Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях




НазваМетоди розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях
Сторінка1/5
Дата конвертації30.06.2013
Розмір0.61 Mb.
ТипДокументы
skaz.com.ua > Спорт > Документы
  1   2   3   4   5
Кожний знає, що ми живемо в епоху

техніки, але дуже рідко усвідомлює,

що буквально вся наша техніка

базується на математиці й фізиці.
Б.Л.Ван дер Варден
НАДІЙНІСТЬ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ
Надійність транспортних систем визначається в основному надійністю транспортного засобу, а у випадку рейкового транспорту надійність системи визначається надійністю транспортної одиниці майже на 100%.

Надійність транспортного засобу визначається надійністю його чутливих елементів. Нижче наведена загальна схема транспортного засобу (колісного екіпажу) в плані його надійності.


Рис.А. Загальна схема транспортного засобу (внутрішній чутливий елемент)
Тут чутливим елементом можуть бути як елементи конструкції машини, так і водій, вантаж. Можливе інакша композиція елементів схеми А (рис.А2).

Рис.А2. Загальна схема транспортного засобу (зовнішній чутливий елемент)
Зовнішнім чутливим елементом також можуть бути перехожі, мешканці прилеглих будівель, самі ці будівлі, дорожнє полотно, тощо. Нижче на ряді простих моделей ми проілюструємо ці випадки. Розглянемо ще два такі важливі об’єкти в теорії надійності. Це: крива функції надійності функція Велера втомної міцності (рис. Б) та крива інтенсивності відмов в часі U-функція (рис.В)





Рис. Б. Крива функції надійності (функція Велера)




Рис. В. Крива інтенсивності відмов в часі (U-функція)


Вигляд другої кривої відмінний від вигляду першої. На початковому етапі, згідно з рис.В, кількість відмов досить велика, потім спадає до деякого постійного значення і потім зростає. Це можна пояснити тим, що на початковому етапі проходить припрацювання елементів конструкції, а на кінцевому етапі внаслідок втоми матеріалів, зношування в рухомих зєднаннях знову зростає аварійність.

У подальшому розглянемо вплив вібрації на надійність транспортних засобів. Цей вплив має вирішальне значення як у схемі зі внутрішнім чутливим елементом (рис.А.), так і в схемі зі зовнішнім (рис.А2).
^ МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ТА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ НАДІЙНОСТІ МОБІЛЬНИХ МАШИН ПРИ ДИНАМІЧНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ
В даній роботі запропонована методика для визначення динамічних характеристик шасі мобільних машин з використанням уточнених розрахункових схем. Приведені приклади рішення конкретних задач: розрахунку та оптимізації автомобільного причепа, деяких сільськогосподарських машин.


  1. ^ Несівна здатність конструкцій мобільних машин та сучасні програмні засоби


Однією з важливих проблем проектування сучасних несівних систем транспортних засобів, зокрема мобільних машин є забезпечення несівної здатності кузова при збереженні оптимальних техніко-економічних показників, а саме таких, як економічність, енерго- та матеріаломісткість, експлуатаційні витрати, витрати на ремонт та інше.

Первинною задачею в цьому напрямку є необхідність удосконалення аналітичного методу розрахунку дії динамічних навантажень з метою наближення теоретичних результатів до експериментальних даних та досягнення раціонального і ефективного проектування рам, приєднаних великогабаритних елементів: штанг, щогл…. Таке завдання , очевидно, може бути виконано з допомогою сучасних комп’ютерних програм.

На даний час існує достатня кількість програм для проведення розрахунків на міцність об’ємних та плоских несівних систем машин на основі методу скінчених елементів [1]. Це програми різного класу. Вони можуть мати вузьке спеціалізоване спрямування або бути універсальними для широкого класу задач. Одним з найбільш потужним пакетом для розрахунку інженерних конструкцій на міцність є Pro/Engineer, або, скорочено – Pro/E. Подібний до нього за своїми властивостями пакет ADAMS. Для виконання розрахунків на міцність може бути також застосовані універсальні програми NASTRAN, ANSYS, COSMOS для використання яких, потрібна побудова геометричної моделі (кінцево-елементної моделі). Під геометричною моделлю слід розуміти побудову точок, ліній, поверхонь і об,ємів, які в своїй сукупності описують (характеризують) конструкцію каркаса кузова. В процесі розбиття цих геометричних складових на більш дрібні і надання їм фізичних властивостей (параметрів поперечних перерізів силових елементів, товщин пластин, механічних властивостей матеріалів та інш.) створюється кінцево-елементна модель.

Ця модель може бути створена на основі спеціалізованих програм технічного креслення: AutoCAD, Solid Works, Solid Edge, ParaSolid та інші. Однак складні конструкції , наприклад, кузов в зборі із-за складності конструкції не завжди вдається перевести із пакету AutoCAD в пакети ANSYS, NASTRAN, тому конвертацію моделей об’ємних складальних одиниць слід виконувати повузлово.

Відомі і російськомовні програми такого типу, наприклад, програма «Компас» – російський аналог AutoCAD, APM WinMashin – що в дечому нагадує Pro/E. Останній має такі модулі як WinFrame, WinStructure можуть бути застосовані для розрахунку конструкції кузова . Ці програми менш універсальні, ніж, наприклад, NASTRAN, чи Pro/E, проте відносно прості в користуванні на “общепонятном язике”. Їхні ліцензовані версії з навчальною метою придбані, так само як “Компас”, Львівською політехнікою, і на протязі довшого часу вивчаються студентами та використовуються ними для написання курсових та дипломних робіт. Можна ще згадати програми “Ліра”, «Зеніт», «Протон» що також служить для розрахунку напружено-деформованого стану, стійкості, динаміки власних та вимушених коливань трьохмірних рамних конструкцій. Зазначимо ще таку просту програму як “Analisys” - система для розрахунку напружено-деформованого стану, трьохмірних рамних конструкцій.

При побудові кінцево-елементної моделі більше 50% всієї роботи займає створення геометричної моделі конструкції (її несівної системи). З метою скорочення витрат на побудову геометричної моделі доцільно перевести конструкторську модель у вигляд, більш зручніший для побудови геометричної моделі. Це дасть змогу полегшити завдання обміну між системами САD і САЕ (АutoCAD  ANSYS, NASTRAN) , яка здійснюється за допомогою IGES формату. Якщо конвертування не виконано або не вдається провести розбиття на окремі частинки, то рекомендується виправити геометричну модель в системі CADFIX і перевести виправлену модель тілом або поверхнями з наступною доробкою моделі в ANSYS. Якщо ж виправлення неточностей та помилок не дає позитивного результату, то рекомендується спростити модель. В зв’язку зі складністю конструкції несівної системи мобільної машини і недосконалістю IGES конвертора, модель конструкції мобільна машина не може повністю передати з АМD в систему ANSYS у вигляді твердотільної геометрії. Тому слід виконати стержневу систему максимально наближену до конструкції мобільної машини. Основними умовами виконання конструкції у вигляді стержневих елементів є те, що стержневі елементи конструкції необхідно формувати по осях габаритних розмірів перерізу, а стержневі елементи, які перетинаються повинні сходитися в точці. Передача геометричних даних з CAD системи в САЕ здійснюється з допомогою IGES конвертора.

Відповідно до вимог, що пред’являються до опрацьованої моделі мобільної машини, у файлі моделі складання разом з конструкторською моделлю міститься розрахункова (стержнева) модель. Елементи конструкції в системі ANSYS розбиті на кінцеві елементи для виконання розрахунку напружено-деформованого стану. При виконанні розрахунків елементів кузова слід мати на увазі, що для прийнятного результату необхідно розбивати тіла з точністю, при якій елемент містить до 100000 кінцевих елементів, один погонний метр труби – більш 8000 кінцевих елементів. За попередніми розрахунками моделі кузова великої мобільної машини, без елементів обшивки, містить приблизно 1500000-2000000 кінцевих елементів.

Зазначимо, що застосування лише цих програм часто недостатнє. По-перше, достеменно не відомі динамічні навантаження, що діють на раму в реальних умовах експлуатації, а використання для цього моделі підвіска – жорсткий корпус навряд чи коректно. По-друге, нам потрібні не лише миттєві пікові значення напружень в елементах конструкції, а їх ресурсна оцінка. А це вимагає врахування складних процесів втоми та корозії металу. Мало реальна дієва оптимізація багатоелементної моделі. Тут зазвичай використовуються алгоритми конденсації моделі до малорозмірної моделі на якій можна проводити оптимізацію [2-5]. Відомі численні методи моделювання складних конструкцій зарубіжних авторів [6-12].

^ ОДНОМАСОВА СИСТЕМА
Загальні положення

В даній роботі розглянемо одномасову модель технічної системи. Вона знаходить найширше застосування для моделювання різного роду машин. Це може бути найпростіша модель екіпажу з пружною підвіскою, модель акумулятора, де блок електродів розглядається як маса, а корпус акумулятора як пружний елемент. Це можуть бути балочні та фермові конструкції з зосередженим вантажем. Також можуть розглядатися крутильні коливання маховика на пружному валу - тобто інерційні частини обертових машин - турбін, трансмісій, електродвигунів. Тому для інженера важливо знати деякі загальні прості правила моделювання на основі одномасової моделі та вміти робити конструктивні чи діагностичні висновки про реальні технічні об'єкти на основі цих моделей. Розглянемо коливання маси на пружині та демпфері (Рис.1)


Рис.1. Силове збурення (а), кінематичне (б)

Вважаємо, що відбуваються лише вертикальні переміщення вантажу m і що маса пружини мала у порівнянні з масою M. Таку систему можна розглядати як таку що має одну ступінь свободи. Якщо маса коливається без зовнішніх впливів, то такі коливання називаються вільними.Вони можуть бути викликані попередніми силовими факторами, чи просто деяким початковим відхиленням (вертикальним) вантажу -кінематичним збуренням.

Нехай m - маса вантажу, c - жорсткість пружини, b – опір демпфера. Тоді на основі принципу Даламбера, чи просто третього закону Ньютона або «силового» методу (сила дії дорівнює силі протидії)
, де – інерційна сила,

– зовнішня сила у випадку силового навантаження (а),

або
для кінематичного збурення (б)
отримаємо такі рівняння руху маси.
(1)

Можливий і інший спосіб отримання ( ) – варіаційний. Запишемо значення кінетичної ^ К і потенційної енергії П

, (2)
Тут розглядається випадок кінематичного збурення з нульовим демпфуванням . Тепер з варіаційного принципу про нульове значення приросту енергії Е за довільний проміжок часу (варіаційний принцип Гамільтона-Остроградського) отримаємо
(3)

звідки




Тут використано той постулат, що при інтегруванні по частинах. Так як проміжок інтегрування довільний, то підінтегральна функція тотожно нульова, тобто, отримуємо це ж саме рівняння (1) як і при застосуванні «силового» методу.

Для (1) потрібно задати відповідні початкові умови. Тут треба уважно задавати коефіцієнти рівняння. Якщо, наприклад, просто задати m = 100кг , k = 1кг/cм то отримаємо рівняння (b=0)



в той час коли правильно

(4)
В Тимошенка [1], для того щоб не виникало таких помилок рівняння (1) записується у формі

тобто маса попередньо ділиться на прискорення. Тоді можна просто підставляти жорсткості пружин чи демпферів.

Розглянемо приклад одномасової системи (рис. 2).



Рис. 2а Одномасова модель


Рис. 2б. Одномасова модель амортизації сидіння водія


Цій системі відповідає рівняння (1,2). Розв'язок однорідного рівняння (2) при заданих граничних умовах буде
, , (5)
ω – резонансна частота системи. Це, так звана, колова частота. Реальна частота коливань буде .

Приведемо ще деякі прості формули для частотних характеристик коливань, часто вживані у інженерній практиці [1]

де - статичне видовження пружини під даним вантажем W, g– прискорення земного тяжіння, –період, f – частота коливань.
Приклад 1. Амортизація сидіння водія.

Розглянемо наступний приклад: амортизація сидіння водія (рис. 2б) . В даних позначеннях рівняння руху водія буде
(6)
Для розв’язку рівняння (6) застосуємо відомий ефективний спосіб переходу в частотну область. Вважаємо, що зовнішнє збурення гармонійне
. (7)
Тобто, задаємо зовнішнє збурення як періодичну комлекснозначну функцію. Звичайно, вважаємо х заданою дійсною величиною, а дійсне зовнішнє збурення буде
(8)
Вважаємо, що і невідоме У також комлекснозначна величина
(9)
При підстановці (7,9 ) у (6) отримуємо звичайне алгебраїчне комлекснозначне рівняння

на амплітуди х, у
(10)
Тут праву і ліву частину скорочено на спільний множник . Розв’язуючи це рівняння, отримуємо

(11)
Тут – комлекснозначна функція, відома під назвою передавальної функції. Абсолютна величина називається амплітудно-частотною функцією (АЧХ) і, як і передавальна функція широко застосовується як в механіці, так і в електро- та радіотехніці. На рис.3 наведені значення цією функції для моделі на рис.3 при різних значеннях коефіцієнта с який відомий як коефіцієнт в’язкого демпфування.

Рис. 3. АЧХ одномасової системи
Таке демпфування як найпростіше для числового аналізу застосовується у численних моделях машин. Навіть складніші випадки демпфування у багатьох випадках вдається звести до цього випадку. Демфування, або розсіювання енергії майже завжди відбувається у будь якій машині, як за рахунок внутрішнього тертя, так і за рахунок спеціальних демпферів, наприклад гідроамортизаторів чи гумових елементів чи тертя у з'єднаннях.

З рис.3. можна помітити, що зменшення вібрації на сидінні водія відбувається лише при частотах збурень, що вищі майже удвічі за резонансну частоту. Тобто, щоб покращити віброзахист водія, потрібно зменшувати жорсткість пружини. Проте це значення неможна зменшувати як завгодно. Потрібно зберігати положення водія при деяких типових рухах: тормозінні, розгоні. Це накладає обмеження на рівень зменшення жорсткості. При відомих характеристиках вібрації і інших (програмних) динамічних збуреннях існують методи оптимального проектування амортизації сидіння водія [Л], які визначають певні значення жорсткості пружини та величини демпфування.
  1   2   3   4   5

Схожі:

Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconМіністерство агропромислової політики України Полтавська державна...
Основною метою курсового проектування є одержання навичок використання загальних методів дослідження І проектування при аналізі та...
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях icon2. Загальна задача лінійного програмування та деякі методи її
Дисципліна має практичну спрямованість щодо вирішення питань оптимального розподілу обмежених ресурсів, вибору оптимального варіанта...
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconНавчальний посібник до курсового проекту з деталей машин (для студентів...
Розрахунок І проектування циліндричних редукторів для підйомно-транспортних машин
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconЛекція Холодний ресайклінг Вивчимо різні методи холодного ресайклінгу...
Відзначимо переваги цієї технології, а також розглянемо найбільш важливі фактори, що впливають на вибір її оптимального варіанту...
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconПрактична робота №4 проектування приміщення відділу інформаційних технологій мета роботи
Мета роботи: засвоїти методику І методи розрахунку необхідних санітарних умов праці робочого місця оператора персонального комп'ютера...
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconПлан загальна характеристика механізмів енергоутворення. Креатинфосфокіназний...
Послідовність залучення енергосистем при різних фізичних навантаженнях І її адаптація в процесі тренування
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconМета роботи: вивчити та експерементально перевірити основні методи...
При розрахунках електричних кіл широко застосовують метод еквівалентних перетворень, який полягає в тому, що окремі ділянки кола...
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconВ першу чергу обладнуються майданчики для стоянки машин І ктп
Ктп організується у випадках компактного розташування частини І розчіщується біля основного виїзду із парку. При роззосередженому...
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях iconДержавні будівельні норми україни система забезпечення надійності...
Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель, споруд, будівельних конструкцій та основ
Методи розрахунку та оптимального проектування надійності мобільних машин при динамічних навантаженнях icon1. Методи розрахунку зон ураження від техногенних вибухів І пожеж...
Тема Методи розрахунку зон ураження від техногенних вибухів І пожеж та противибуховий І протипожежний захист ог
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2015
звернутися до адміністрації
skaz.com.ua
Головна сторінка