Система поддержки принятия решений

 

Обычно валы нагружаются значительной внешней нагрузкой, которая может быть смоделирована системой параллельных сосредоточенных поперечных и продольных сил, а также сосредоточенных моментов кручения и изгиба. Кроме того, валы могут быть нагружены системой распределенных поперечных нагрузок. Если вал не имеет касательных напряжений от кручения, его называют осью. Еще раз уточним: валы предназначены для поддержания вращающихся деталей и передачи момента вращения. Все сказанное выше относится к валам с прямолинейной осью.

Существуют также валы с нелинейной геометрической осью, называемые коленчатыми. Очевидно, что коленчатый вал может быть смоделирован либо пространственной рамной конструкцией, либо трехмерной пластинчато-стержневой. И в том и в другом случае для комплексного анализа коленчатых валов можно использовать модули системы WinMachine, такие как WinFrame3D и WinStructure3D соответственно.

 

Расчет и проектирование валов и осей с прямолинейной осью

Остановимся более подробно на расчете и проектировании валов и осей с прямолинейной осью, доля которых составляет примерно 98% общего числа валов, проектируемых в современном машино- и приборостроении.

Проектирование валов и осей предполагает определение большого количества различных параметров, которые используются для анализа его состояния при нагружении. Это можно сделать, если использовать возможности встроенного в систему постпроцессора, позволяющего просмотреть следующие результаты расчета:

• реакции в опорах валов;

• эпюры моментов изгиба и углов изгиба;

• эпюры моментов кручения и углов закручивания;

• деформированное состояние вала;

• напряженное состояние при статическом нагружении;

• коэффициент запаса усталостной прочности;

• распределение поперечных сил;

• собственные частоты и собственные формы вала.

С помощью специализированных графических средств выполняется процедура подготовки исходных данных. Для получения перечисленных выше выходных характеристик необходимо надлежащим образом подготовить исходные данные. От того, насколько легко это сделать, во многом будет зависеть возможность практического использования программного продукта. Понимая это, для задания геометрии вала мы разработали специализированный редактор, построенный на принципах объектно-ориентированного программирования.

В специализированном редакторе предусмотрен ввод геометрии и опор различных типов. Имеется также возможность задания силовых факторов в произвольной точке на оси вала, представленных в виде сосредоточенных сил в двух взаимно перпендикулярных плоскостях:

• сосредоточенных моментов изгиба в этих плоскостях;

• распределенных пространственно-ориентированных сил;

• моментов вращения.

Помимо этого для выполнения динамических расчетов предусмотрен ввод дополнительных масс, влияющих на характер поперечных колебаний вала. Можно ввести дополнительно моменты инерции, от которых в значительной степени зависят величины и характер крутильных колебаний. Задаваемые массы и моменты инерции позволяют моделировать внешние детали, установленные на валах. Следует отметить, что собственная масса вала при выполнении динамического расчета учитывается автоматически.

Основное отличие графического редактора валов модуля WinShaft от традиционных заключается в специальном наборе примитивов, с которыми он оперирует. К ним относятся основные элементы конструкции вала, такие как цилиндрические и конические участки, фаски, галтели, канавки, осевые отверстия, участки с резьбой, шпоночные канавки, шлицы и т.д. Такой подход значительно упрощает ввод и редактирование геометрии вала и других данных, необходимых для выполнения расчетов.

Геометрические параметры можно существенно дополнить размерами, техническими требованиями, чистотой обработки и т.п., если данные геометрии экспортировать в плоский графический редактор оформления конструкторской документации APM Graph, разработанный в НТЦ АПМ. В результате некоторой доработки можно получить полноценный чертеж вала или оси, который можно вывести на печать либо экспортировать в другую графическую среду по выбору пользователя, например в систему КОМПАС, AutoCAD или в любую другую графическую среду, поддерживающую формат DXF (рис. 4).

 

Рис. 4. Чертеж вала, экспортированный и оформленный в графическом редакторе APM Graph

 

Методы и критерии расчета

Напряженное и деформированное состояния вала рассчитываются известными из курса «Сопротивление материалов» методами. Деформации вала находятся методом Мора, а раскрытие статической неопределимости выполняется методом сил. При этом степень статической неопределимости не ограничена. Система одинаково хорошо считает вал как установленный на двух опорах, так и на двух десятках опор. Опоры при этом могут быть как абсолютно жесткими, так и податливыми с заданной жесткостью. Статическая прочность оценивается по эквивалентным напряжениям, полученным энергетическим методом, известным на Западе как гипотеза Мизеса. Динамические характеристики, такие как собственные частоты и собственные формы, определяются методом начальных параметров.

Расчет усталостной прочности сводится к нахождению коэффициента запаса в текущем сечении по длине вала, причем как при постоянной внешней нагрузке, так и в случае, когда известен закон ее изменения во времени. Для учета переменности режима работы вала можно использовать специализированный графический редактор, входящий в комплект предлагаемого программного обеспечения.

В состав системы входит локальная база данных по материалам, содержащая необходимые для расчета вала параметры, такие как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность и др.

Как было указано выше, инструменты системы WinMachine позволяют выполнять расчеты, связанные с оценкой напряженно-деформированного состояния коленчатых валов. Такие валы представляют собой конструкции, состоящие из кусочно-линейных участков, не лежащих на одной прямой. Подобного рода объекты могут быть рассчитаны с помощью модулей WinFrame3D или WinStructure3D. Коленчатый вал конструктивно ближе к рамной конструкции и может быть представлен в виде набора стержней или комбинации пластин и стержней.

 

Динамические характеристики вала можно рассчитать и с помощью модуля WinFrame3D. Под расчетом динамических характеристик подразумеваются определение собственных частот и собственных форм колебаний, а также расчеты вынужденных колебаний при произвольном изменении вынуждающей внешней нагрузки. Модуль позволяет получить не только численные значения, характеризующие работу вала, но и просмотреть поведение вала в анимационном режиме, в котором кроме картины изменения его формы во времени имеется возможность наблюдать и за изменением наибольших напряжений в сечении. Такие возможности позволяют всесторонне описать поведение вала и получить исчерпывающую информацию о его работоспособности.

Необходимо отметить и тот факт, что кроме обычных валов с помощью модуля WinShaft можно выполнить всесторонний расчет торсионных, которые являются конструктивной разновидностью валов. Для их расчета не предусмотрено никаких специальных инструментов, поскольку для этого вполне достаточно функций, используемых в общем случае.

Оптимизация конструкции вала

Главной целью любого проектирования является выбор наиболее подходящей конструкции. Это понятие достаточно емкое. Применительно к валу оно означает, во-первых, что его конструкция должна быть равнопрочной, причем при расчете как на статическую прочность, так и на выносливость. Во-вторых, одной из важных характеристик вала является его жесткость, а в отдельных случаях и устойчивость. В-третьих, валы должны работать вдали от резонансных частот и т.д. Кроме того, при проектировании валов следует принимать во внимание экономическую сторону вопроса. Это означает, что будучи технологичной, конструкция должна иметь минимальные вес и стоимость.

Модуль WinShaft был разработан для реализации именно этих целей и, следовательно, идеально подходит для выполнения всестороннего анализа вала. Разумеется, получить равнопрочную конструкцию вала невозможно, но создать форму вала, наиболее близкую к равнопрочной, при использовании инструментов НТЦ АПМ реально. Конструкции валов, спроектированные непосредственно с применением наших инструментальных средств, оказываются самыми рациональными по отношению к другим, к тому же достигается это при наименьших материальных вложениях. Инструменты достаточно просты в применении и не требуют специальной подготовки пользователей.

Особо следует сказать о подготовке инженерных кадров и кадров среднего звена. WinShaft и другие наши программы идеально подходят для организации учебного процесса и демонстрации неограниченных возможностей автоматизированного проектирования с целью получения оптимальных конструкций. Это очень важно еще и потому, что на рынке программного обеспечения подобных российских аналогов в настоящее время не существует.

 

3.Описание программного продукта ANSYS.

 

Программа ANSYS предлагает широкий спектр возможностей конечно элементного анализа, начиная от простого линейного стационарного анализа и заканчивая комплексным нелинейным анализом переходных процессов. Справочные руководства набора документации ANSYS описывают специфичные для разных инженерных дисциплин методы решения задач. Несколько следующих разделов данной главы охватывают общие для большинства решаемых задач этапы.

Решение типичной для ANSYS задачи включает следующие три этапа:

1. Построение модели.

2. Задание нагрузок и  получение решения.

3. Обзор результатов.

1.2. Построение модели.

На построение конечно элементной модели уходит больше времени, чем на выполнение любой другой части анализа. В начале вы задаете имя решаемой задачи и заголовок анализа. Затем, используя препроцессор PREP7, определяете типы элемента, вещественные константы элемента, свойства материала и геометрию модели.

1.2.1. Задание имени и заголовка анализа.Выполнение этого этапа не является обязательным для проведения анализа.

1.2.1.1. Задание имени.

Имя анализа идентифицирует, решаемую в ANSYS, задачу. После задания вами имени анализа, это имя становится первой частью имени всех, создаваемых при проведении анализа, файлов (расширение является идентификатором файла, например .db).

Использование индивидуального для каждого анализа имени позволяет избежать перезаписи файлов ранее решенных задач.

Если имя анализа не было задано, все файлы получают имя FILE или file, в зависимости от используемой операционной системы. Вы можете изменть, установленное по умолчанию, имя анализа следующим образом:

• Используя опцию задания имени при запуске ANSYS. Подробную информацию смотрите в ANSYS OperationsGuide.

• После запуска ANSYS воспользуйтесь одним из нижеприведенных методов:

Команда:

/FILNAME

   15GUI:

Utility Menu> File> Change Jobname

Команда /FILNAME действительна только на начальном уровне. Она позволяет изменить имя анализа даже в том случае, если вы уже задали имя при запуске ANSYS. Заданное имя применимо только к файлам открытым после использования /FILNAME и соответственно не применимо к уже открытым файлам. Если вы хотите запустить новые файлы (например, файл регистрации, Jobname.LOG, или файл ошибок Jobname.ERR) командой /FILNAME, задайте аргумент Key в /FILNAME равным единице. В противном случае, имя открытых файлов останется неизменным.

1.2.1.2. Задание заголовка  анализа.

Команда /TITLE (UtilityMenu>File>ChangeTitle), задает заголовок анализа. ANSYS размещает заголовок в графическом окне программы. Для задания подзаголовков используйте команду /STITLE. Подзаголовки сопровождают результат вычисления, и не отображаются в графическом окне.

1.2.1.3. Установка елиниц  измерения.

Программа ANSYS автоматически не устанавливает систему единиц для вашего анализа.

Исключением является анализ магнитного поля, в котором вы можете использовать любую систему единиц до тех пор, пока вы используете единую для всей вводимой информации систему единиц (системы единиц вводимых данных не должны быть противоречивы).

Для микро-электро механических систем (MEMS), где размерности порядка микронов, смотрите коэффициенты пропорциональности в SystemofUnits (система единиц) в ANSYS

Coupled-FieldAnalysisGuide (Руководство  по сопряженному расчету в ANSYS).

Используя команду /UNITS, вы можете установить маркер в базе данных ANSYS, указывающий на используемую систему единиц. Эта команда не переводит данные из одной системы в другую; служит в качестве записи для последующего обзора анализа.