Технические науки/2. Механика

Райц Н.Р., Терлецкая А.М.

Карагандинский Государственный Технический Университет, Казахстан

Разработка автоматизированного метода динамического и прочностного анализов механизмов на основе применения САЕ-систем

Сложность расчета пространственных механизмов обусловила развитие методов, ориентированных на применение ЭВМ. На сегодняшний день разработан ряд универсальных и специализированных систем автоматизированного инженерного анализа, что значительно сокращает сроки выполнения необходимых расчетов, дает высокую точность вычислений.

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 и 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 быструю и удобную расстановку 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; прикладываются действующие усилия или другие проектные воздействия; исследуется 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, в следствии этого, не экспортируются в конечно-элементные 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.

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 пространственных механизмов с использованием САЕ-систем.

1. Формируется расчетная схема. Необходимые данные: кинематическая схема объекта, геометрия (межосевые расстояния или расстояния между центрами шарниров), предварительные весовые характеристики элементов, краевые (начальные и граничные) условия, силовые условия (нагрузки).

2. Кинематический и динамический анализ 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 анализ объекта. Уточнение расчетного случая и усилий.

На основе разработанной методики был проведен анализ модели пространственного манипулятора с 5-ю степенями свободы. Проведен кинематический, статический и динамический анализ механизма в системе ADAMS. Получены результаты в виде графиков и числовых значений перемещений, скоростей, ускорений в различных узловых соединениях механизма, а также всех приложенных и реакционных усилий и моментов. Отдельные элементы механизма (шарнирные соединения) были рассмотрены в системе ANSYS, где была построена конечно-элементная модель проушины.

Рассмотрены случаи возникновения контактных напряжений в элементах пространственных шарнирных узлов и соединений (вильчатой проушине). Решение проводилось в уточненной нелинейной постановке с учетом упругопластического деформирования материала и контактного взаимодействия поверхностей деталей. Решение нелинейных задач осуществлялось шагово-итерационным методом последовательных нагружений. Для описания пластического поведения использовалась билинейная модель с кинематическим упрочнением.

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 опытных экспериментов.

Литература:

1. Степанов П. Б., Нургужин М. Р., Альтер И. М. Основы автоматизированного расчета деталей методом конечных элементов. Караганда, 1988.

2. Сухарев И.П. Прочность шарнирных узлов машин. М.: Машиностроение, 1977.

3. Механика промышленных роботов: Учебное пособие для втузов: В 3 кн. / Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева 1978.