РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КИНЕМАТИЧЕСКОГО, ДИНАМИЧЕСКОГО И ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МАШИНОСТРОЕНИЯ
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО …
8 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УДК 004.942:001.57
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КИНЕМАТИЧЕСКОГО, ДИНАМИЧЕСКОГО И ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МАШИНОСТРОЕНИЯ
А.М. Терлецкая, Н.Р. Райц, И.Г. Лимарева, Е.К. Фомичева, Е.Л. Мурых
Рассмотрена возможность применения современных CAE-систем (ADAMS, ANSYS) для проведения кинематического, динамического и прочностного анализа. Разработана и представлена методика комплексного автоматизированного анализа, позволяющая провести исследование сложных механизмов с большой точностью и в короткие сроки. На основе разработанной методики проведены исследования пространственных механизмов: возникновение контактных напряжений, механика разрушения сварных конструкций. Ключевые слова: автоматизированный анализ, моделирование, механические системы, контактные напряжения.
Введение
Для получения надежных и экономичных несущих конструкций машин и механизмов необходима разработка прогрессивных методов расчета с учетом использования новейших вычислительных и программных средств.
Наличие на сегодняшний день на рынке программных продуктов коммерческих версий систем автоматизированного проектирования (AutoCAD, CATIA, PRO/ENGINEER и др.) и анализа (ADAMS, Cosmos/M, ANSYS, NASTRAN и др.) требует их обоснованного выбора для решения конкретной проблемы, а также создания гибкого интерфейса между двумя указанными классами программного обеспечения.
Предлагается новый системный подход на основе поэтапного использования CAD/CAE/CAMсистем, 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 изделий машиностроения.
К первой группе программ – программным средствам проектирования, органично объединяющим процессы конструирования и анализа в едином комплексе, – относятся системы CATIA5 (DS, Франция), UNIGRAPHICS (US, США), PRO/ENGINEER (PTC, США), EUCLID3 (EADS MD, Франция). Во вторую группу программ входят универсальные программы анализа изделий машиностроения ANSYS (США), SAMTECH (Бельгия), MSC.VISUAL NASTRAN ENTERPRISE (США), MSC.ADAMS и др.
Этапы комплексной методики решения кинематических, динамических и прочностных задач
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, 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 возможность быстрой и удобной расстановки 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; моделируются 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 конечноэлементные 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.
104
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
А.М. Терлецкая, Н.Р. Райц, И.Г. Лимарева, Е.К. Фомичева, Е.Л. Мурых
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 механизмов на примере пространственных манипуляторов с использованием САЕ-систем. 1. Формируется расчетная схема. Необходимые данные: кинематическая схема объекта, геометрия (ме-
жосевые расстояния или расстояния между центрами шарниров), предварительные весовые характеристики элементов, краевые (начальные и граничные) условия, силовые условия (нагрузки). 2. Кинематический и динамический анализы 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 анализы объекта. Уточнение расчетного случая и усилий.
Применение комплексной методики для решения прикладных задач
На основе предлагаемого подхода были проведены исследования, содержание и основные результаты которых представлены ниже.
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, 2]. Однако вследствие того, что разработка машин на основе ПМ с ЗЦ ведется сравнительно недавно, 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-систем обычного назначения (например, AutoCAD [3, 4]), 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 [5, 6].
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: расчет динамических и силовых характеристик ПМ с ЗЦ. Эта задача относится к задачам макро-
уровня; 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 будет реализовываться на базе пакетов MSC.ADAMS и ANSYS [7].
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.
Разработана приближенная расчетная схема манипулятора в системе ADAMS (рис. 1). 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. Для решения этой проблемы система предоставляет возможность обмени-
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
105
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО … ваться данными с конечно-элементными системами. В частности, система ANSYS позволяет создавать файл *.mnf (modal neutral file), который в дальнейшем импортируется в ADAMS.
Рис. 1. Модель манипулятора, разработанная в системе ADAMS Изучен и использован интерфейс взаимодействия систем макро- и микромоделирования ADAMS –ANSYS. Предложены рекомендации по его применению. Был произведен экспорт элементов модели манипулятора в формат Parasolid для передачи в систему ANSYS [5]. После импорта твердотельного элемента в конечно-элементную систему была создана деформируемая модель элемента конструкции (элемент разбит на конечные элементы Solid45, Beam4) (рис. 2).
Рис. 2. Деформируемый элемент конструкции в системе ANSYS Используя средства передачи данных обратно в систему ADAMS, была подготовлена модель (рис. 3) и создан соответствующий файл *.mnf. С помощью встроенных средств деформируемые элементы были вновь импортированы в ADAMS для повторного проведения динамического, кинематического анализов и уточнения расчетного случая и усилий.
Рис. 3. Модель, подготовленная для экспорта
Рассмотрена задача возникновения контактных напряжений в элементах пространственных шарнирных узлов ПМ с ЗЦ (рис. 4). 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 вынос-
106
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
А.М. Терлецкая, Н.Р. Райц, И.Г. Лимарева, Е.К. Фомичева, Е.Л. Мурых
ливости 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 [4, 6].
Рис. 4. Геометрическая модель проушины 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. На рис. 5, 6 можно наблюдать изгиб оси, который влечет за собой сложную деформацию вильчатой проушины и контактную деформацию смятия центральной проушины. Максимальные напряжения растяжения, равные 429 МПа, наблюдаются в нижней части оси и вызваны изгибающим моментом.
Рис. 5. Напряженно-деформированное состояние модели в системе ANSYS
Рис. 6. Контактные напряжения, рассчитанные в системе ANSYS
Результаты проведенных исследований показали, что даже при приложении небольшой нагрузки в зоне отверстий проушин возникают значительные напряжения, превышающие допустимый предел. Так-
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
107
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО …
же были рассмотрены способы уменьшения величины контактных напряжений с использованием технологических факторов (посадка оси с натягом, установка вильчатой проушины под углом к центральной проушине).
Исследованы проблемы механики разрушения сварных конструкций. 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.
Заключение
Разработана и представлена методика комплексного автоматизированного анализа, позволяющая провести исследование сложных механизмов, основанная на применении системы ADAMS для кинематического, динамического анализов и системы ANSYS для прочностного анализа. С применением данной методики проведен анализ модели пространственного манипулятора. В системе ADAMS получены результаты в виде графиков и числовых значений перемещений, скоростей, ускорений в различных узловых соединениях механизма, рассчитаны реакции системы в виде усилий и моментов. Отдельные элементы механизма (шарнирные соединения) рассмотрены в системе ANSYS, с помощью которой построена конечно-элементная модель проушины и проведен прочностной анализ. Выполнен повторный кинематический и динамический анализ объекта. Уточнены расчетные случаи и усилия.
Внедрение технологии автоматизированного динамического и прочностного анализов позволит значительно сократить сроки, обеспечить необходимую точность, уменьшить стоимость решения за счет отсутствия необходимости создания натурного образца и проведения дополнительных экспериментов, позволит для конкретного продукта сделать свой вклад в создание системы CALS-технологии [8] проектируемой системы в целом.
Литература
1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 336 с.
2. 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.
3. Левковец Л.Б., Тарасенков П.В., Сокуренко Ю.А. Autodesk Inventor. Базовый курс на примерах. – СПб: БХВ Петербург, 2008. – 400 с.
4. Левковец Л.Б. Самоучитель AutoCAD 2010. – СПб: БХВ Петербург, 2009. – 400 с. 5. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. – 4-е изд.,
доп. – М.: Машиностроение, 1993. – 639 с. 6. Степанов П.Б., Нургужин М.Р., Альтер И.М. Основы автоматизированного расчета деталей методом
конечных элементов. – Караганда: КарПТИ, 1988. – 93 с. 7. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Красковского. – М.: Компьютер Пресс,
2002. – 224 с. 8. Погорелов В.И. Система и ее жизненный цикл: введение в CALS-технологии: Учебное пособие. –
СПб: Изд-во БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2010. – 182 с.
Терлецкая Анастасия Михайловна Райц Надежда Робертовна Лимарева Инна Григорьевна Фомичева Елена Константиновна Мурых Елена Львовна
– Карагандинский государственный технический университет, ст. преподаватель, ternast@mail.ru
– Карагандинский государственный технический университет, ст. препо-
даватель, nadyareiz@mail.ru – Карагандинский государственный технический университет, ст. препо-
даватель, innalim21@mail.ru – Карагандинский государственный технический университет, ст. препо-
даватель, fomicheva_lena@mail.ru
– Карагандинский государственный технический университет, ст. преподаватель,Murykh @mail.ru
108
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
8 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УДК 004.942:001.57
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КИНЕМАТИЧЕСКОГО, ДИНАМИЧЕСКОГО И ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МАШИНОСТРОЕНИЯ
А.М. Терлецкая, Н.Р. Райц, И.Г. Лимарева, Е.К. Фомичева, Е.Л. Мурых
Рассмотрена возможность применения современных CAE-систем (ADAMS, ANSYS) для проведения кинематического, динамического и прочностного анализа. Разработана и представлена методика комплексного автоматизированного анализа, позволяющая провести исследование сложных механизмов с большой точностью и в короткие сроки. На основе разработанной методики проведены исследования пространственных механизмов: возникновение контактных напряжений, механика разрушения сварных конструкций. Ключевые слова: автоматизированный анализ, моделирование, механические системы, контактные напряжения.
Введение
Для получения надежных и экономичных несущих конструкций машин и механизмов необходима разработка прогрессивных методов расчета с учетом использования новейших вычислительных и программных средств.
Наличие на сегодняшний день на рынке программных продуктов коммерческих версий систем автоматизированного проектирования (AutoCAD, CATIA, PRO/ENGINEER и др.) и анализа (ADAMS, Cosmos/M, ANSYS, NASTRAN и др.) требует их обоснованного выбора для решения конкретной проблемы, а также создания гибкого интерфейса между двумя указанными классами программного обеспечения.
Предлагается новый системный подход на основе поэтапного использования CAD/CAE/CAMсистем, 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 изделий машиностроения.
К первой группе программ – программным средствам проектирования, органично объединяющим процессы конструирования и анализа в едином комплексе, – относятся системы CATIA5 (DS, Франция), UNIGRAPHICS (US, США), PRO/ENGINEER (PTC, США), EUCLID3 (EADS MD, Франция). Во вторую группу программ входят универсальные программы анализа изделий машиностроения ANSYS (США), SAMTECH (Бельгия), MSC.VISUAL NASTRAN ENTERPRISE (США), MSC.ADAMS и др.
Этапы комплексной методики решения кинематических, динамических и прочностных задач
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, 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 возможность быстрой и удобной расстановки 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; моделируются 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 конечноэлементные 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.
104
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
А.М. Терлецкая, Н.Р. Райц, И.Г. Лимарева, Е.К. Фомичева, Е.Л. Мурых
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 механизмов на примере пространственных манипуляторов с использованием САЕ-систем. 1. Формируется расчетная схема. Необходимые данные: кинематическая схема объекта, геометрия (ме-
жосевые расстояния или расстояния между центрами шарниров), предварительные весовые характеристики элементов, краевые (начальные и граничные) условия, силовые условия (нагрузки). 2. Кинематический и динамический анализы 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 анализы объекта. Уточнение расчетного случая и усилий.
Применение комплексной методики для решения прикладных задач
На основе предлагаемого подхода были проведены исследования, содержание и основные результаты которых представлены ниже.
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, 2]. Однако вследствие того, что разработка машин на основе ПМ с ЗЦ ведется сравнительно недавно, 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-систем обычного назначения (например, AutoCAD [3, 4]), 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 [5, 6].
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: расчет динамических и силовых характеристик ПМ с ЗЦ. Эта задача относится к задачам макро-
уровня; 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 будет реализовываться на базе пакетов MSC.ADAMS и ANSYS [7].
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.
Разработана приближенная расчетная схема манипулятора в системе ADAMS (рис. 1). 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. Для решения этой проблемы система предоставляет возможность обмени-
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
105
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО … ваться данными с конечно-элементными системами. В частности, система ANSYS позволяет создавать файл *.mnf (modal neutral file), который в дальнейшем импортируется в ADAMS.
Рис. 1. Модель манипулятора, разработанная в системе ADAMS Изучен и использован интерфейс взаимодействия систем макро- и микромоделирования ADAMS –ANSYS. Предложены рекомендации по его применению. Был произведен экспорт элементов модели манипулятора в формат Parasolid для передачи в систему ANSYS [5]. После импорта твердотельного элемента в конечно-элементную систему была создана деформируемая модель элемента конструкции (элемент разбит на конечные элементы Solid45, Beam4) (рис. 2).
Рис. 2. Деформируемый элемент конструкции в системе ANSYS Используя средства передачи данных обратно в систему ADAMS, была подготовлена модель (рис. 3) и создан соответствующий файл *.mnf. С помощью встроенных средств деформируемые элементы были вновь импортированы в ADAMS для повторного проведения динамического, кинематического анализов и уточнения расчетного случая и усилий.
Рис. 3. Модель, подготовленная для экспорта
Рассмотрена задача возникновения контактных напряжений в элементах пространственных шарнирных узлов ПМ с ЗЦ (рис. 4). 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 вынос-
106
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
А.М. Терлецкая, Н.Р. Райц, И.Г. Лимарева, Е.К. Фомичева, Е.Л. Мурых
ливости 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 [4, 6].
Рис. 4. Геометрическая модель проушины 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. На рис. 5, 6 можно наблюдать изгиб оси, который влечет за собой сложную деформацию вильчатой проушины и контактную деформацию смятия центральной проушины. Максимальные напряжения растяжения, равные 429 МПа, наблюдаются в нижней части оси и вызваны изгибающим моментом.
Рис. 5. Напряженно-деформированное состояние модели в системе ANSYS
Рис. 6. Контактные напряжения, рассчитанные в системе ANSYS
Результаты проведенных исследований показали, что даже при приложении небольшой нагрузки в зоне отверстий проушин возникают значительные напряжения, превышающие допустимый предел. Так-
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)
107
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО …
же были рассмотрены способы уменьшения величины контактных напряжений с использованием технологических факторов (посадка оси с натягом, установка вильчатой проушины под углом к центральной проушине).
Исследованы проблемы механики разрушения сварных конструкций. 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.
Заключение
Разработана и представлена методика комплексного автоматизированного анализа, позволяющая провести исследование сложных механизмов, основанная на применении системы ADAMS для кинематического, динамического анализов и системы ANSYS для прочностного анализа. С применением данной методики проведен анализ модели пространственного манипулятора. В системе ADAMS получены результаты в виде графиков и числовых значений перемещений, скоростей, ускорений в различных узловых соединениях механизма, рассчитаны реакции системы в виде усилий и моментов. Отдельные элементы механизма (шарнирные соединения) рассмотрены в системе ANSYS, с помощью которой построена конечно-элементная модель проушины и проведен прочностной анализ. Выполнен повторный кинематический и динамический анализ объекта. Уточнены расчетные случаи и усилия.
Внедрение технологии автоматизированного динамического и прочностного анализов позволит значительно сократить сроки, обеспечить необходимую точность, уменьшить стоимость решения за счет отсутствия необходимости создания натурного образца и проведения дополнительных экспериментов, позволит для конкретного продукта сделать свой вклад в создание системы CALS-технологии [8] проектируемой системы в целом.
Литература
1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 336 с.
2. 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.
3. Левковец Л.Б., Тарасенков П.В., Сокуренко Ю.А. Autodesk Inventor. Базовый курс на примерах. – СПб: БХВ Петербург, 2008. – 400 с.
4. Левковец Л.Б. Самоучитель AutoCAD 2010. – СПб: БХВ Петербург, 2009. – 400 с. 5. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. – 4-е изд.,
доп. – М.: Машиностроение, 1993. – 639 с. 6. Степанов П.Б., Нургужин М.Р., Альтер И.М. Основы автоматизированного расчета деталей методом
конечных элементов. – Караганда: КарПТИ, 1988. – 93 с. 7. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Красковского. – М.: Компьютер Пресс,
2002. – 224 с. 8. Погорелов В.И. Система и ее жизненный цикл: введение в CALS-технологии: Учебное пособие. –
СПб: Изд-во БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2010. – 182 с.
Терлецкая Анастасия Михайловна Райц Надежда Робертовна Лимарева Инна Григорьевна Фомичева Елена Константиновна Мурых Елена Львовна
– Карагандинский государственный технический университет, ст. преподаватель, ternast@mail.ru
– Карагандинский государственный технический университет, ст. препо-
даватель, nadyareiz@mail.ru – Карагандинский государственный технический университет, ст. препо-
даватель, innalim21@mail.ru – Карагандинский государственный технический университет, ст. препо-
даватель, fomicheva_lena@mail.ru
– Карагандинский государственный технический университет, ст. преподаватель,Murykh @mail.ru
108
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 6 (76)