girniy.ru   1 ... 2 3 4 5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Харламов Ю.А., Будагьянц Н.А. Основы технологии восстановления и упрочнения деталей машин. Том 1. Луганск: Изд-во Восточно-Украинский национальный университет им. В.Даля, 2003. 496 с.

2. Азаренков Н.А., Береснев В.М., Погребняк А.Д., Маликов Л.В., Турбин П.В., Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии. Xарьков: Изд-во ХНУ имени В.Н. Каразина. 2009. 209 с.

3. Теория и практика нанесения защитных покрытий / П.А. Витязь, В.С. Ивашко, А.Ф. Ильющенко и др. Минск: Беларуская навука, 1998. 583 с.

УДК 004.942:001.57


Интегрированная технология проектирования машиностроительных конструкций


А.М. ТЕРЛЕЦКАЯ, ст. преподаватель,
Н.Р. РАЙЦ, ст. преподаватель,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра САПР



Ключевые слова: анализ, моделирование, система, контакт, напряжение, манипулятор, динамика, кинематика, САЕ-система, сварная, конструкция.


Предлагается новый системный подход на основе поэтапного использования CAD/CAE/CAM – систем, в рамках которого предложены процедуры: проектирования с использованием геометрического моделирования; прочностного анализа на основе концепции «соответствие назначению»; эскизного проектирования и выработки рекомендаций для построения технологических процессов.

Развитие средств вычислительной техники стимулировало распространение инженерного анализа практически на все этапы проектирования машиностроительных технологий и изделий. Многообразие физических процессов в наукоемких изделиях, субъективность в постановке задач анализа, выбор методов решения и многие другие причины привели к огромному числу методик, алгоритмов и программ, предназначенных для решения задач анализа машиностроительных изделий.


Новый системный подход можно определить как интегрированную технологию проектирования, так как процесс совершенствования проектного решения связан с анализом и оптимизацией модели изделия.

В рамках данного подхода была рассмотрена возможность применения системы ADAMS для проведения кинематического и динамического анализов и прочностного анализа с использованием системы ANSYS. В программном комплексе ADAMS динамический анализ моделей механизмов представлен большим набором средств и способов. ADAMS предоставляет быструю и удобную расстановку различных сил, крутящих моментов, моментов инерции тел и их масс. ANSYS представляет собой программу, основанную на методе конечных элементов, с помощью которой создается компьютерная модель или обрабатывается CAD-модель конструкции, изделия или его составной части; прикладываются действующие усилия или другие проектные воздействия; исследуются отклики системы различной физической природы в виде распределений напряжений и температур, электромагнитных полей.

При проведении динамического анализа в системе ADAMS узловые соединения (шарниры) устанавливаются лишь схематично, не имеют массы и, вследствие этого, не экспортируются в конечно-элементные системы для проведения дальнейшего анализа. Шарнирные соединения следует проектировать самостоятельно уже непосредственно в конечно-элементной системе.

Для изучения взаимодействия систем макроанализа ADAMS и микроанализа ANSYS рассматривались отдельные элементы конструкции.

Разработанная методика позволяет провести комплексный анализ сложных механизмов с большей точностью и в более короткие сроки по сравнению с аналитическим решением.

Ниже приведены этапы комплексной методики решения кинематических, динамических и прочностных задач пространственных механизмов с использованием САЕ-систем.

1. Формируется расчетная схема. Необходимые данные: кинематическая схема объекта, геометрия (межосевые расстояния или расстояния между центрами шарниров), предварительные весовые характеристики элементов, краевые (начальные и граничные) условия, силовые условия (нагрузки).


2. Кинематический и динамический анализ объекта в системе ADAMS. Определение наиболее опасного расчетного случая, т.е. положения объекта с максимальными динамическими и статическими усилиями.

3. Трансляция модели в систему ANSYS. Минимальный набор информации, передаваемый в ANSYS, включает межосевые расстояния для элементов и нагрузки для расчетного случая.

4. Прорисовка геометрии на основе конструирования формы элементов объекта, выбор материалов для элементов, геометрии шарниров. Создание конечно-элементной модели для отдельных элементов.

5. Решение прочностной задачи для каждого элемента объекта с оптимизацией его геометрии в ANSYS. Уточнение геометрии и веса каждого элемента объекта.

6. Трансляция моделей в систему ADAMS. Минимальный набор информации включает межосевые расстояния, положение центров тяжести и весовые данные элементов объекта.

7. Повторный кинематический и динамический анализ объекта. Уточнение расчетного случая и усилий.

На основе предлагаемого подхода были проведены следующие исследования и получены следующие результаты:

1) Рассмотрено состояние проблемы, тенденции развития и применения манипуляционных систем.

Разработка методов структурно-кинематического анализа и синтеза, кинетостатического и прочностного расчета параллельных манипуляторов с замкнутыми цепями (ПМ с ЗЦ) повлечет за собой создание качественно новых технологических машин. Проектирование машин подобного класса, ввиду их высокой сложности, требует применения совершенных и точных методов анализа и расчета [1]. Однако, вследствие того, что разработка машин на основе применения ПМ с ЗЦ ведется сравнительно непродолжительное время, для них не существует систем автоматизированного анализа, ориентированных на их проектирование. Как правило, автоматизация проектирования технологических машин, мобильных роботов и манипуляторов обычно ограничивается только подготовкой чертежей с использованием CAD (computer aided design) – систем обычного назначения (например, AutoCAD), а все работы по предварительному проектированию ведутся практически вручную. Эффективность такого подхода является очень низкой. В связи с этим, проблема разработки алгоритмов и методов автоматизированного анализа параметров прочности несущих конструкций машин и манипуляторов, в том числе ПМ с ЗЦ, для проектирования технологических машин является чрезвычайно актуальной [2].


2) Выполнен обзор систем автоматизированного анализа и рассмотрена возможность применения САЕ-систем для моделирования и анализа механизмов.

Для оценки прочности и долговечности элементов параллельного манипулятора необходимо рассмотреть следующие задачи моделирования:

1. Расчет динамических и силовых характеристик ПМ с ЗЦ. Эта задача относится к задачам макроуровня.

2. Расчет на прочность элементов шарнирных соединений, сварных соединений ПМ с ЗЦ. Решение данной задачи относится к микроуровню.

Комплексный метод расчета и проектирования элементов манипуляторов должен базироваться на решении вышеуказанных взаимосвязанных задач и реализуется на базе пакетов MSC.ADAMS и ANSYS.

3) Приведены методы динамического анализа механических систем, лежащие в основе системы ADAMS, теория метода конечных элементов, лежащего в основе системы ANSYS.

Основой ADAMS являются системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику исследуемого объекта. Применение устойчивых методов «жестких» систем дифференциальных уравнений обеспечивает получение необходимых результатов с минимальными затратами времени, компьютерных ресурсов и с большой надежностью.

4) Разработана приближенная расчетная схема манипулятора в системе ADAMS.

Произведен кинематический и динамический анализ манипулятора при произвольных краевых и силовых условиях.

Полученные значения сил в шарнире соответствуют предполагаемым, исходя из значения масс элементов и прикладываемых внешних усилий.

Несмотря на множество достоинств ADAMS имеет недостаток: все элементы анализируемых моделей являются жесткими. Однако для решения этой проблемы система предоставляет возможность обмениваться данными с конечно-элементными системами. В частности, система ANSYS позволяет создавать *.mnf файл (modal neutral file), который в дальнейшем импортируется в ADAMS.

5) Изучен и использован интерфейс взаимодействия систем макро- и микромоделирования ADAMS – ANSYS. Предложены некоторые рекомендации по применению.


Был произведен экспорт элементов модели манипулятора в формат Parasolid для передачи в систему ANSYS [3]. После импорта твердотельного элемента в конечно-элементную систему была создана деформируемая модель элемента конструкции (элемент разбит на конечные элементы Solid45, Beam4).

Используя средства передачи данных обратно в систему ADAMS, была подготовлена модель и создан соответствующий mnf файл (рисунок 1). С помощью также встроенных средств деформируемые элементы были вновь импортированы в ADAMS для повторного проведения динамического, кинематического анализов и уточнения расчетного случая и усилий.




Рисунок 1 – Модель, подготовленная для экспорта


6) Рассмотрена задача возникновения контактных напряжений в элементах пространственных шарнирных узлов ПМ с ЗЦ.

Шарнирные узлы, как правило, являются наиболее ответственными и наименее долговечными элементами конструкции. Основным критическим элементом шарнирного узла является проушина, имеющая очень низкий предел выносливости по сравнению с пределом выносливости самого материала. Природа этого явления заключается в высоком уровне концентрации напряжений около нагруженного отверстия, где в зоне максимальных окружных напряжений имеет место коррозия трения (фреттинг-коррозия), связанная с механическим истиранием поверхностей [2,4].

Решение задачи проводилось в уточненной нелинейной постановке с учетом упругопластического деформирования материала и контактного взаимодействия поверхностей деталей. Решение нелинейных задач осуществляется шагово-итерационным методом последовательных нагружений. Для описания пластического поведения использовалась билинейная модель с кинематическим упрочнением, которая справедлива для большинства металлов в случае небольших пластических деформаций.

Результаты проведенных исследований показали, что даже при приложении небольшой нагрузки в зоне отверстий проушин возникают значительные напряжения, превышающие предел допустимых (рисунок 2). Также были рассмотрены способы уменьшения величины контактных напряжений с использованием технологических факторов (посадка оси с натягом, установка вильчатой проушины под углом к центральной проушине).


7) Исследованы проблемы механики разрушения сварных конструкций.

Были рассмотрены образцы, моделирующие поведение основных типов сварных соединений. Используя программу ANSYS, получены значения коэффициента интенсивности напряжений. С помощью программного пакета нетрадиционного математического моделирования многомерных зависимостей ANETR определены регрессионные зависимости и статистические характеристики.




Рисунок 2 – Напряженно-деформированное
состояние модели


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Норенков И.П., Нургужин М.Р. Информационная поддержка машиностроительных изделий // Сборник трудов Международного симпозиума «Информационные и системные технологии в индустрии, образовании и науке», посвященной 50-летию КарГТУ. (Караганда, 24-25 сентября 2003 г.). Караганда: КарГТУ, 2003. С.16-18.

2. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1979.

3. Степанов П.Б., Нургужин М.Р., Альтер И.М. Основы автоматизированного расчета деталей методом конечных элементов. Караганда, 1988.

4. Сухарев И.П. Прочность шарнирных узлов машин. М.: Машиностроение, 1977.



1  2012






<< предыдущая страница