ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРОЖЕКТОРА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ЛОКОМОТИВА
С. Р. Абульханов1,2, Н. Л. Казанский1,2, Ю. С. Стрелков 1,2
1Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Самара, Россия
2Институт систем изображений обработки РАН – филиал Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, Самара, Россия
abulhanov58@mail.ru. kazansky@smr.ru. ghost_strelkov@mail.ru.
Содержание
4. Анализ результатов численного моделирования вибрационных деформаций
4.1. Деформации поверхности всей конструкции прожектора
4.2. Деформации кронштейна прожектора
4.3. Деформации подложки прожектора
Аннотация
Предложена методика сравнительного анализа конструкций железнодорожного прожектора с различными источниками света. Методика включает ряд этапов численного анализа влияния вибрационных деформаций, характерных для условий эксплуатации локомотива, на надежность и светотехнические характеристики прожектора. Основные этапы такого анализа - построение 3d-модели конструкции анализируемого светотехнического устройства; определение собственных частот конструкции средствами программной среды ANSYS Workbench; моделирование деформаций конструкции на ее собственных частотах; анализ вклада деформаций элементов и узлов осветительного прибора в наибольшие деформации всего устройства; анализ качества формируемой диаграммы направленности излучения на основе лучевого расчета (реализованного средствами MATLAB) работы светотехнического устройства при наибольших деформациях. На основе предложенной методики проведёно исследование различных конструкций железнодорожного прожектора: 1) с лампой накаливания в качестве источника света; 2) со светодиодами в качестве источника света; 3) со светодиодами, установленными на перфорированной подложке; 4) со светодиодами на перфорированной подложке, усиленной ребрами жёсткости. Таким образом, в статье решена задача совместного анализа результатов расчета вибрационных нагрузок прожектора и качества формирования диаграммы направленности излучения. Ключевым элементом анализа является использование динамической визуализации рассчитанных вибрационных колебаний прожектора и формируемого (при наибольших искажениях конструкции) светового пучка.
Ключевые слова: железнодорожный прожектор, светодиоды, вибрационные колебания, численное моделирование, динамическая визуализация, трассировка лучей, форма светового пучка, распределение интенсивности света.
1. Введение
Светодиодные источники света находят применение в прожекторах локомотивов [1] и в осветительных системах железнодорожной инфраструктуры [2-3]. От качества освещения зависит производительность и безопасность эксплуатации железнодорожных транспортных средств.
Конструкция со светодиодами отличается от прожектора с лампой накаливания количеством светодиодных источников света и способом их крепления в прожекторе [4]. Это отличие связано с изменением положения центра масс конструкции по сравнению с прожектором, оснащённым лампой накаливания. Смещение центра масс приводит к изменению спектра собственных частот осветительного устройства, в результате чего может измениться способность конструкции сопротивляться воздействию вибраций.
Натурные вибрационные испытания прожектора для определения необходимых конструкторских решений длительные и затратные.
В статье предлагается методика выбора наиболее устойчивой к воздействию вибраций конструкции прожектора на основе анализа результатов численного моделирования деформаций осветительного устройства на собственных частотах. Важным элементом предложенной методики является визуализация результатов на всех этапах численного моделирования.
2. Постановка задачи
В работе [5] был определён частотный диапазон значимых вибраций лобового прожектора, т.е. диапазон железнодорожных вибраций, характерных для эксплуатации прожектора локомотива в условиях Российских железных дорог (РЖД).
На основании конструкции реального железнодорожного прожектора была построена 3d модель [5], для которой в программной среде ANSYS были определены собственные частоты. Конструкция прожектора имела лампу накаливания и стеклянный параболический отражатель. Сопоставление частотного диапазона железнодорожных вибраций и собственных частот конструкции прожектора показало, что первые шесть собственных частот конструкции осветительного прибора принадлежат диапазону частот железнодорожных вибраций. Это обстоятельство указывало на невысокую надёжность прожектора, что подтверждалось практикой.
В работе [6] рассматривался один из возможных вариантов модернизации железнодорожного прожектора: были удалены лампа накаливания и несущий её кронштейн; параболический отражатель был заменён алюминиевой подложкой с жёстко закреплёнными на ней светодиодами. Модернизация прожектора привела к увеличению его веса на 900 г. Сопоставление частотного диапазона железнодорожных вибраций и собственных частот конструкции прожектора показало, что модернизированная конструкция прожектора имеет высокую сопротивляемость воздействию вибраций на низких частотах. Такая конструкция прожектора приемлема для использования на маневровых локомотивах и на пригородных поездах. При этом использование светодиодов в качестве источника света привело к повышению надёжности прожектора в эксплуатации и снижению энергопотребления.
Для снижения веса прожектора в работе [7] была предложена перфорированная подложка, несущая светодиоды. Резонансные частоты были определены для перфорированной подложки со светодиодами и без них. Анализ собственных частот показал следующее: светодиоды незначительно влияют на собственные частоты конструкции; перфорация подложки не увеличивает её способность сопротивляться воздействию железнодорожных вибраций.
Результаты, полученные в работе [8], показывают, что одним из направлений совершенствования конструкции прожектора является повышение жесткости (способность сопротивляться деформациям) перфорированной подложки, несущей светодиоды. В статье [8] было предложено, но не исследовано усиление подложки ребрами жёсткости.
Таким образом, для определения конструктивных решений, повышающих сопротивление прожектора воздействию железнодорожных вибраций, необходимо провести сравнительный анализ возможных конструкций. На рисунке 1 показаны 3D изображения с различных ракурсов исследуемых в предлагаемой статье конструкций:
– прожектора с лампой накаливания в качестве источника света (далее - конструкция 1);
– прожектора, использующего в качестве источников света светодиоды, установленные на цельной подложке (конструкция 2);
– прожектора с перфорированной подложкой, несущей светодиоды (конструкция 3);
– светодиодного прожектора с перфорированной подложкой, усиленной ребрами жёсткости (конструкция 4).
Для высококачественного проведения сравнительного анализа конструкций осветительного устройства необходимо предложить эффективную методику исследований с наглядной демонстрацией результатов. Методика исследований должна учитывать влияние вибрационных нагрузок на срок службы прожектора и на качество формируемой при вибрациях диаграммы направленности излучения.
3. Методика исследований
Определение собственных частот различных конструкций прожектора проводилось средствами программной среды ANSYS Workbench. Совпадение частоты собственных колебаний осветительного устройства с частотой внешних колебаний (с частотой, принадлежащих частотному диапазону значимых вибраций), приводит к резкому возрастанию амплитуды вынужденных колебаний конструкции. По количеству собственных частот прожектора, принадлежащих частотному диапазону значимых вибраций, можно судить о вибрационной устойчивости конструкции прожектора.
На рис. 2 показана 3D модель прожектора с основными геометрическими размерами. Поверхность модели прожектора была разбита на отдельные элементы гибридной неструктурированной сеткой. Размеры конечных элементов сетки ограничены емкостью памяти используемого компьютера. По этой причине при определении собственных частот различных конструкций прожектора не учитывались резьбовые поверхности. Такое допущение оправдано, так как собственные частоты перфорированной подложки со светодиодами и без них отличаются незначительно [8]. В параметры численного моделирования закладывались значения температуры
Физико-технические параметры (упругие характеристики, плотность и др.) составляющих деталей конструкции прожектора соответствовали сталям и материалам, регламентируемым нормативными документами РЖД для осветительных приборов.
Размеры модели светодиода SMD 3528-W производства фирмы CIVILIGHT (Тайвань) соответствуют размерам, заявленным в техническом паспорте. Количество светодиодов в прожекторе определялось их светотехническими характеристиками. Вес, форма и способ крепления светодиодов на подложке прожектора влияют на величину собственных частот и характер деформации конструкции прожектора (см. раздел 4 данной статьи). По этой причине определялись собственные частоты конструкции прожектора со светодиодами и без них.
а) 
б) 
в) 
г) 
Рис. 1. 3D изображения главного вида и вида сзади моделей исследуемых конструкций прожектора: а – конструкция 1 (с лампой накаливания); б - конструкция 2 (светодиодные источники света); в – конструкция 3 (светодиодные источники света на перфорированной подложке); г – конструкция 4 (светодиодные источники света на перфорированной подложке, усиленной рёбрами жесткости).
Рис. 2. 3D модель прожектора с перфорированной подложкой, несущей светодиоды, с указанием размеров основных элементов конструкции.
Подложка, несущая светодиоды, в численной модели имела значения физико-технических характеристик, соответствующих алюминиевому сплаву Д16Т (ГОСТ 4784-97 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки). Различные диаметры и местоположение отверстий на перфорированной подложке обусловлены тем, что под светодиодом не должно быть отверстия, иначе снижается прочность его крепления.
Характер деформаций цельной и перфорированной подложки,
несущей светодиоды, показал направления радиальных рёбер жёсткости. Количество
радиальных ребер жёсткости выбиралось из соображений минимизации веса подложки.
Размеры сечения ребер жесткости (2
2 мм) определялись
технологическими возможностями прессования алюминиевых сплавов.
Определение и анализ величин собственных частот осуществлялись для конструкций, представленных на рисунке 1.
Деформации кронштейна и (или) подложки железнодорожного прожектора приводят к изменению пространственной ориентации формируемого светового потока. Методика включает в себя расчет трассировки лучей при максимальных деформациях конструкции прожектора и его основных элементов (кронштейна и подложки).
Важным элементом предлагаемой методики является наглядная визуализация результатов расчётов на всех этапах моделирования: визуализация деформаций, трассировки световых лучей и распределения интенсивности светового потока. Графическая иллюстрация результатов расчета является важным атрибутом моделирования в компьютерной оптике [9].
В программной среде ANSYS результаты расчетов представляются стандартными графическими средствами, которые применительно к решаемой задаче разбивают диапазон рассчитанных деформаций поверхности на определенные интервалы. Квантование величин деформирования поверхности осуществлялось в соответствии со стандартными настройками графического интерфейса ANSYS Workbench. Каждому интервалу в соответствие ставится определённый цвет выбранной цветовой гаммы. В соответствии с цветовой шкалой определялись наибольшие деформации поверхности отдельных составляющих деталей прожектора (кронштейна и подложки). Наибольшей деформацией поверхности всей конструкции считалась максимальная деформация фрагмента поверхности кронштейна или подложки прожектора.
Для демонстрации динамики деформаций прожектора нами были сгенерированы видеофрагменты рассчитанных процессов колебаний осветительного устройства на его собственных частотах f (рис. 3) для конструкции 4 (рис. 1г) – с перфорированной и усиленной ребрами подложкой: f = 19,236 Гц (рис. 3а); f = 40,516 Гц (б); f = 62,296 Гц (в); f = 100,65 Гц (г); f = 115,82 Гц (д).
Для сравнения на рисунке 4 приведены анимационные отображения динамики деформаций конструкции 2 (рис. 1 б) – прожектора с цельной подложкой, несущей светодиоды. В этом случае соответствие собственных частот конструкции прожектора и рисунков следующее: f = 146,53 Гц (рис. 4а); f = 202,43 Гц (б); f = 231,22 Гц (в); f = 292,39 Гц (г); f = 393,43 Гц (д); f = 439,09 Гц (е).
Численное моделирование и визуализация рассчитанных колебаний различных конструкций прожектора на собственных частотах является единственным инструментом определения характера деформаций конструкции осветительного устройства при движении локомотива. Существует возможность замера деформаций движущегося прожектора с помощью установки на поверхности составляющих его деталей тензометрических датчиков. Однако в этом случае меняются собственные частоты конструкции прожектора, в результате чего характер его деформаций, определённых таким образом, будет отличаться от реальных деформаций. Кроме того, для изучения способности сопротивляться вибрационным деформациям конструкции прожектора необходимо, чтобы локомотив двигался с различной скоростью по железнодорожному полотну с разнообразными физико-техническими параметрами [5-7]. Такие испытания являются чрезвычайно длительными и дорогостоящими.
|
а) |
б) |
в) |
|||
|
г) |
д) |
||||
Рис. 3. Анимационная визуализация на 3D модели процесса колебаний конструкции с перфорированной и усиленной ребрами подложкой на собственных частотах: а) f =19,236 Гц; б) f = 40,516 Гц; в) f = 62,296 Гц; г) f =100,65 Гц; д) f =115,82 Гц.
|
а) |
б) |
в) |
|
г) |
д) |
е) |
Рис. 4. Анимационная визуализация на 3D модели
процесса колебаний конструкции с цельной подложкой на собственных частотах: а) f
= 146,53 Гц; б) f = 202,43 Гц; в) f = 231,22 Гц;
г) f = 292,39 Гц; д) f = 393,43 Гц; е) f = 439,09 Гц.
Рассмотренные собственные частоты конструкции прожектора с цельной подложкой не принадлежат диапазону частот железнодорожных вибраций современных железных дорог России [5]. Использование высокоскоростных поездов приведёт к увеличению диапазона частот железнодорожных вибраций. В этом случае будет необходима разработка конструкторских решений, повышающих сопротивление деформациям конструкции светодиодного прожектора с цельной подложкой.
На основе построенной 3D модели прожектора в программной среде ANSYS Workbench был осуществлен рендеринг и построены изображения различных конструктивных элементов прожектора при наибольших деформациях (рис. 5). Деформации одной величины показаны изолиниями (линиями уровня) определённого цвета. Амплитуды колебаний различных конструкций прожектора имеют небольшую величину (от нескольких до десятков микрон), поэтому для визуализации вибраций конструкции прожектора ANSYS Workbench использует увеличение.
Далее в статье в результате моделирования нами определены зависимости амплитуд наибольших деформаций всей конструкции осветительного устройства, подложки, несущей светодиоды, и кронштейнов, несущих подложку, от собственных частот различных конструкций прожектора. В разделе 4 на рисунках 6-8 представлены графики указанных зависимостей. Методика исследования предполагает соответствие номеров точек, используемых на графиках рисунков 6, 7 и 8, различным конструкциям прожектора (Таблица 1).
Результаты моделирования напряжённо-деформированного состояния представляют числовые массивы больших размерностей, что затрудняет их анализ. Визуализация повышает эффективность принимаемых конструкторских решений.
|
а) |
|
б) |
|
|
в) |
|
г) |
|
|
д) |
|
е) |
|
|
ж) |
|
з) |
|
Рис. 5. Изображения 3D моделей различных конструктивных элементов прожектора при наибольших деформациях: a, в, д, ж – кронштейна; б, г, е, з – подложки. При этом изображения a и б соответствуют цельной подложке (конструкция 2); в и г – перфорированной подложке (3); д и e – перфорированной подложке с радиальными рёбрами жесткости (4); ж и з – перфорированной подложке с радиальными рёбрами жёсткости и без светодиодов (4б).
4. Анализ результатов численного моделирования вибрационных деформаций
4.1. Деформации поверхности всей конструкции прожектора
На рисунке 6 показана зависимость значений наибольших деформаций всей конструкции прожектора от его собственных частот. Для всей конструкции прожектора наибольшей деформацией является максимальная деформация любого элемента из его составляющих.
Таблица 1. Соответствие номеров точек на рисунках 6, 7 и 8 различным типам прожектора.
|
№ рисунка
Тип прожектора |
Прожектор с лампой накаливания (конструкция 1) |
Прожектор с цельной подложкой, несущей светодиоды (конструкция 2) |
Светодиодный прожектор с перфорированной подложкой (конструкция 3) |
Светодиодный прожектор с перфорированной подложкой, усиленной ребрами жесткости (конструкция 4) |
Прожектор с перфорированной подложкой, усиленной ребрами жесткости (без светодиодов - конструкция 4б) |
|
6 |
1 |
2 |
3 |
4 |
4б |
|
7 |
1 |
2 |
3 |
4 |
4б |
|
8 |
- |
2 |
3 |
4 |
4б |
Рис. 6. Зависимость величины наибольших деформаций всей
конструкции прожектора от собственных частот различных конструкций прожектора
(Табл. 1).
0 – частотный интервал значимых железнодорожных вибраций.
Анализ рисунка 6 позволил установить следующее:
– наименьшие амплитуды максимальных деформаций конструкции осветительного устройства имеют место для прожектора с лампой накаливания (конструкция 1) и для прожектора со светодиодами на цельной подложке (конструкция 2);
– деформации светодиодного прожектора с цельной подложкой меньше деформаций прожектора с лампой накаливания.
Хрупкость лампы накаливания и стеклянного отражателя стандартного прожектора приводят к малому жизненному циклу такого осветительного устройства, о чем свидетельствует практика эксплуатации железнодорожных прожекторов с лампами накаливания.
Применительно к конструированию железнодорожного прожектора анализ рисунков 5 и 6 позволяет установить следующее:
– модернизация подложки приводит к увеличению на несколько порядков наибольших деформаций конструкции всего прожектора внутри значимого частотного диапазона железнодорожных вибраций;
– своего максимума амплитуда деформаций для конструкций прожектора 3-4 достигает в небольшом диапазоне частот: от 35 до 45 Гц, который принадлежит частотному диапазону значимых железнодорожных вибраций;
– конструкция прожектора может демпфировать колебания на некоторых резонансных частотах;
– снижение амплитуд деформаций подложки в пределах 20÷25% (для конструкций 3-4) имеет место на правой границе частотного диапазона железнодорожных вибраций (80-103 Гц);
– увеличение амплитуды деформаций конструкции прожектора с перфорированной подложкой, усиленной ребрами жесткости и при отсутствии светодиодов (конструкция 4б), имеет место на правой границе частотного диапазона железнодорожных вибраций (80-103 Гц);
– на частотах вибраций от 43 до 65 Гц конструкция прожектора имеет наибольшие деформации для перфорированной (табл. 1 конструкция 3) и перфорированной с усилением ребрами жесткости (табл. 1 конструкция 4) подложек (рис. 6), что означает наибольшие отклонения от нормативных светотехнических характеристик прожектора;
– на частотах вибраций от 74 до 110 Гц вся конструкция прожектора испытывает умеренные деформации.
Обращает на себя внимание близость резонансных частот (координат точек на графике 6) для конструкций 3, 4 и 4б. Это объясняется тем, что один из элементов конструкции прожектора вносит наибольший вклад в картину деформаций осветительного устройства.
Анализ полученных результатов показывает, что самыми виброустойчивыми оказались конструкции, имеющие максимальный вес и металлоемкость.
4.2. Деформации кронштейна прожектора
Анализ рисунка 5 позволил установить изменение амплитуды наибольших деформаций кронштейна прожектора от его собственных частот, определенных численными методами на 3D моделях. На рисунке 7 представлены зависимости амплитуды наибольших деформаций кронштейна прожекторов различных конструкций (Табл. 1) от их собственных частот. Изолинии деформаций на поверхностях 3D моделей прожекторов различных конструкций (рис. 5) и анализ рисунка 7 позволили установить:
– в диапазоне частот от 43 до 65 Гц кронштейн имеет наименьшие деформации для всех исследуемых конструкций прожектора (кронштейн имеет наибольшую жесткость);
– в диапазоне частот от 74 до 110 Гц кронштейн имеет наибольшие деформации (указанный частотный диапазон соответствует правой границе значимого частотного диапазона железнодорожных вибраций).
Рис. 7. Зависимость рассчитанной величины наибольших деформаций кронштейна от собственных частот различных конструкций прожектора (Табл. 1). 0 – частотный диапазон значимых железнодорожных вибраций.
Анализ наибольших деформаций кронштейна для различных конструкций прожектора (рис. 5) и собственных частот осветительного устройства (рис. 7) позволили обнаружить неочевидные обстоятельства, требующие учёта при проектировании железнодорожного прожектора:
– устойчивость кронштейна к вибрациям на частотах от 43 до 65 Гц обеспечивает минимальные изменения пространственной ориентации светового потока, формируемого прожектором;
– на частотах от 74 до 110 Гц имеют место наибольшие деформации кронштейна, что приведёт к наибольшим изменениям пространственной ориентации светового потока, формируемого прожектором;
– на частотах вибраций от 74 до 110 Гц наибольшие деформации подложек (рис. 5) уменьшаются в пределах 3÷10%, что объясняется демпфированием колебаний подложки конструкцией кронштейна.
Колебания кронштейнов на частотах выше 50 Гц приведёт к тому, что перед локомотивом будет освещаться пятно, быстро меняющее свою форму и положение. В силу инерционности человеческого глаза это явление машинист будет воспринимать, как увеличение площади освещаемого участка. При колебаниях кронштейна на частотах ниже 50 Гц машинист будет наблюдать перед локомотивом изменения формы освещаемого участка, что затруднит его работу и приведет к снижению безопасности движения.
Демпфирование значимых железнодорожных вибраций за счёт улучшения формы кронштейна является предпочтительным. В этом случае в конструкцию прожектора не добавляются дополнительные демпфирующие элементы. Это позволяет, не снижая надёжности прожектора, увеличить его стойкость к воздействию вибраций. Отметим, что опыт разработки подобных кронштейнов–демпферов отсутствует.
4.3. Деформации подложки прожектора
Демпфирование железнодорожных вибраций также может осуществлять конструкция подложки. На рисунке 8 представлены результаты моделирования наибольших деформаций подложек различных конструкций (Табл. 1) для собственных частот осветительного устройства.
Рис. 8. Зависимость рассчитанной величины наибольших деформаций подложек от собственных частот различных конструкций прожектора (Табл. 1). 0 – частотный диапазон значимых железнодорожных вибраций.
Анализ рисунков 8, 5 и 6 показывает, что наибольший вклад в деформацию всей конструкции светодиодного прожектора вносит подложка. Этот анализ позволяет обнаружить ряд важных для проектировщика обстоятельств:
– на частотном диапазоне вибраций 37–110 Гц цельная подложка (конструкция 2) испытывает меньшие деформации по сравнению с подложками других конструкций;
– для конструкции 4 (светодиоды на перфорированной подложке, усиленной радиальными ребрами жесткости) разброс значений наибольших деформаций не превышает 20%, а для конструкций 4б (конструкция 4, но без светодиодов) этот разброс достигает 50%;
– частоты, соответствующие наибольшим деформациям кронштейна, не совпадают с собственными частотами наибольших деформаций подложек (см. рисунки 5, 7 и 8).
В результате анализа рисунков 5 и 8 и выявленных закономерностей деформирования подложки можно сформулировать ряд рекомендаций и выводов:
– проектирование подложки необходимо осуществлять совместно с проектированием конструкции кронштейнов прожектора;
– проектирование конструкции подложки и кронштейнов должно осуществляться с учетом размеров, количества, характера размещения на подложке и веса используемых в прожекторе светодиодов;
– цельная подложка обеспечивает большую жесткость, чем перфорированная подложка, даже усиленная радиальными рёбрами жесткости;
– конструкция кронштейна способна демпфировать деформации подложки, обусловленные вибрациями на частотах от 74 до 110 Гц.
5. Анализ влияния вибрационных деформаций на светотехнические характеристики прожектора движущегося локомотива
В соответствии с нормативными документами РЖД (Решения от 15.07.2011 г. N 710 «О принятии технических регламентов таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава») осевой луч прожектора должен быть направлен параллельно плоскости пути. При этом устройство должно обеспечивать номинальную осевую силу света при достижении углов рассеяния луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях ~3° в соответствии с Приложением 1 ГОСТ 12.2.056-81. Анализ работы светотехнического устройства осуществляется на основе контроля качества формирования на плоском экране, установленном вертикально на расстоянии 10 метров от прожектора (плоскость наблюдения), светового пятна, диаметр которого не должен превышать 900 мм.
В рамках геометрической оптики [10] было рассчитано и построено с использованием графических возможностей программного обеспечения Matlab распределение интенсивности света в плоскости наблюдения (рис. 9). При моделировании светового потока, формируемого прожектором, считалось, что излучение генерируется не точечными светодиодами, а всей поверхностью подложки. Прожектор рассчитан для формирования светового потока в виде цилиндра (рис. 9 б).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 9. Результаты моделирования работы прожектора с цельной недеформированной подложкой: а – распределение интенсивности света в плоскости, перпендикулярных оси симметрии светоизлучающей подложки, на расстоянии 10 м; б – визуализация трассировки световых лучей протяжённостью 100 мм.
В программной среде ANSYS Workbench были рассчитаны деформации цельной подложки (конструкция 2 – см. рис. 1 б), несущей светодиоды, и кронштейнов на различных собственных частотах (рис. 10). На рисунках 10а и 10в хорошо видно отклонение формы внешнего края подложки от эллиптической, а на рисунках 10б и 10г искажение проявляется в виде отклонения торца подложки от вертикальной прямой. Это означает, что подложка, несущая светодиоды, и кронштейны, удерживающие подложку, на собственных частотах прожектора испытывают сложные несимметричные деформации. Анализ деформаций подложки и кронштейнов прожектора определяет выбор конструкторских решений, которые максимально снизят деформации прожектора.
При наибольших деформациях цельной подложки (конструкция 2, рис. 1б), соответствующих собственной частоте f = 82,674 Гц, были определены (рис. 11):
– распределения интенсивности света в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии светоизлучающей поверхности и отстоящих от неё на 1 и 10 метров;
– трассировки световых лучей от светоизлучающей поверхности до плоскостей, отстоящих на расстояниях 1 и 10 метров.
а) 
б) 
в) 
г) 
Рис. 10. Визуализация деформации подложки: вид сбоку (а и в) и сверху (б и г) цельной подложки и кронштейна прожектора при максимальных деформациях на различных частотах. Изображения а, б соответствуют частоте f = 82,674 Гц (увеличение деформаций подложки ´250), изображения в, г – f = 101,53 Гц (увеличение ´400).
а) 
б) 
г) 
в) 
д) 
Рис. 11. Результаты моделирования работы прожектора с цельной подложкой при ее наибольшей деформации на собственной частоте f = 82,674 Гц: а –деформированная светоизлучающая поверхность подложки с построенными к ней нормалями (×250); б и в – распределения интенсивности света в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии светоизлучающей подложки, на расстоянии 1 м и 10 м соответственно; г и д – визуализация трассировки световых лучей протяжённостью 1 м и 10 м соответственно.
Для частоты f = 101,53 Гц, которая обеспечивает наибольшие деформации кронштейна прожектора (конструкция 2, рис. 1б) и принадлежит окрестности правой границы диапазона значимых железнодорожных вибраций, также была построена трассировка лучей (рис. 12).
а) 
в) 
б) 
г) 
Рис. 12. Результаты моделирования работы прожектора с цельной подложкой при наибольшей деформации кронштейна на собственной частоте f = 101,53 Гц: а и б – распределения интенсивности света в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии светоизлучающей подложки, на расстояниях 1 м и 10 м соответственно; в и г – визуализация трассировки световых лучей протяжённостью 1 м и 10 м соответственно.
Визуализация результатов моделирования позволила впервые оценить распределение интенсивности света и трассировку световых лучей, формируемых прожектором локомотива при его движении. Анализ распределения интенсивности света на экране, перпендикулярном оси симметрии подложки и отстоящим от неё на разном расстоянии, позволил установить, что картины распределения интенсивности света у неподвижного и у движущегося локомотива существенно отличаются. У движущегося локомотива возможно сильное искажение формы светового пучка относительно исходной цилиндрической (сравните рис. 9б с рис. 11г,д и рис. 12в,д). Анализ изображений на рисунках 11 и 12 наглядно показал: деформация подложки на рассматриваемых собственных частотах приводит к тому, что вместо цилиндрической формы световой поток на выходе из прожектора приобретает сходящуюся коническую (рис. 11г и рис. 12в), которая превращается в расходящуюся коническую примерно на расстоянии 1,5÷2 метра от подложки (рис. 11д и 12г).
На расстоянии 10 метров прожектор на частотах 82,674 и 101,53 Гц при наибольших деформациях формирует на экране пятно протяженностью до 1500 и 1000 мм соответственно, по форме сильно отличающееся от круга. Моделирование показывает, что даже малые деформации цельной подложки на частоте 82,674 Гц приводят к отклонению формы пятна от круга, при этом наибольшая протяженность пятна превосходит требуемый диаметр (900 мм) в 1,1÷1,7 раза. Следует отметить, что наибольшая интенсивность света (красный цвет на рис. 11б,в и 12а,б) не соответствует началу координат, что означает невыполнение нормативного условия: "наибольшая номинальная сила света осветительного устройства должна принадлежать статической, горизонтальной оси симметрии прожектора"[1]. Это несоответствие приведет к дополнительной нагрузке на машиниста.
На частоте 101,53 Гц, соответствующей наибольшим деформациям кронштейна, форма светового пятна на расстоянии 1 метр от светоизлучающей подложки близка к кругу диаметром 400 мм, но на расстоянии 10 метров световое пятно имеет диффузную форму с зонами затемнения. При этом наибольшая интенсивность освещённости имеет место на фрагменте экрана, который смещен относительно статической горизонтальной оси симметрии на 350 мм.
Проведённый анализ работы прожектора при движущемся и неподвижном локомотиве стал возможен в результате наглядного представления результатов моделирования.
Впервые полученные результаты совместного моделирования вибрационных деформаций и светотехнических характеристик прожектора открывают новую страницу в проектировании светодиодных конструкций. Визуализация результатов такого совместного моделирования позволяет при проектировании осветительных устройств выбирать взвешенные и всесторонне обоснованные конструкторские решения, обеспечивающие стабильные светотехнические характеристики устройства в сложных условиях эксплуатации.
6. Заключение
Сравнительный анализ вибрационной стойкости различных конструкций светотехнического устройства в рамках численного моделирования включает в себя следующие этапы.
1. Определение значимого диапазона частотных вибраций, характерных для условий эксплуатации анализируемого светотехнического устройства.
2. Построение 3d модели конструкции анализируемого светотехнического устройства.
3. Выбор конструкционных материалов устройства и физико-технических параметров моделирования.
4. Определение собственных частот различных конструкций средствами программной среды ANSYS Workbench.
5. Сопоставление собственных частот различных конструкций и диапазона значимых частотных вибраций, характерных для условий эксплуатации анализируемого светотехнического устройства.
6. Моделирование деформаций различных конструкций на их собственных частотах средствами программной среды ANSYS Workbench.
7. Визуализация средствами программной среды ANSYS Workbench наибольших деформаций различных конструкций.
8. Анализ вклада деформаций элементов и узлов осветительного прибора в наибольшие деформации всего устройства.
9. Анализ качества работы светотехнического устройства при наибольших деформациях.
10. Выбор наиболее вибростойкой конструкции. Это конструкция, у которой либо собственные частоты выходят за границы значимого диапазона частотных вибраций, либо деформации на собственных частотах внутри значимого диапазона не приводят к существенному снижению качества работы.
11. Формирование предложений по модернизации конструкции анализируемого устройства.
При этом на этапах 7-9 наибольшее внимание уделяется результатам моделирования на собственных частотах, попадающих в диапазон значимых частотных вибраций.
В статье предложенная методика успешно опробована на примере анализа различных конструкций лобового прожектора железнодорожного локомотива. Были выявлены собственные частоты конструкции светодиодного прожектора с перфорированной подложкой, усиленной ребрами жесткости. В соответствии с разработанной методикой впервые был проведён сравнительный анализ конструкций железнодорожного прожектора с различными источниками света. Важным этапом предложенной методики является визуализация результатов численного моделирования. Анализ визуализации деформаций прожекторов различных конструкций на резонансных частотах показал, что перфорация подложки для снижения веса осветительного устройства и усиление при этом подложки рёбрами жесткости не повышает её стойкость к вибрациям, характерным для Российских железных дорог.
Результаты численных исследований показали, что наиболее перспективным с точки зрения надёжности и энергоэффективности является конструкция со светодиодными источниками света, расположенными на цельной подложке. Предложенная методика обеспечивает формирование осознанного выбора наилучшей конструкции светотехнического устройства. На высокоскоростных железных дорогах частотный диапазон значимых железнодорожных вибраций расширится в сторону высоких частот. Это потребует дополнительных исследований и разработки конструкторских решений, повышающих стойкость к деформациям светодиодного прожектора.
Разработанная методика исследований позволяет перейти к анализу на вибростойкость не только разнообразных светотехнических [11-15], но и других оптических устройств, включая системы технического зрения [16-18], оптические датчики [19] и компоненты нанофотоники [20-21]. Особенно актуальны эти исследования для гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли [22-23], испытывающей значительные вибрационные нагрузки при выводе на орбиту и в ходе эксплуатации на малых беспилотных летательных аппаратах.
Таким образом, в статье решена задача совместного анализа результатов расчета вибрационных нагрузок прожектора и качества формирования диаграммы направленности излучения. Ключевым элементом анализа является использование динамической визуализации рассчитанных вибрационных колебаний прожектора и формируемого (при наибольших искажениях конструкции) светового пучка.
Благодарность
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, а также гранта РФФИ № 16-29-09528. Авторы выражают благодарность доценту Д.С. Горяйнову за помощь в работе с программной средой ANSYS Workbench.
Список литературы
1. Carroll A. A., Mulder J., Markos S. H. Locomotive Conspicuity. Final Report. July 1995. DOT/FRA/ORD-95/13; DOT-VNTSC-FRA-95-10, pp. 1-4, 2007, https://www.fra.dot.gov/Elib/Document/2098
2. Moiseev M.A., Doskolovich L.L., Kazanskiy N.L. Design of high-efficient freeform LED lens for illumination of elongated rectangular regions. Optics Express. 2011. Vol. 19, no S3. P. A225-A233. DOI: 10.1364/OE.19.00A225.
3. Бызов Е.В., Моисеев М.А., Досколович Л.Л. Метод расчёта вторичной оптики светодиодов для автомобильных фар дальнего света. Компьютерная оптика. 2014. Т. 38, № 4. С. 743-748.
4. Харитонов И.В., Сергеев Б.С. Светодиодные головные прожекторы локомотивов. Железнодорожный транспорт. 2015. № 12. С. 59-60.
5. Abulkhanov S.R. Vibration resistance of headlight design for electric locomotive. CEUR Workshop Proceedings. 2015. Vol. 1490. P. 112-121.
6. Abulkhanov S.R., Skuratov D.L. Vibration resistance of headlamp design with light emitting diodes for electric locomotive. CEUR Workshop Proceedings. 2015. Vol. 1490. P. 122-132.
7. Абульханов С.Р. Особенности конструирования железнодорожного прожектора в программной среде ANSYS. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2014. Т. 47, № 5-4. С. 14-20.
8. Abulkhanov S.R., Goryainov D.S. Upgraded rail way front searchlight design plastic deformations by its vibrations with resonance frequencies. Key Engineering Materials. 2016. Vol. 684. P. 111-119.
9. Сисакян И.Н., Сойфер В.А. Компьютерная оптика. Достижения и проблемы. Компьютерная оптика. 1987. № 1. С. 5-18.
10. Евтихиев Н.Н., Евтихиева О.А., Компанец И.Н., Краснов А.Е., Кульчин Ю.Н., Одиноков С.Б., Ринкевичюс Б.С. Информационная оптика. М.: НИУ МЭИ. 2000. 615 с. ISBN: 5-7046-0584-2.
11. Kravchenko, S.V., Moiseev, M.A., Doskolovich, L.L. Design of refractive optical elements with two free-form surfaces for generation of prescribed illuminance distribution. Computer Optics. 2014. Vol. 38, no 3. P. 435-442.
12. Popov S.B. The intellectual lighting for optical information-measuring systems. Proceedings of SPIE. 2015. Vol. 9533. Article number 95330P. DOI: 10.1117/12.2181168.
13. Bosel C., Worku N.G., Gross H. Ray-mapping approach in double freeform surface design for collimated beam shaping beyond the paraxial approximation. Applied Optics. 2017. Vol. 56, no 13. P. 3679-3688. DOI: 10.1364/AO.56.003679.
14. Андреева К.В., Моисеев М.А., Кравченко С.В., Досколович Л.Л. Метод расчёта оптических элементов с поверхностью свободной формы, работающей по принципу полного внутреннего отражения. Компьютерная оптика. 2016. Т. 40, № 4. С. 467-474.
15. Sun C.-C., Lee X.-H., Moreno I., Lee C.-H., Yu Y.-W., Yang T.-H., Chung T.-Y. Design of LED Street Lighting Adapted for Free-Form Roads. IEEE Photonics Journal. 2017. Vol. 9, no. 1. Article number 7849196. DOI: 10.1109/JPHOT.2017.2657742.
16. Kotov A.P., Fursov V.A., Goshin Y.V. Technology for fast 3D-scene reconstruction from stereo images. Computer Optics. 2015. Vol. 39, no 4. P. 600-605.
17. Копенков В.Н., Мясников В.В. Оценка параметров транспортного потока на основе анализа данных видеорегистрации. Компьютерная оптика. 2014. Т. 38, № 1. С. 81-86.
18. Васин Н.Н., Диязитдинов Р.Р. Система технического зрения для контроля состояния железнодорожного пути. Компьютерная оптика. 2016. Т. 40, № 3. С. 410-415.
19. Kadomina, E.A., Bezus, E.A., Doskolovich, L.L. Resonant photonic-crystal structures with a diffraction grating for refractive index sensing. Computer Optics. 2016. Vol. 40, no 2. P. 164-172.
20. Emelyanov S.V., Bykov D.A., Golovastikov N.V., Doskolovich L.L., Soifer V.A. Differentiating space-time optical signals using resonant nanophotonics structures. Doklady Physics. 2016. Vol. 61, no 3. P. 108-111. DOI: 10.1134/S1028335816030022.
21. Сойфер В.А. Дифракционная нанофотоника и перспективные информационные технологии. Вестник Российской академии наук. 2014. Т. 84, № 1. С. 11-24.
22. Головин А.Д., Демин А.В. Имитационная модель многоканального гиперспектрометра Оффнера. Компьютерная оптика. 2015. Т. 39, № 4. C. 521-528. DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-4-521-528.
23. Skidanov R. V., Blank V. A. A dual-range spectrometer based on the Offner scheme. Computer Optics. 2016. Vol. 40, no. 6, pp. 968-971.
NUMERICAL SIMULATION OF VIBRATION-RELATED DEFORMATION OF A RAILWAY LOCOMOTIVE HEADLIGHT: VISUALIZATION OF THE RESULTS
S.R. Abulkhanov1,2, N.L. Kazanskiy1,2, Yu.S. Strelkov1,2
1Samara National Research University, Samara, Russian Federation
2Image Processing Systems Institute of the RAS – a branch of the Federal Research Center of 'Crystallography and Photonics' of the Russian Academy of Sciences, Samara, Russian Federation
abulhanov58@mail.ru. kazansky@smr.ru. ghost_strelkov@mail.ru.
Abstract
We propose a technique for conducting a comparative analysis of locomotive headlight designs with different light sources. The technique involves a number of stages of numerical analysis for modeling the impact of vibration-related deformations characteristic of the locomotive in motion on the reliability and photometric characteristics of the headlight. The main stages of this analysis are: creating a 3D model of the analyzed lighting device; determining the natural frequencies of the device based on the use of ANSYS Workbench program; modeling deformations of the device at its natural frequencies; analysis of the contribution of deformations of components in the largest deformation of the entire device; based on the calculation of the ray tracing the analysis of functioning the lighting device in conditions of the greatest strain. Based on the technique proposed, we investigated the different designs of the locomotive headlight: 1) with bulb as light source; 2) with LEDs as light source; 3) with LEDs mounted on a perforated substrate; 4) with LEDs on the perforated substrate reinforced with ribs. Thus, we offer a solution to the problem of joint analysis of searchlight vibration loads and quality of directivity diagram formed by the headlight. A key element of the analysis is the use of dynamic visualization of the vibration oscillations for the headlight and of formed (under a maximum distortion of the searchlight structure) light beam.
Keywords: locomotive headlight, light emitting diodes (LEDs), numerical simulation, visualization of the vibration oscillations, ray tracing, shape of the light beam, light intensity distribution.
References
1. Carroll A.A., Mulder J., Markos S.H. Locomotive Conspicuity. Final Report. July 1995. DOT/FRA/ORD-95/13; DOT-VNTSC-FRA-95-10, pp. 1-4, 2007, https://www.fra.dot.gov/Elib/Document/2098
2. Moiseev M.A., Doskolovich L.L., Kazanskiy N.L. Design of high-efficient freeform LED lens for illumination of elongated rectangular regions, Optics Express, vol. 19, no. S3, pp. A225-A233, 2011.
3. Byzov E.V., Moiseev M.A., Doskolovich L.L. Method for computation of LED secondary optics for automotive headlight, Computer Optics, vol. 38, no. 4, pp. 743-748, 2014.
4. Kharitonov I.V., Sergeev B.S. Led head spotlights locomotives, Rail Transport, no. 12, pp. 59-60, 2015 (in Russian).
5. Abulkhanov S.R. Vibration resistance of headlight design for electric locomotive, CEUR Workshop Proceedings, vol. 1490, pp. 112-121, 2015.
6. Abulkhanov S.R., Skuratov D.L. Vibration resistance of headlamp design with light emitting diodes for electric locomotive, CEUR Workshop Proceedings, vol. 1490, pp. 122-132, 2015.
7. Abulhanov S.R. Optimization of the design of a railway searchlight in the ANSYS software environment. Herald of the Samara State Aerospace University, vol. 47, no. 5, pp. 14-20, 2014 (in Russian).
8. Abulkhanov S.R., Goryainov D.S. Upgraded railway front searchlight design plastic deformations by its vibrations with resonance frequencies, Key Engineering Materials, vol. 684, pp. 111-119, 2016.
9. Sisakyan I.N., Soifer V.A. Computer optics: achievements and problems, Computer Optics, vol. 1, no. 1, pp. 5-18, 1989.
10. Evtikhiev N.N., Evtikhieva O.A., Kompanets I.N., Krasnov A.E., Kulchin Yu.N., Odinokov S.B., Rinkevichius B.S. Information Optics, Moscow. NRU МEI Publ., 615 p., 2000 (in Russian).
11. Kravchenko S.V., Moiseev M.A., Doskolovich L.L. Design of refractive optical elements with two free-form surfaces for generation of prescribed illuminance distribution, Computer Optics, vol. 38, no 3, pp. 435-442, 2014.
12. Popov S.B. The intellectual lighting for optical information-measuring systems, Proceedings of SPIE, vol. 9533. p. 95330P, 2015.
13. Bosel C., Worku N.G., Gross H. Ray-mapping approach in double freeform surface design for collimated beam shaping beyond the paraxial approximation, Applied Optics, vol. 56, no. 13. pp. 3679-3688, 2017. DOI: 10.1364/AO.56.003679.
14. Andreeva K.V., Moiseev M.A., Kravchenko S.V., Doskolovich L.L. Design of optical elements with TIR freeform surface, Computer Optics, Vol. 40, no. 4, pp. 467-474, 2016.
15. Sun C.-C., Lee X.-H., Moreno I., Lee C.-H., Yu Y.-W., Yang T.-H., Chung T.-Y. Design of LED Street Lighting Adapted for Free-Form Roads, IEEE Photonics Journal, vol. 9, no. 1. Article number 7849196, 2017. DOI: 10.1109/JPHOT.2017.2657742.
16. Kotov A.P., Fursov V.A., Goshin Y.V. Technology for fast 3D-scene reconstruction from stereo images, Computer Optics, vol. 39, no. 4, pp. 600-605, 2015.
17. Kopenkov V.N., Myasnikov V.V. The estimation of the traffic flow parameters based on the videoregistration data analysis, Computer Optics, vol. 38, no. 1, pp. 81-86, .2014.
18. Vasin N.N., Diyazitdinov R.R. A machine vision system for inspection of railway track, Computer Optics, vol. 40, no. 3, pp. 410-415, 2016.
19. Kadomina E.A., Bezus E.A., Doskolovich L.L. Resonant photonic-crystal structures with a diffraction grating for refractive index sensing, Computer Optics, vol. 40, no 2, pp. 164-172, 2016.
20. Emelyanov S.V., Bykov D.A., Golovastikov N.V., Doskolovich L.L., Soifer V.A. Differentiating space-time optical signals using resonant nanophotonics structures, Doklady Physics, vol. 61, no. 3, pp. 108-111, 2016.
21. Soifer V.A. Diffractive Nanophotonics and Advanced Information Technologies, Herald of the Russian Academy of Sciences, vol. 84, no. 1, pp. 9-19, 2014.
22. Golovin A.D., Demin A.V. Simulation model of a multichannel Offner hyperspectrometer, Computer Optics, vol. 39, no. 4, pp. 521-528, 2015.
23. Skidanov R.V., Blank V.A. A dual-range spectrometer based on the Offner scheme, Computer Optics, vol. 40, no. 6, pp. 968-971, 2016.