bolotin А.А. Modelling and optimization of portable supervision the device of by means of analysis of rigidity of its design in the environment of Pro/ENGINEER SAPR The 3D model of the portable device of supervision using SAPR Pro/ENGINEER is constructed. By means of the module of the engineering analysis built in this package the mechanical analysis of rigidity of a product design is carried out. Own frequency fluctuations of a product by orthogonal axes and the corre- sponding points of the maximal tension concentration in optical and mechanical components under the influ- ence of their gravity are determined. (E-mail: feod@tut.by) Key words: supervision device, finite element method, inertia load, self frequency, equivalent stress. Поступила в редакцию 05.03.2013.