Розробка аналітичних комп’ютерних методів аналізу та синтезу динаміки машин

На верхні криві відповідають зміні у часі зусилля SG (гладка крива - сплайнова апроксимація). За розрахунками встановлено, що закон зміни зусилля на рейці має коливальний характер, пружність та облік мас деталей стріловидного пристрою потребує більших значень сили, прикладеної до рейки.

Розв'язано задачі про визначення рушійного моменту, який треба прикласти до важеля поворотного пристрою читання жорсткого диску ПК (рис. 20) для здійснення його повороту на заданий кут за заданий час.

Положення рівноваги визначено з використанням динамічного методу, а для знаходження рушійного моменту вжито метод підсистем сумісно із динамічним методом для розв'язування першої та другої задач динаміки геометрично нелінійної пружної стержневої моделі кабелю. Геометрично нелінійна модель пружно деформованого при великих переміщеннях точок вісі кабелю прийнята відповідною системі багатьох твердих стержнів (до 40).

Маси стержнів, пружні та дисипативні сили розміщувалися по вузлах системи та визначалися за матеріальними і геометричними даними перетину кабелю, а коефіцієнти дисипації приймалися пропорційними масам і коефіцієнтам жорсткості. Система тіл замикалася так: у 1-й моделі _ у вузлі N-2 фіктивним пружним елементом С з великою жорсткістю, у 2-й моделі - пружністю стержнів на розтяг-стиск. Обидві моделі еквівалентні за результатами розрахунків форми кабелю та прикладеного моменту, що повертає механізм, однак друга дає можливість визначити ще й поздовжню силу.

Пружний кабель здійснює загасаючі хвилеподібні коливання й встановлюється в рівноважне положення за 2 мс. На рис. 22 показано, як у цьому положенні розподілена поздовжня сила у 2-й моделі кабелю (відносні одиниці) при зміні загальної пружності кабелю на розтяг-стиск (в Н/м _ 104, 105, 106, 107, 108 - знизу-вверх). Після знаходження рівноваги положення кабелю, що відповідає куту повороту ц = 30?, було задано рух пристрою голівок шляхом примусової зміни кута за рівномірним законом ().

Наведено аналітичні дослідження синтезу кулачкового механізму підіймальної платформи формувального верстата, що одержані за допомогою ССКА й аналітичним обчислюванням. У дослідженнях застосовані спеціальні програмні розробки, які включені до ПЗ САПР динаміки машин для виконання завдань з автоматизованого проектування профілю кулачка по заданому закону руху вхідної ланки механізму і його геометричних передавальних функцій. Підхід до проблеми синтезу засновано на аналітичному завданні профілю кулачка кубічним сплайном = () у зв'язаній з ним полярній СК. За рівнянням профілю в кожній його точці визначається кут нахилу дотичної й залежно від типа кулачкового механізму аналітично формується неявна функція вихідної ланки - поступальне (h) або обертальне (г) переміщення. І, навпаки, по необхідному вихідному переміщенню та закону повороту кулачка може бути побудовано рівняння його профілю.

Приведено розрахунки кулачка верстату для формовки виробів із пластику по заданому технологічним процесом закону руху платформи. Розрахункова схема представлена на рис. 24. Спочатку встановлено закон повороту кулачка, зумовлений заданим ходом поршнів пневмоциліндрів 1 і 2. Після цього вирішено дві кінематичних задачі. Перша з них передбачує визначення аналітичних законів вертикального переміщення платформи , її швидкості , прискорення та куту тиску за заданим профілем кулачка. Друга задача передбачує за законами руху платформи та кулачка , які відомі за технологічних умов, визначення параметричного закону передавальної функції кулачка . Вирішення цих задач дозволяє остаточно отримати профіль кулачка, який можна порівняти з профілями 1 і 2, раніше запроектованими на підприємстві конструкторами. У розрахунках профілі задавали масивом точок для кулачка 1 і масивом дуг кіл для кулачка 2, додатково вводили ексцентриситет е = 20 мм. На рис. 25 дано порівняння зміни куту тиску при рівномірному русі запроектованих пневмоциліндрів (, ) та одержаного в роботі (), з чого видно, що останній має менші значення куту тиску, а його розподілення є більш рівномірним. Отримана у розрахунках величина сили тиску на кулачок зі сторони ролика дозволила остаточно визначити геометрію кулачка та ролика.

Викладено результати динамічного синтезу пристрою зрівноваження навісної двохбарабанної жниварки «Слов'янка УАС-7», схему якої показано на рис. 26. За умов плоского руху (відносно корпусу жниварки) вирішується кінематичне завдання щодо визначення положення точок H, L, C, B залежно від куту повороту жниварки у вертикальній площині. З урахуванням сил тяжіння ланок жниварки, жорсткості пружин, величин тиску її лап на ґрунт Nl = Nr = 294 Н визначено статичні деформації пружин для кутів повороту важелів у діапазоні [-5, +5]. Виявлено, що на краях діапазону їх зміни сили тиску лап жниварки занадто великі, а також встановлено, що для забезпечення нормативного тиску на ґрунт необхідно або мати нелінійні пружини, або скоректувати закон переміщення точок B і L при повороті трикутних важелів.

Якщо виходити із заданих граничних значень сили тиску на ґрунт 98Н і 492Н на краях діапазону зміни кута °, то можна підібрати статичну деформацію пружин і кут розвалу трикутного важеля. В цьому випадку сила тиску для середніх значень кута стає негативною, що підтверджується динамічними розрахунками та свідчить про наявність двох положень рівноваги - верхнього (стійкого) та нижнього (нестійкого).

За результатами розрахунків зроблено висновок про те, що запропонована конструкція механізму зрівноваження жниварки не задовольняє вимогам критичності сил тиску на ґрунт у робочому діапазоні кутів її нахилу. Тому розглядались варіанти із розміщенням кулачкового механізму між трикутними важелями та пакетами пружин (рис. 27, ліворуч).

Для визначення передавальної характеристики кулачкового механізму знайдено попередній розтяг пружин і кут розвалу трикутних важелів, що забезпечило рівні нормативного тиску лап жниварки на ґрунт як у верхньому, так і нижньому її положеннях. Одержано характеристики деформації пружин і переміщень пружинного краю важеля залежно від куту . На рис. 27 (праворуч) представлена залежність сили тиску лап для жатки з кулачком.

Аналіз розрахункових даних свідчить про здатність жниварки з кулачком задовольнити вимоги до сил тиску на ґрунт у робочому діапазоні кутів її нахилу. У центральній зоні, де [-3,75, +3,75], тиск збільшується від 10 до 400 Н, а стан жниварки саме тут є близьким до стану байдужої рівноваги.

У восьмому розділі надано розрахункові моделі та чисельні результати за комплексними дослідженнями ударних процесів у контейнерах-упаковках (КУ) для захоронення та транспортування високоактивних відходів атомних станцій, які проектуються в Національному науковому центрі «Харківський фізико-технічний інститут» (ННЦ «ХФТІ»); приведено перелік нормативних стандартних випробувань при падінні КУ.

Конструктивну схему КУ приведено на рис. 28, де 1, 2, 7, 8 - торцеві затвори; 3, 9 - фланці зі вкладишами 4, 10; 5 - трьохшаровий корпус із вуглець-вуглецевим заповнювачем; 6 - касета з тепловиділяючими зборками (ТВЗ). Там же показано плиту, фізико-механічними властивостями якої імітують умови удару при падінні КУ. Дослідження виконано з метою оцінювання міцності та герметичності затворів КУ при різних умовах падіння (висота H, кут нахилу ) за програмою нормативних стандартних випробувань.

За розробленим у роботі підходом у механічну модель системи введено пружні та дисипативні елементи, якими моделюють сили, що виникають у місцях ударних взаємодій. За координати цих силових елементів приймають величини лінійних і кутових відносних переміщень тіл, що співударяються, а їхні характеристики записують умовними виразами відповідно до умов зіткнення і потім підбирають за даними тривалості взаємодії та пружності удару. При цьому ненульові значення характеристик можуть лінійно залежати від координат або відповідати різним гіпотезам. наприклад, гіпотезі Герца.

Механічна модель КУ представлено у вигляді системи багатьох твердих тіл із відомими пружними та дисипативними характеристиками інерційних і силових елементів. Між корпусом КУ або касетою з ТВЗ і торцевими затворами та вкладишами прийнято пружно-дисипативну взаємодію у сполученні з граничним сухим тертям. Фізико-механічні властивості плити для імітації удару КУ при падінні встановлено за умов пружно-дисипативних властивостей із нелінійним зв'язком між контактною силою опору плити з нормальним переміщенням за законом Герца. Для імітування характеру відскоку підібрано постійні пружно-дисипативні властивості плити та тривалість удару КУ з плитою. При описі контактної взаємодії за коефіцієнтами нелінійних сил пружності та сил тертя використано релейні функції, які при негативних значеннях величин H, l, L, zA, zD, приймали ненульові значення.

Чисельним інтегруванням динамічних рівнянь удару КУ при падінні на плиту визначено величини прискорень в окремо заданих точках тіл для кожної деталі КУ за тривалість удару; нормальні та дотичні до затвору сили, які необхідно враховувати для оцінювання міцності та герметичності торцевих затворів контейнера. Нормативні стандартні випробування при падінні КУ містять прямі падіння на плиту та вузькій штир, падіння під кутом (рис. 28, = 300). Характер останнього - це послідовні удари у плиту нижнім і верхнім кінцями та боковою стороною. У розрахунках прийнято, що касета з ТВЗ не закріплена усередині контейнеру і може ударяти по затворах зсередини, спонукуючи вибивання затвору. Ударна взаємодія між касетою з ТВЗ і затворами призводить до додавання значних контактних сил, що діють між ними та створюють небезпеку в порушенні герметизації КУ. Внутрішній удар касети з ТВЗ по верхньому затвору після удару КУ о плиту боковою поверхнею є небезпечним для затвору.

Надано розрахункові схеми та результати кінетостатичного моделювання методом скінчених елементів напружено-деформованого стану елементів КУ для найбільш небезпечних варіантів випробувань падіння. При цьому використано вихідні дані з розподілу прискорень точок тіл КУ, які попередньо отримано із застосуванням ПЗ ССКА. Одержані оцінки з міцності та герметичності КУ свідчать, що конструкції, спроектовані в ННЦ «ХФТІ», відповідають нормам стандартних випробувань і здатні безпечно експлуатуватися.

Висновки

У дисертаційній роботі розв'язано важливу науково-практичну проблему в розвитку теорії динаміки та міцності машин, приладів і апаратури, яка полягає у створенні аналітичних комп'ютерних методів розрахунку та встановленні закономірностей динамічних процесів у технологічних, енергетичних, транспортних машинах та інших технічних системах з урахуванням їхньої структури і реальних умов експлуатації. В результаті проведеного комплексу досліджень отримано наступні результати.

1. Запропоновано новий підхід до проблем розрахунку динамічних процесів у технологічних, енергетичних, транспортних машинах та інших технічних системах, за яким розроблено обґрунтовану теорію аналітичних комп'ютерних методів розрахунків і програмні засоби у вигляді спеціальної системи комп'ютерної алгебри.

2. Розроблено універсальний аналітичний опис та ефективні алгоритми автоматичного комп'ютерного формування в узагальнених і псевдокоординатах рівнянь динаміки голономних, неголономних, стаціонарних і нестаціонарних дискретних систем складної структури з довільними в'язями при плоскому та просторовому рухах в умовах квазістатичних й динамічних навантажень.

3. Проведено розрахунки динамічних процесів в конструктивних елементах широкого класу машин і технічних систем на основі використання розробленої спеціальної системи комп'ютерної алгебри та здійснено порівняння результатів з відомими аналітичними і числовими даними, отриманими іншими науковцями.

4. Одержано аналітичні оцінки кількості операцій у рівняннях динаміки систем типа «дерево», що будуються спеціальною системою комп'ютерної алгебри, які підтверджено обчислювальними експериментами, що дозволило встановити більшу ефективність алгоритмів їх формування у порівнянні з відомими.

5. Отримано на новій теоретичній основі із застосуванням розроблених аналітичних комп'ютерних методів і програмних засобів рішення прикладних задач розрахунків динамічних процесів для аналізу та синтезу конструкцій, машин, приладів і апаратів сучасної техніки, а саме:

– встановлено нові можливості для отримання якісних й кількісних закономірностей вимушених коливань і перехідних процесів в силових передачах з ДВЗ з урахуванням процесів в системі згоряння, та для розв'язання задач віброізоляції транспортних засобів, досліджено вплив порушень в роботі одного циліндра на результат відстройки від резонансів силової передачі ДВЗ;

– розв'язано задачі віброізоляції висотних споруд і транспортних засобів, що взаємодіють із твердими тілами й здатні проявляти неголономність в'язей при просторовому русі, на основі яких обґрунтовано ефект зменшення рівня шкідливих коливань споруд за рахунок використання кульового віброгасника та приведено комплекс розрахунків для його проектування;

– здійснено аналіз динамічних процесів у стержньових і балочних конструкціях, перехідних та ударних процесів у космічних об'єктах і в контейнерах для транспортування високоактивних відходів АЕС з одночасним розв'язанням задач силового забезпечення положень рівноваги та заданих рухів, пошуку початкових і поточних конфігурацій тіл;

– вирішено задачі аналізу та синтезу динаміки маніпуляційних систем з урахуванням складних просторових рухів їхніх ланок, які супроводжуються коливаннями несучих частин, що дозволило в умовах істотного підвищення вкладу сил інерції визначити приводні сили та задовольнити високим вимогам до точності позиціювання, визначено вплив перешкоди на рух і приводні сили;

– здійснено у рамках єдиної механічної системи параметричний й структурний синтез з обліком накладених різних геометричних і кінематичних в'язей на етапі проектування нових кулачкових механізмів формувального верстату, зубчастих рейок стрілових пристроїв портових кранів і систем підвіски сільськогосподарських машин.

6. Практичну цінність роботи підтверджено актами про застосування результатів, рекомендацій та висновків дисертації в організаціях, для котрих надано рішення науково-технічних завдань за допомогою створених у роботі програмних засобів: Машинобудівне підприємство «УКР.АГРО-СЕРВИС» (2005-2008 рр.), ННЦ «ХФТІ» (2007 р.), НТУ «ХПІ» (1998-2008 р.), ФГОУ ВПО «Чуваський державний університет» (Російська Федерація, 2005 р.), Клайпедський морехідний інститут (Литовська республіка, 2006-2008 рр.).