Нечутливий до асиметрії метод проектування рівнонапружених деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

05.02.02 - Машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Нечутливий до асиметрії метод проектування рівнонапружених деталей машин

Гончарова Ольга Євгенівна

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Балан Сергій Олександрович,

доцент кафедри “Автомобільний транспорт”, Заслужений працівник народної освіти України, Одеський державний політехнічний університет.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гащук Петро Миколайович,

завідувач кафедри “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки”, Державний університет “Львівська політехніка” (м. Львів);

кандидат технічних наук, доцент

Стрілець Володимир Миколайович,

доцент кафедри теплоенергетики, теплопостачання та машинознавства, Рівненський державний технічний університет (м. Рівне).

Провідна установа: Харківський державний політехнічний університет, кафедра деталей машин та прикладної механіки (м. Харків).

Захист відбудеться 19 квітня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 в Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79602, м. Львів, вул. С. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “17” березня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент Є. Ю. Форнальчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поле миттєвих напружень в деталях машин, як правило, вельми неоднорідне і визначається їх конструкцією і динамікою зовнішнього навантаження. Метою конструктора є створення такого співвідношення останніх двох чинників, яке забезпечувало б максимальне вирівнювання поля напружень, що дає можливість оптимізувати конструкцію: гарантувати її працездатність при мінімальній масі.

На цьому шляху проектувальника чекає основна суперечність: при несиметричному навантаженні (а саме таке навантаження найчастіше зустрічається в машинобудуванні) оптимальною є несиметрична конструкція деталі, проектування якої, як правило, надто трудомістке. Більш того, при стохастичному змінному навантаженні, характерному для значної кількості деталей мобільних машин, оптимальною була б деталь непередбачувано змінної конфігурації, що примушує конструктора відповідальних вузлів завищувати коефіцієнт запасу і, отже, металомісткість машини в цілому.

Останнім часом у зв'язку з впровадженням систем автоматизованого проектування розв'язання цієї задачі зустрічається з новою проблемою. Сучасні комп'ютерні засоби розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) деталей і вузлів різко підвищують свою ефективність при урахуванні симетрії конструкції, що вступає в суперечність з вимогою оптимальності останньої. Виникає замкнене коло: чим далі від симетрії деталь, тим вона “краща”, але тим важче її моделювати і проектувати. Тому дослідження, направлені на створення і впровадження сучасних методів проектування оптимальних за конструкцією та експлуатаційними характеристиками деталей і вузлів машин, є вельми актуальними.

Дисертація виконувалася відповідно до завдань науково-дослідних робіт Одеського державного політехнічного університету № 353-19 “Проектування автомобільних причіпів і напівпричіпів” (№ держреєстрації 0198U001805), № 362-24 “Розробка теорії і методів схемотехнічного моделювання для систем проектування і управління”, а також № 917-19 “Розробка методики розрахунку і оцінка напружено-деформованого стану балки осі напівпричіпа ОдАЗ-93571”.

Метою роботи є зниження металомісткості машин при одночасному поліпшенні експлуатаційних характеристик та умов їх проектування шляхом оптимізації конструкцій деталей і вузлів за рахунок адаптування “симетричних” систем автоматизованого проектування до розрахунку несиметричних конструкцій.

Для досягнення цієї мети в роботі були розв`язані наступні задачі:

розроблено методичне, математичне і програмне забезпечення системи автоматизованого проектування деталей машин, яке включає проміжне віртуальне представлення об'єкта проектування;

виконано аналіз співвідношень “навантаження-розмір-властивість-напруження” для товстостінних труб і отримано аналітичні та емпіричні залежності для практичної реалізації запропонованої системи проектування;

на базі стандартного пакету прикладних програм ПАРСЕК, що використовує метод скінченних елементів, створена і реалізована на ЕОМ числова модель НДС порожнистих товстостінних балок мостів автомобільного напівпричіпа;

розроблено оптимальну у поздовжньому напрямі і в поперечних перетинах конструкцію моста автомобільного напівпричіпа;

створено конструкцію підвіски автомобільного напівпричіпа, яка уможливлює оптимальне навантаження його моста залежно від умов руху.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в розвитку та поглибленні теоретичних і методологічних основ проектування деталей машин. Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є:

запропонована віртуальна модель об'єкта, що проектується, яка зберігає симетрію на всіх етапах проектування, крім останнього, що дало змогу застосувати для конструювання несиметричних деталей машин діючі САПР, розроблені для симетричних об'єктів;

запропоновано механізм збереження симетрії моделі об'єкта за рахунок адекватної і оборотної заміни асиметрії конфігурації на асиметрію зовнішнього навантаження або асиметрію механічних властивостей матеріалу, з якого передбачається виготовлення об'єкта;

розроблена числова нелінійна модель для дослідження експлуатації мостів автомобільних напівпричіпів на основі стандартного пакету, що використовує метод скінченних елементів, адаптованого до моделювання об'єктів з віртуальною симетрією;

запропоновано механізм автоматичної компенсації невідповідності між складним зовнішнім навантаженням моста, яке безперервно змінюється, і оптимальною конструкцією останнього, орієнтованою на постійне навантаження. рівнонапружений деталь підвіска напівпричіп

Практичне значення отриманих результатів. Застосування створеної в роботі системи проектування дало змогу скоротити час на підготовку початкових даних до розрахунку несиметричних конструкцій деталей машин відповідального призначення, а також розрахувати оптимальні розміри профілю моста автомобіля. Висновки, отримані в роботі, підтверджені при випробуваннях у виробничій фірмі “РКР-АВТО” (НДІТАвтопром, м. Москва), а також у ВАМТ “Завод им. И.А. Лихачёва” і рекомендовані до впровадження в організаціях і на підприємствах, що проектують транспортні засоби.

Запропоновані методи, а також алгоритми і програми, розроблені для їх реалізації, впроваджені в навчальний процес на кафедрі “Автомобільний транспорт” Одеського державного політехнічного університету і використовуються в дисциплінах, які вивчають методи проектування опорних систем транспортних засобів, а також в курсовому та дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі існуючих і розробленні нових конструкцій ходових частин транспортних засобів та методів їх проектування, виборі і вдосконаленні математичних та експериментальних методів дослідження.

Дисертантом запропонована універсальна система автоматизованого проектування деталей та вузлів мобільних машин, розроблені і доведені до практичного використання всі її підсистеми.

Автор виконала розрахунки напружень в деталях машин, запропонувала удосконалення їх конструкцій, яке базується на результатах досліджень, брала участь у виробничих випробуваннях та їх оцінці.

Апробація результатів роботи. Матеріали роботи доповідалися і обговорювалися на Міжнародних конференціях “Наука і мобільні машини” (Югославія, Бєлград, 1995, 1997), 3-ому Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 1997), науково-практичній конференції “Системотехніка на автомобільному транспорті” (Харків, 1998), 38-ому Міжнародному семінарі МОК'38 “Оптимізація в матеріалознавстві” (Одеса, 1999), Міжнародному симпозіумі “Методи дискретних особливостей в задачах математичної фізики” (Коктебель, 1999), V і VI семінарах “Моделювання в прикладних наукових дослідженнях” (Одеса, 1998, 1999), а також на розширеному засіданні наукового семінару кафедри “Автомобільний транспорт” Одеського державного політехнічного університету (Одеса, 1999) та на розширеному засіданні кафедри “Деталі машин” Державного університету “Львівська політехніка” (Львів, 1999).

Публікації. Результати дисертації викладені в 21 публікації, в тому числі 9 статтях в журналах (з них 5 - в спеціальних фахових виданнях переліку ВАК України), 1 депонованій статті та в 10 матеріалах конференцій. По матеріалах дисертаційних досліджень отримано Авторське свідоцтво на винахід та подана заявка на Патент України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, восьми додатків. Повний обсяг дисертації - 181 стор., з них додатків - 31 стор. Дисертація містить 77 рисунків, 7 таблиць і посилання до 165 літературних джерел.

ЗМIСТ РОБОТИ

У вступ наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну та практичне значення.

У першому роздл розглядається стан питання з проблеми вдосконалення методв проектування несиметрично навантажених деталей машин. Проаналзован умови роботи та експлуатацйні пошкодження моств транспортних засобв. Розглянуто шляхи полпшення експлуатацйних характеритик деталей машин пд час проектування. Критично оглянут методи мцнісного розрахунку рвнонапруженних деталей транспортних засобів. Сформульовані мета та задач дослдження.

У другому роздл обгрунтовано вибр об'їкта дослдження - моста автомобльного напвпричіпа ОдАЗ-93571, який вдрзняїться симетричною вдносно своїї ос конструкцїю при рзко несиметричному навантаженн, що визначаїться випадковими умовами експлуатацї.

Дослдження НДС деталей моста проводили за допомогою пакета прикладних програм (ППП) ПАРСЕК, який працюї на основ методу скнченних елементв. Для моделювання моста були використан два типи таких елементв: криволнйний гексаедр-двадцятивузловик та елемент типу “пружний зв'язок”. Результати розрахункв одержані у вигляд еквівалентних напружень у центр та вузлах кожного елемента, які обчислені за четвертою теорїю мцност.

При розробленні скнченноелементної модел моста враховували його симетричн властивост вдносно поздовжньої ос та середнього перетину. Використання симетрї у таких ППП ї невд'їмною умовою їх ефективного застосування завдяки тому, що воно даї можливість у значній мр скоротити ручну працю при розробленні модел та зменшити витрати на розв'язання задач. Врахування симетрї конструкцї дає змогу при пдготовц початкової нформацї до мцнісного розрахунку описувати тльки “нульову” елементарну чарунку, яка у нашому випадку становить 1/40 частину всього моста.

Видлена група головних сил та моментв, як здйснюють помтний вплив на НДС, а, отже, і на надйнсть конструкцї в експлуатацї. З урахуванням зовншних навантажень, як дють на мст, розроблена розрахункова схема зовншнього навантаження моста.

Наведен методики експериментальних дослджень, як направлен на пдтвердження адекватност скнченноелементної модел.

У третьому роздл встановлено, що врахування симетричних властивостей конструцї створюї нов можливост для спрощення роботи з стандартними програмами, як використовують метод скнченних елементв. Єдиним обмеженням для таких можливостей ї необхднсть збереження симетрї при перетвореннях конструкції на шляху її оптимзації. Якщо така оптимзаця пов'язана з геометричними характеристиками, то цю умову виконати вельми важко через те, що оптимальн конструкцї при несиметричному навантаженн, як правило, несиметричн.

Задача оптимального проектування зводиться до розрахунку такої конструцї детал, яка псля навантаження наперед заданими силами забезпечувала би рвномрний розподл напружень по всьому її об'їму. Такий розрахунок як аналтичними, так і числовими методами пов'язаний з великими труднощами, навть при використанн сучасних ЕОМ. Розв'язання задач методом скнченних елементв ускладнюїться ще й тим, що перетин рвного опору, як правило, не можна розбити на велику кльксть симетричних елементв.

Коли виконане розбивання деякої конструкцї на скнченн елементи і визначена схема та параметри зовншнього навантаження, то НДС кожного елемента визначаїться параметрами жорсткост матералу, з якого вн виготовлений, його формою та розмрами, а також зовншнм (зосередженим або розподленим) навантаженням. Якщо ц параметри однаков для будь-яких двох скнченних елементв, то їх НДС також однаковий. При нервност хоча б одного з перелчених чинникв природньо припустити неекввалентнсть НДС. Теоретично її можна лквдувати порушенням рвност параметрів ншого чинника, який дї на НДС у “протилежному” напрямку. У разі дії багатьох чинників, різниця у параметрах одного з них може бути компенсована нерівністю параметрів інших.

В результаті одержимо віртуальний стержень, який складається з ділянок різної жорсткості або в загальному випадку, віртуальний об'єкт з компенсуючою жорстстю. Далі перерахуємо модулі пружності у діаметри, відновлюючи початкові значення перших. Одержимо такий же кінцевий результат, але іншим методом. Різниця полягає у тому, що при застосуванні методу віртуальної жорсткості майже на всьому протязі процесу розрахунку початковий діаметр стержня не змінювався.

Це, як вже було сказано, надає можливості використання алгоритмів і програм, які не призначені для розрахунків ступінчастих систем, а відтак простіших та швидше діючих. Таким чином, в загальному випадку, задовльняючи вимоги введеного обмеження, тобто збергаючи даметр елементв стержня, можливо за допомогою пакету, чутливого до непостйност розмрв елементв, пдбрати такі значення , як забезпечують приблизно (з будь-якою наперед заданою точнстю) однаков напруження уздовж стержня. Зауважимо, що найтрудомсткіша частина розрахункв виконуїться за допомогою ЕОМ, що потрбно проектувальнику. Тепер залишилося за рамками пакету, користуючись спввдношенням Di = f(Ei) для = const, за вдомими значеннями Е визначити величини Di для кожного елемента стержня, вдновлюючи рвнсть жорсткост для усх його елементв.

Якщо моделювати деталь з різною жорсткістю елементів з будь-якої причини не вдається, можна використовувати вртуальний об'їкт з компенсуючим зовншнм навантаженням. Для цього виберемо бажане значення екввалентних напружень екв в кожному елемент при розрахунковій сил G. Будемо дал умовно змнювати навантаження G та пдбирати так його значення G1 та G2, як забезпечують близьке до екв значення напружень для усх елементв. Різні (віртуальні) навантаження по черзі прикладаються до всієї деталі одночасно, але при цьому кожне навантаження забезпечуї задане значення екв тльки для “свого” елемента; в нших елементах в момент прикладання “стороннього” навантаження напруження будуть вдрзняться вд екв, що в даному методі не враховується.

Розмри стержня і у цьому випадку залишаються незмнними, що даї можливсть використання для пдбору навантажень чутливий до розмру ППП. В результат одержимо, в загальному випадку, ряди вртуальних зовншнх навантажень G1, …, Gn, як вже за рамками роботи з пакетом можуть бути перерахован в ряд даметрв стержня рвної напруженост, вдновлюючи їдин початков значення зовншньої сили, тобто роблячи об'єкт реальним.

Тепер розглянемо приклад у трьохмірній постановці. Нехай треба спроектувати балку у вигляд товстостнної труби рвної напруженост, умови навантаження якої наведен на рис. 3, а. За допомогою ППП ПАРСЕК створимо скнченноелементну модель, в якій зовншня поверхня зопараметричних скнченних елементв, що розташовані перпендикулярно геометричнй ос балки, спвпадає з її перетином

Якщо провести горизонтальну лню, яка вдповдаї екв = []n, де []n - допустиме напруження з урахуванням запасу мцност, одержимо значення Р, при яких напруження у відповідних елементах сягають допустимих. Тобто, крива Р() згладжуї значення зовншнх сил, як забезпечують гранично допустиме напруження для кожного скнченного елемента у перетин. Якщо вдкласти ц значення в координатах (; Р), одержимо крив. Особливстю є те, що точки на кривих належать до рзних режимв навантаження однієї труби з зовншнм даметром Dпоч= 127 мм. Як бачимо, частина кривої навантаження Р() знаходиться нижче, нж значення Рном, що призводить до виходу напружень екв і за допустиму межу []n при зберганн значення Dпоч. Для запобігання цьому небажаному становищу змнимо значення Dпоч на Dх таким чином, щоб уся крива Р() повнстю опинилася з одного боку вд прямої Рном з деяким додатковим запасом Р = 5000 Н, який необхдний для компенсацї втрат опрност балки моста при стискуванн в поперечному перетин по ос Х2. Розрахунок значення Dx, який здйснюїться методом пдбору за допомогою ППП ПАРСЕК, уможливлюїться тим, що до цього етапу проектування збергаїться круглий перетин балки.

, (1)

визначимо для кожного і-го елемента значення зовншнього даметру Dі, яке забезпечуї екв і = []n. Особливостю рис. 4, д ї те, що точки на кривій D() належать до однакових режимв навантаження рзних за даметрами труб. За цими даними можна побудувати залежнсть напруження у довльно взятому -тому елемент екв вд зовншнього даметра труби D при Р = Рном. Такий хд кривої вдповдаї повнй змн розмрв в усх елементах труби.

У четвертому розділі за допомогою ППП, який має в своєму складі скінченні елементи типу криволінійного гексаедра-двадцятивузловика, здійснювали перехід до об`ємного проектування. Якщо зафіксувати вузли такого елемента, що лежать у площині ХОУ, та надати змогу одночасно переміщуватися вузлам протилежної грані, то перетворення елемента може бути зведене до зміни лише одного параметра. Аналіз математичної моделі елемента типу криволінійного гексаедра-двадцятивузловика підтверджує можливість застосування і в цьому випадку методу віртуального об`єкта тому, що наведені залежності мають структуру, аналогічну структурі рівнянь, які використовувалися при розрахунку плоских об`єктів.

В якості об`єкта оптимізації, на якому в роботі продемонстровані переваги запропонованого методу, вибрано міст важковантажного напівпричіпу ОдАЗ-93571. До деталей моста, що тримають головне навантаження, відносяться балка та цапфа, з`єднані способом зварювання. Нульова елементарна чарунка в даному випадку є однією сороковою частиною звареної одиниці “балка-цапфа” - по двадцять чарунок з кожної сторони від площини симетрії, яка перпендикулярна геометричній осі моста.

В роботі використовували ППП ПАРСЕК, який призначений для розрахунку об`ємних конструкцій великої складності. Загальна кількість скінченних елементів у моделі моста - 880, з них 720 гексаедрів та 160 елементів, які моделюють пружні зв`язки моста з оточуючими системами.

Схема зовнішнього навантаження, яка прийнята у роботі, відповідає руху одновісного напівпричіпу з подвійними колесами під дією сили ваги самого напівпричіпу та розташованого у ньому вантажу, а також дії сил інерції при гальмуванні. В останньому випадку до вертикальних сил, які прикладені до місць кріплення ресорних площадок, додаються моменти, що скручують ділянки моста між ресорними площадками та елементами гальмових пристроїв.

Таким чином, задано симетричну систему - балку та цапфу моста, які складаються з круглих у перетині труб, та розроблено їх модель із скінченних елементів, яка теж має високий ступінь симетрії. Тому для початкового розрахунку НДС цієї системи ефективно застосовували ППП ПАРСЕК. Для побудови кривих напруження уздовж геометричної осі моста виділяли вісім характерних місць перетинів.

Як виявилося, значення еквівалентних напружень, розрахованих згідно четвертої теорії міцності, суттєво відрізняються вздовж осі у різних чарунках. НДС деталей моста у поперечних перетинах виявився теж далеким від рівномірного. Це викликано не тільки асиметрією навантаження, але й складною конструкцією зовнішніх поверхонь балки та цапфи моста. Тому було прийняте рішення провести оптимізацію внутрішньої поверхні його балки. Враховуючи, що ППП, який використовувався в роботі, має дуже високу чутливість до асиметрії об`єкта моделювання, у роботі застосовано розроблений метод віртуального об`єкта.

Згідно з умовами цього методу треба було впродовж якнайбільшої частини процесу оптимізації зберігати симетрію форми моста. Тому в роботі цей процес складався з таких етапів.

На першому етапі здійснювали поздовжню оптимізацію, тобто, не змінюючи інших розмірів, з початкового загального циліндричного внутрішнього контуру балки методом віртуальної жорсткості одержували набір оптимальних, але поки що круглих внутрішніх контурів у характерних перетинах. На другому етапі оптимальні круглі контури в кожному з восьми згаданих вище перетинів методом віртуального навантаження перетворювали у оптимальні еліптичні. На третьому етапі ці контури згладжували поверхнею складної форми, яку визнавали кінцевим продуктом оптимізації. Деталі моста такої конструкції можуть виготовлятися, наприклад, методами лиття.

Для перевірки адекватності розрахункової скінченноелементної моделі дані, одержані за її допомогою, порівнювали з даними безпосередніх тензометричних стендових вимірювань. Різниця між значеннями цих даних не перевищувала 12 %, що припустимо для інженерних розрахунків такого класу. При експериментальних вимірюваннях схема статичного навантаження моста була наближена до реального стану, який має місце при повному паспортному навантаженні напівпричіпа. Схема наклеювання тензорезисторів теж відповідала прийнятій схемі розбивки моделі моста на скінченні елементи.

Застосування запропонованого методу оптимізації дозволило знизити масу моста напівпричіпу на першому етапі з 125,8 кг до 115 кг, а на другому -до 98 кг. При цьому загальний час оптимізації, до якого входять терміни “ручної” обробки інформації при її підготовці та машинний час, склав 28,2 години. Для порівняння аналогічне завдання вирішувалося при інших рівних умовах, але без використання симетричних властивостей об`єкта проектування. У цьому випадку загальний термін оптимізації конструкції моста напівпричіпу склав 449,2 години, тобто застосування методу віртуального об`єкта дозволило знизити час цього важливого етапу проектування майже у 16 разів.

До цього моменту зовнішнє навантаження напівпричіпу розглядалося у статичній постановці. Малося на увазі, що коливання величини навантаження під час руху не призводить до зміни конфігурації оптимальної конструкції, бо в межах пружного опору напруження пропорційне навантаженню. Але зовсім інша картина спостерігається при зміні виду або напрямку навантаження. Дійсно, при додаванні до вертикального навантаження у вигляді двох сил, які діють на ресорні площадки, ще й моментів кручення, які з`являються при гальмуванні, НДС моста напівпричіпа істотно змінюється. Різко зростають еквівалентні напруження між перетинами, в яких діють чинники кручення: ресорні площадки, які передають на міст інерційні сили та гальмові пристрої. Крім цього, на епюрах напружень видно, що між перетинами вони змінюються ще й якісно, а саме: вісь їх симетрії (або велика вісь еліпсу напружень) нахиляється у бік дії моменту кручення.

В цьому випадку оптимізований перетин балки або цапфи моста стає неоптимальним тому, що вісь еліпсу його перетину та вісь еліпсу епюр не співпадають. Для усунення цього недоліку треба повернути міст таким чином, щоб ці осі співпали. Але в умовах руху транспортного засобу значення сил та моментів навантаження постійно змінюються, разом з ними змінюється і залежний від них кут нахилу епюри, а міст (навіть статично оптимальної конструкції) закріплено жорстко, що ставить під сумнів саму ідею оптимізації деталей моста шляхом заміни круглого перетину на еліптичний.

Для розв`язання цього протиріччя в роботі запропоновано конструкцію балки моста, яка дозволяє компенсувати нахил епюри навантаження реальним нахилом моста. Причому конструкція компенсуючого пристрою робить це автоматично під час руху, та ще й таким чином, що кут нахилу моста завжди співпадає з кутом нахилу епюр напруження. Згаданий ефект досягнуто завдяки тому, що у підвіску транспортного засобу введений пружний елемент у вигляді концентричної пружини. При цьому, балка моста встановлена з можливістю повороту відносно поздовжньої геометричної осі в обидві сторони і для можливості повернення в початкове положення сполучена з пружним елементом. На конструкцію пристрою для компенсації дії гальмових моментів подана заявка на Патент України та отримане пріоритетне рішення.

Застосування створеного у роботі методу проектування за допомогою віртуального об`єкта дозволило використати ППП на основі МСЕ та апарату теорії зображень для розрахунку несиметричних деталей рівної напруженості. Висновки, отримані в роботі, підтверджені при випробуваннях у виробничій фірмі “РКР-АВТО” (НДІТАвтопром, м. Москва), а також у ВАМТ “Завод им. И.А. Лихачёва” і рекомендовані до впровадження в організаціях і на підприємствах, що проектують транспортні засоби. Нові наукові розробки впроваджені в навчальний процес в ОДПУ.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Як показує огляд низки джерел інформації, деталі мобільних машин, зокрема мости транспортних засобів, працюють в умовах складного і малопередбачуваного навантаження, що призводить до завищення запасу міцності і металомісткості цих відповідальних вузлів при проектуванні. Ситуацію погіршує також те, що застосування сучасних систем автоматизованого проектування утруднене через істотну асиметрію деталей мостів, яка виникає при спробі оптимізувати їх конструкцію з метою забезпечення однакового внутрішнього напруження по всьому об'єму.

За допомогою ППП ПАРСЕК створена скінченноелементна модель деталей моста автомобільного напівпричіпа ОдАЗ-93571, що складається із скінченних елементів типу криволінійних гексаедрів-двадцятивузловиків, а також елементів, що моделюють пружний зв'язок балки моста з податливими елементами підвіски. Основною перевагою моделі є необхідність ручного кодування вузлів скінченних елементів тільки у однієї сорокової частини її об'єму - нульової елементарної чарунки. Координати інших вузлів скінченних елементів розраховуються автоматично при роботі програми за рахунок симетричного відображення елементарної чарунки. Головним недоліком моделі є чутливість до асиметрії, тобто те, що з її допомогою ефективно можна дослідити тільки деталі з високим ступенем симетрії.

Запропонований нечутливий до асиметрії метод проектування рівнонапружених деталей машин, названий методом віртуального об'єкта, який полягає в тому, що реальний асиметричний об'єкт, що проектується, замінюється на віртуальний симетричний, в якому асиметрія форми моделюється асиметрією жорсткості або зовнішнього навантаження. Така заміна дає змогу використати “симетричну” скінченноелементну модель на всіх етапах проектування, крім останнього, на якому за розробленим алгоритмом здійснюється відтворення реального об'єкта перерахунком асиметрії жорсткості або зовнішнього навантаження в асиметрію конфігурації.

За допомогою розроблених алгоритмів і програм методом віртуальної жорсткості виконана оптимізація статично невизначеної системи у вигляді горизонтального стержня із защемленими кінцями (поздовжня оптимізація). У процесі оптимізації зберігалася початкова геометрична форма об'єкта. Підтверджена можливість застосування розробленого методу для проектування систем рівної напруженості.

Методом віртуального навантаження здійснена оптимізація перетину деталі-прототипу у вигляді товстостінної труби, яка лежить на опорах та знаходиться під дією вертикальних сил. Показано, що у разі кругового перетину труби епюра напружень в перетині має еліптичну форму з більшою віссю, яка співпадає з напрямом дії навантажуючої сили, а у разі еліптичного перетину з'являється можливість створення конструкції рівного напруження (поперечна оптимізація). Метод віртуального об'єкта дозволяє в останньому випадку ефективно використовувати “кругову” скінченноелементну модель для проектування деталей еліптичного перетину.

Обгрунтовано застосування методу віртуального об'єкта в рамках ППП ПАРСЕК, що використовує метод скінченних елементів. Дана геометрична інтерпретація і побудована аналітична модель структурних та параметричних перетворень в скінченних елементах, що дає змогу враховувати віртуальні жорсткість і зовнішнє навантаження. Виконана порівняльна оцінка термінів проектування балки моста різними методами. Показано, що застосування методу віртуального об'єкта знижує цей показник в 16 разів.

З урахуванням конструктивних та технологічних міркувань вибрані характерні перетини моста автомобільного напівпричіпа і здійснена двостадійна оптимізація його конструкції. На першій стадії методом віртуальної жорсткості виконана поздовжня оптимізація, внаслідок якої внутрішня конфігурація поздовжнього перетину моста набула форми, що забезпечує однакові напруження в елементах нульової елементарної чарунки при паспортному навантаженні.

Отримані на першій стадії початкові кругові перетини моста напівпричіпа на другій стадії оптимізації методом віртуального навантаження перетворювалися в еліптичні так, що остаточно внутрішня порожнина моста набула складної поздовжньої та поперечної конфігурації, яка забезпечує зниження металомісткості на 22%. Адекватність віртуальної моделі підтверджена, з одного боку, даними, отриманими при звичайному моделюванні з повним кодуванням усіх вузлів скінченних елементів, і з іншого - збігом результатів обчислень з даними тензометричних вимірювань, отриманими при стендових випробуваннях мостів під навантаженням.

Показано, що у разі складного навантаження моста, яке виникає при гальмуванні транспортного засобу, вісь еліпса перетину оптимальної конструкції не співпадає з віссю еліпса епюри еквівалентних напружень в перетині. Для компенсації цього явища запропоновано міст, який не кріпиться до ресор жорстко, а має можливість пружно повертатися під дією сил інерції, що призводить до автоматичного суміщення цих осей.

Застосування розробленого в роботі методу проектування за допомогою віртуального об'єкта дало змогу використати ППП на основі МСЕ і апарату теорії зображень з урахуванням симетрії конструкції для розрахунку несиметричних деталей рівної напруженості. Висновки, отримані в роботі, підтверджені у виробничій фірмі “РКР-АВТО” (НДІТАвтопром, м. Москва), а також у ВАМТ “Завод им. И.А. Лихачёва” і рекомендовані до впровадження в організаціях і на підприємствах, що проектують транспортні засоби.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Гончарова О.Е., Максимов В.Г. Оценка напряженно-деформированного состояния сварной балки мобильной машины // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса: ОГПУ. - 1998. - Вып. 1. - С. 164 - 165.

Гончарова О.Е. Методика прочностного расчета балок осей мобильных машин // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса: ОГПУ. - 1998. - Вып. 1. - С. 162 - 163.

Балан С.А., Гончарова О.Е., Максимов В.Г. Численное моделирование нелинейностей в механических системах // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса: ОГПУ. - 1999. - Вып. 1(7). - С. 18 - 21.

Гончарова О.Е., Максимов В.Г., Становский А.Л. Нечувствительный к асимметрии численный метод оптимизации конструкций // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса: ОГПУ. - 1999. - Вып. 2(8). - С. 41 - 44.

Оптимизация профиля балок осей мобильных машин при проектировании / С.А. Балан, О.Е. Гончарова, В.Г. Максимов, А.Л. Становский // Прикладные проблемы математического моделирования: Вестник Херсонского государственного технического университета. - Спец. вып. - Херсон: Вета-Полипринт. - 1999. - С. 32 - 33.

Становский А.Л., Максимов В.Г., Гончарова О.Е. Оптимизация профиля несущих элементов металлоконструкций // Науковий вiсник ОДПУ. - Одеса: ОДПУ. - 1998. - № 6. - С. 139 - 144.

Гончарова О.Е. Проектный расчёт на прочность балки оси мобильной машины // Труды учёных ОГПУ. - Одесса: ОГПУ. - 1997. - С. 139 - 142.

Гончарова О.Е., Дащенко А.Ф. Прочностной расчет балок осей мобильных машин на стадии проектирования // Научные труды молодых ученых. - Одесса: ОГПУ. - 1997. - С. 134 - 136.

Гончарова О.Е. К вопросу расчета ресурса металлоконструкций мобильных машин на стадии проектирования // Приднiпровський науковий вiсник. - Дніпропетровськ. - 1998. - № 72. - С. 69 - 74.

Оценка предельной нагрузочной способности балок осей автомобильных прицепов и полуприцепов / В.Г. Максимов, Э.А. Горин, С.С. Коган, О.Е. Гончарова. - Одесса: ОГПУ, 1993. - Рус.- 22с. - Деп. В ГНТБ Украины 8.12.93, № 1856 - Ук93.

Максимов В., Янкович Д., Гончарова О. К определению нагрузочной способности балки оси полуприцепа // Saopstenja, Transactions. - Belgrade: University of Belgrade. Faculty of Mechanical engineering. - 1993. - P. 4 - 6.

Гончарова О.Е. Методические особенности моделирования нагруженности при численных расчетах // Труды научно-практической конференции “Проблемы взаимодействия гуманитарного, естественнонаучного и технического знания на современном этапе развития науки”. - Одесса: ОГПУ. - 1994. - С. 59 - 60.

Artcibasheva N., Goncharova O., Nitcevich A. Some Particularities of Rise of Fatigue Craks in Axle Beam with Respect to Technological and Structural Factors // Works of XV Conference “Science and Motor Vehicles-95”. - Belgrade. - 1995. - P. 144 - 147.

Goncharova O., Maksimov V., Jankovich D. Method of Durability Life Approval of Motor Vehicle Axle Beam for Design Optimization // Works of XVI Conference “Science and Motor Vehicles-97”. - Belgrade. - 1997. - P. 175 - 178.

Гончарова О. Щодо питання визначення розрахункового навантаження балок осей мобiльних машин // Праці 3-ого Мiжнародного симпозiуму українських iнженерiв-механикiв у Львовi. - Львiв: ДУ “Львiвська полiтехнiка”. - 1997. - С. 197.

Максимов В.Г., Балан С.А., Гончарова О.Е. Оптимизация конструктивных параметров узлов полуприцепа на этапе проектирования // Труды V семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ. - 1998. - С. 42 - 43.

Гончарова О.Е., Максимов В.Г., Возненко О.П. Моделирование динамической нагруженности ходовой части мобильной машины при случайных воздействиях дороги // Труды V семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ. - 1998. - С. 43 - 44.

Математическое моделирование профиля равного сопротивления / В.В. Новиков, В.Г. Максимов, С.А. Балан, О.Е. Гончарова // Труды Междунар. семинара “Оптимизация в материаловедении”. - Одесса: АстроПринт. - 1999. - С. 151.

Максимов В.Г., Гончарова О.Е. Расчёт параметров НДС металлоконструкций методом виртуального объекта // Труды VI семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ. - 1999. - С. 16 - 17.

Компенсирующая подвеска транспортного средства / А.Л. Становский, В.Г. Максимов, С.А. Балан, О.Е. Гончарова // Труды VI семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ. - 1999. - С. 18 - 19.

А.с. 1596294 СССР, МКИ G 03 В 1/38. Мальтийский механизм / Е.К. Гончаров, О.Е. Гончарова (СССР). - № 4464191/24-10; Заявлено 21.07.88; Опубл. 30.09.90, Бюл. № 36. - 3 с.

АНОТАЦІЯ

Гончарова О.Є. Нечутливий до асиметрії метод проектування рівнонапружених деталей машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

Дисертація присвячена розробці принципів, алгоритмів та програм для ефективного застосування запропонованого методу віртуального об`єкта в проектуванні вузлів та деталей машин. В роботі вперше встановлене протиріччя між сучасними методами розрахунків напружено-деформованого стану деталей, які користуються властивостями симетрії для значного зменшення об`єму підготовчих робіт, та оптимальним проектуванням, результатом якого найчастіше є деталі складної, далекої від симетрії форми. Запропонована віртуальна модель об`єкта, яка зберігає симетрію на більшій частині терміну проектування за рахунок адекватної і оборотної заміни асиметрії конфігурації на асиметрію зовнішнього навантаження або асиметрію механічних властивостей. Розроблена оптимальна в поздовжньому напрямку і в поперечних перетинах конструкція моста автомобільного напівпричіпа; а також конструкція підвіски, яка дозволяє автоматично здійснювати оптимальне навантаження моста в залежності від умов руху.

Ключові слова: рівнонапружені деталі машин; скінченноелементна модель; симетрія; метод віртуального объекта; підвіска транспортного засобу.

Goncharova O.E. Asymmetry-insensitive method of equal stressed machine details designing. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science by speciality 05.02.02 - Mechanical engineering. - State university "Львівська політехніка", Lvov, 2000.

The dissertation is devoted to development of principles, algorithms and programs for effective application of the offered method of virtual object in designing units and machine details. It is pointed out for the first in the present work the contradiction between modern computer means of the stress-strained state account of details, using the object symmetry for consequential reduction of preliminary works volume, and optimal designing, the aim of which would be the detals with a involved asymmetrical configuration more often. The virtual model of object keeping symmetry on greater part of designing total time is offered at the expense of adequate and convertible replacement of a configuration asymmetry by asymmetry of external loading or asymmetry of mechanical properties. Optimal construction of semitrailer beam and semitrailer suspension construction allowing to realize an optimum loading of its beam depending on service conditions have been created.

Key words: equal stressed machine details; finite-element model; symmetry; a method of virtual object; a suspension bracket of a vehicle.

Гончарова О.Е. Нечувствительный к асимметрии метод проектирования равнонапряжённых деталей машин. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение. - Государственный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2000.

Диссертация посвящена разработке принципов, алгоритмов и программ для эффективного применения предложенного метода виртуального объекта в проектировании узлов и деталей машин.

Поле мгновенных напряжений в деталях машин, как правило, весьма неоднородно и определяется её конструкцией и динамикой внешнего нагружения. Целью конструктора является создание такого соотношения последних двух факторов, которое обеспечивало бы максимальное выравнивание поля напряжений, что даёт возможность оптимизировать конструкцию: гарантировать её работоспособность при минимальной массе.

На этом пути проектировщика ожидает основное противоречие: при несимметричном нагружении (а именно такое чаще всего встречается в машиностроении) оптимальной является несимметричная конструкция детали, проектирование которой, как правило, крайне трудоёмко. Более того, при стохастическом переменном нагружении, характерном для деталей мобильных машин, оптимальной являлась бы деталь непредсказуемо переменной конфигурации, что заставляет конструктора ответственных узлов завышать коэффициент запаса и, следовательно, металлоёмкость машины в целом.

В последнее время, в связи с внедрением систем автоматизированного проектирования, решение этой задачи сталкивается с новой проблемой. Так, современные компьютерные средства расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей и узлов резко повышают свою эффективность при учёте симметрии конструкции, что вступает в противоречие с требованием оптимальности последней. Возникает замкнутый круг: чем дальше от симметрии деталь, тем она “лучше”, но тем труднее её моделировать и проектировать. В диссертации предложен и доведен до практического использования метод, позволяющий сохранять преимущества симметрии объекта на 80 - 90 % общего времени проектирования.

Целью настоящей работы является снижение металлоёмкости машин при улучшении эксплуатационных характеристик и условий их проектирования путём оптимизации конструкций деталей и узлов за счёт адаптации “симметричных” систем автоматизированного проектирования к расчёту несимметричных конструкций. Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи: разработано методическое, математическое и программное обеспечения системы автоматизированного проектирования деталей машин, включающей промежуточное виртуальное представление объекта проектирования; на базе стандартного ППП ПАРСЕК, использующего метод конечных элементов, создана и реализована на ЭВМ численная модель напряжённо-деформированного состояния полых толстостенных балок мостов автомобильного полуприцепа; выполнен анализ соотношений “нагрузка-размер-свойство-напряжение” для толстостенных труб и получены аналитические и эмпирические зависимости для практической реализации предложенной системы проектирования; разработана оптимальная в продольном направлении и в поперечных сечениях конструкция моста автомобильного полуприцепа; создана конструкция подвески автомобильного полуприцепа, позволяющая осуществлять оптимальное нагружение его моста в зависимости от условий движения.

Научная новизна полученных результатов состоит в развитии и углублении теоретических и методологических основ проектирования деталей машин. Предложена виртуальная модель проектируемого объекта, сохраняющая симметрию на всех этапах проектирования, кроме последнего, что позволило применить для конструирования несимметричных деталей машин действующие САПР, разработанные для симметричных объектов. Предложен механизм сохранения симметрии модели объекта за счёт адекватной и обратимой замены асимметрии конфигурации на асимметрию внешнего нагружения или асимметрию механических свойств материала, из которого предполагается изготовление объекта. Разработана численная нелинейная модель для исследования эксплуатации мостов автомобильных полуприцепов на основе стандартного пакета, использующего метод конечных элементов, адаптированного к моделированию объектов с виртуальной симметрией. Предложен механизм автоматической компенсации несоответствия между сложным, постоянно изменяющимся внешним нагружением моста и оптимальной конструкцией последнего, ориентированной на постоянное нагружение.

Проанализированы существующие и разработаны новые конструкции ходовых частей транспортных средств и методы их проектирования, выбраны и усовершенствованы математические и экспериментальные методы исследования.

Предложена универсальная система автоматизированного проектирования деталей и узлов мобильных машин, разработаны и доведены до практического использования все её подсистемы.

Выполнены расчёты напряжений в различных деталях машин, предложено усовершенствование их конструкций, базирующееся на результатах исследований, осуществлены производственные испытания и их оценка.

Применение созданной в работе системы проектирования позволило сократить время на подготовку исходных данных к расчёту несимметричных конструкций деталей машин ответственного назначения, а также рассчитать оптимальные размеры профиля моста полуприцепа. Выводы, полученные в работе, подтверждены при испытаниях в ПФ “РКР-АВТО” (НИИТАвтопром, г. Москва), а также в ОАМО “Завод им. И.А. Лихачёва” и рекомендованы к внедрению в организациях и на предприятиях, проектирующих транспортные средства.

Ключевые слова: равнонапряжённые детали машин; конечноэлементная модель; симметрия; метод виртуального объекта; подвеска транспортного средства.

Размещено на Allbest.ru

...