7 - 2006

Итоги VI ежегодного конкурса на лучшую студенческую работу с использованием системы APM WinMachine

Александр Замрий, Елена Стайнова

Ежегодно научно-технический центр АПМ проводит ставший уже традиционным конкурс на лучшую студенческую работу с использованием системы автоматизированного проектирования APM WinMachine. К участию в конкурсе допускаются курсовые, дипломные, а также научные и инициативные работы студентов вузов и техникумов России и стран СНГ, выполненные с применением расчетных и графических модулей системы APM WinMachine. Следует отметить, что сегодня российская система автоматизированного проектирования APM WinMachine используется в учебном процессе более чем в 300 вузах, колледжах и техникумах России и стран СНГ. Степень оснащенности российских вузов этим программным продуктом такова, что примерно три из четырех учебных заведений технического, технологического и естественно-научного профилей используют его в учебном процессе, а также при проведении научных исследований.

В этом году в конкурсе студенческих работ приняли участие студенты и выпускники многих вузов и одного колледжа, география которых весьма обширна. Среди них — дипломные проекты выпускников Карачаево-Черкесской государственной технологической академии (г.Черкесск), МГТУ им. Н.Э.Баумана (г.Москва), Уральского государственного горного университета (г.Екатеринбург) и курсовые проекты студентов Башкирского государственного аграрного университета (г.Уфа), Донецкого национального технического университета (Украина), Иркутского государственного технического университета, Тульского государственного университета, Российского университета дружбы народов (г.Москва), Уфимского государственного нефтяного технического университета и Уфимского государственного авиационного технического университета.

Отдельно следует отметить дипломную работу, поступившую из Бутурлиновского механико-технологического колледжа (Воронежская обл., директор — А.В.Крячко). Эта работа, выполненная на кафедре общетехнических дисциплин, по своему уровню вполне сопоставима с курсовыми и дипломными работами студентов вузов.

Всего на конкурс было представлено 19 работ. Всем участникам конкурса будут выданы памятные дипломы, а авторы и руководители работ, занявших призовые места, кроме того, получат денежную премию. В этом году принято решение учредить также несколько поощрительных премий, награжденные которыми получат комплекты учебно-методической литературы, изданной в НТЦ АПМ.

В состав конкурсной комиссии были включены представители профессорско-преподавательского состава ведущих вузов, а также представители промышленности (все — из числа пользователей системы APM WinMachine). По традиции председателем конкурсной комиссии является Владимир Васильевич Шелофаст, генеральный директор НТЦ АПМ, докт. техн. наук, профессор кафедры «Детали машин» МГТУ им. Н.Э.Баумана. В результате работы конкурсной комиссии было принято решение присудить одну первую, три вторых и три третьих премии.

Первой премии удостоилась дипломная работа Наталии Бариновой, выпускницы Уральского государственного горного университета, за исследование напряженно-деформированного состояния рукояти карьерного экскаватора с ковшом вместимостью 16 м3 для всех основных положений и вариантов нагружения рабочего оборудования экскаватора (руководитель — доцент кафедры горных машин и комплексов Н.В.Савинова). Дипломная работа носит характер исследовательской; анализ напряженно-деформированного состояния рукояти дополняет техническую документацию, разработанную конструкторами фирмы «ОМЗ — Горное оборудование». Внешний вид опытного экземпляра экскаватора ЭКГ-1500Р представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид опытного экземпляра карьерного экскаватора ЭКГ-1500Р в сборочном цехе УЗТМ (Екатеринбург)

Рис. 1. Внешний вид опытного экземпляра карьерного экскаватора ЭКГ-1500Р в сборочном цехе УЗТМ (Екатеринбург)

Целью данной дипломной работы было снижение металлоемкости рукояти — основного элемента рабочего оборудования карьерного экскаватора. К рукояти крепится ковш экскаватора, которому от напорного механизма через рукоять передаются напорные усилия, а подъем ковша осуществляется с помощью механизма подъема. Для моделирования рукояти использовались пластинчатые конечные элементы, которыми моделировались и коробчатое сечение балок рукояти, и сам ковш. Было просчитано несколько наиболее характерных положений рукояти, в которых определялись напряжения, возникающие в ее элементах. На рис. 2 показана построенная с помощью модуля APM Structure3D расчетная модель рукояти карьерного экскаватора с действующими напряжениями этой модели. Выполненные в среде APM Structure3D расчеты позволили показать существующие запасы прочности и жесткости рукояти, а также дать рекомендации по совершенствованию металлоконструкции, а именно: снизить общий пакет толщины листов на силовых балках в среднем на 25% и использовать углеродистую сталь. Анализ карты напряжений, полученных при расчете усовершенствованной модели рукояти (с предложенной толщиной, но с прежними нагрузками), показал, что параметры прочности и жесткости будут оставаться в допустимых пределах.

Рис. 2. Карта эквивалентных напряжений рукояти экскаватора

Рис. 2. Карта эквивалентных напряжений рукояти экскаватора

Вторая премия присуждена Евгению Шабанову, выпускнику Карачаево-Черкесской государственной технологической академии, за дипломный проект на тему «Оптимизация конструкции кузова автомобиля “Ковбой” с последующим изменением дизайна автомобиля» (руководитель — зав. кафедрой технологии машиностроения А.Д.Мамбетов). Этот автомобиль-внедорожник выпускается на автомобильном заводе DERWAYS в Карачаево-Черкесии. Разработчики во многом пошли по пути его унификации с другими марками автомобилей. Задачей данного дипломного проекта была оптимизация формы и размеров кузова автомобиля с целью устранения его угловатости. Для этого необходимо было частично изменить саму конструкцию пространственного каркаса, чтобы автомобиль стал более обтекаемым.

Прочностной анализ проводился с помощью модуля APM Structure3D. Вначале была  создана стержневая модель каркаса автомобиля, затем проведена серия прочностных расчетов с целью анализа различных вариантов исполнения исследуемого каркаса. На рис. 3  изображен один из вариантов твердотельной модели каркаса внедорожника «Ковбой» после модернизации.

Рис. 3. Один из вариантов стержневой модели каркаса автомобиля «Ковбой» после доработки, выполненный в модуле APM Structure3D

Рис. 3. Один из вариантов стержневой модели каркаса автомобиля «Ковбой» после доработки, выполненный в модуле APM Structure3D

Вторую премию получила также научно-исследовательская работа студента Ильшата Рафикова, проведенная в Башкирском государственном аграрном университете под руководством старшего преподавателя кафедры сельскохозяйственных машин Э.В.Хангильдина, в которой исследовались усилия и деформации в раме полунавесного плуга. Модель плуга создавалась с помощью стержневых элементов. Сопротивление движению плуга моделировалось с помощью сосредоточенных сил в зависимости от типа обрабатываемого грунта. Был проанализирован базовый вариант — серийно выпускаемый плуг типа ПЛП-6-35. Оказалось, что он имеет конструктивные недостатки, приводящие в процессе работы к перекосу, а следовательно, к увеличению тягового сопротивления и повышенному расходу топлива. В работе Рафикова был представлен вариант модернизации этого плуга, в результате которого устраняются перекосы, возникающие при эксплуатации плуга, за счет небольшого перемещения кронштейнов навески и изменения расположения опорного колеса плуга. На рис. 4 продемонстрированы расчетная модель плуга в модернизированном варианте и карта результатов расчета внутренних силовых факторов. Анализ карты напряжений показывает, что усилия в кронштейнах навески выровнялись и стали практически одинаковыми.

Рис. 4. Твердотельная стержневая модель рамы полунавесного плуга GKG-6-35 и его карта нагрузок

Рис. 4. Твердотельная стержневая модель рамы полунавесного плуга GKG-6-35 и его карта нагрузок

Еще одна вторая премия присуждена дипломному проекту Юрия Луговцова, выпускника Уральского государственного горного университета. Данная работа  посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния двуногой стойки надстройки карьерного экскаватора ЭКГ-1500Р. Проект выполнен под руководством доцента кафедры горных машин и комплексов Н.В.Савиновой по заказу фирмы «ОМЗ — Горное оборудование».

Рис. 5. Твердотельная модель двуногой стойки надстройки карьерного экскаватора ЭКГ-1500Р, выполненная из объемных конечных элементов, и карта напряжений

Рис. 5. Твердотельная модель двуногой стойки надстройки карьерного экскаватора ЭКГ-1500Р, выполненная из объемных конечных элементов, и карта напряжений

Надстройка экскаватора является несущей конструкцией, предназначенной для удержания стрелы экскаватора под заданным углом к горизонту и воспринимающей нагрузки от веса стрелы и от воздействующих на нее усилий со стороны подъемных канатов. На рис. 5 показана модель надстройки, построенная из объемных конечных элементов, и карта возникающих в ней эквивалентных напряжений. Выполненные в среде APM WinMachine расчеты позволили выявить области, в которых уровень эквивалентных напряжений превосходит средний уровень по всей конструкции. В работе даны рекомендации по устранению имеющих место концентраторов напряжений. Кроме того, проведена оценка экономической эффективности внедрения расчетных модулей системы APM WinMachine на этапе проектирования новой экскаваторной техники.

Третьей премией отмечен Сергей Гриднев, выпускник Бутурлиновского механико-технологического колледжа, за исследование прочностных параметров рамной конструкции станины мини-мельницы (руководитель — зав. лабораторией автоматизированного проектирования А.К.Вылегжанин).

Известно, что в настоящее время, в связи с переходом от жесткой плановой экономики к рыночной, существенно возросла потребность в строительстве малых мельниц и крупяных заводов. Задачей данного проекта стала разработка базового варианта конструкции станины мини-мельницы, на которой может размещаться все ее оборудование. В работе проведен комплексный анализ станины действующей мини-мельницы, а затем предложена реконструкция станины под оборудование, предлагаемое к установке. С помощью модуля APM Structure3D разработано и просчитано несколько вариантов конструкции станины. Найден оптимальный вариант повышения производительности мельницы — с 1500 до 3500 кг/ч. Для оптимального варианта определены допускаемые напряжения конструкции, ее устойчивость и максимальные перемещения в узлах. Разработана рабочая документация проекта и полностью оформлена конструкторская документация (в модуле APM Graph). На рис. 6 представлена твердотельная стержнево-пластинчатая модель оптимизированной конструкции станицы мини-мельницы, построенная в модуле APM Structure3D, а на рис. 7 —  карта эквивалентных напряжений. Показ пластин на этом рисунке отключен с тем, чтобы они не заслоняли изображение стержневых элементов конструкции, в которых возникают основные напряжения.

Рис. 6. Твердотельная стержнево-пластинчатая модель модернизированной конструкции станины мини-мельницы

Рис. 6. Твердотельная стержнево-пластинчатая модель модернизированной конструкции станины мини-мельницы

Третью премию получил А.В.Земцов, выпускник Уральского государственного горного университета (руководитель — Н.В.Савинова), за разработку стрелы новой горной машины — кранлайна. Работа выполнена по техническому заданию Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.

Рис. 7. Карта эквивалентных напряжений в стержнях станины мини-мельницы

Рис. 7. Карта эквивалентных напряжений в стержнях станины мини-мельницы

Рис. 8. Карта эквивалентных напряжений в элементах стрелы кранлайна

Рис. 8. Карта эквивалентных напряжений в элементах стрелы кранлайна

Кранлайн создавался на базе стандартного драглайна, в конструкцию которого внесены значительные изменения. Кранлайн, так же как и драглайн, содержит стрелу, на которой подвешивается ковш. Ковш забрасывается в карьер, а затем вытягивается вместе с породой. В работе Земцова произведен расчет базового варианта стрелы драглайна и представлена оптимизация ее поперечных сечений. При расчете широко использовались такие элементы, как канаты, для которых задавалась величина предварительного натяжения. На рис. 8 показана карта эквивалентных напряжений конструкции стрелы при подъеме ковша, заполненного породой. Спроектированная с помощью APM WinMachine стрела отвечает условиям прочности и выносливости. Автор сделал вывод, что использование комплекса APM WinMachine позволяет весьма значительно сократить сроки проведения проектировочных и проверочных расчетов, а также намного повысить их качество, что, в свою очередь, станет стимулом к разработке нового отечественного оборудования, которое станет достойным конкурентом зарубежным машинам.

Еще одной третьей премией награждена Елена Орлова, студентка Уфимского государственного нефтяного технического университета (руководитель — доцент кафедры горной и прикладной механики В.В.Васильев), которая провела расчет корпуса химического реакционного аппарата на статическую прочность, устойчивость и устойчивость к вибрации. Внутри аппарата находится 40% водный раствор серной кислоты. На корпус реакционного аппарата действуют внутреннее избыточное давление и давление в рубашке охлаждения. Расчет проводился как аналитическими методами, согласно которым корпус представлялся как совокупность гладких оболочек обечайки, конического днища и эллиптической крышки, так и с применением модуля прочностного расчета APM Structure3D, в котором реализован метод конечных элементов. Построение корпуса в модуле APM Studio и дальнейший расчет в модуле APM Structure3D позволили учесть в расчете сложность формы в виде присутствия фланца, люка-лаза, опор-лап и привода.

На рис. 9 изображена расчетная модель аппарата, выполненная из оболочечных элементов, а также карта напряжений при наличии избыточного давления внутри, а также коэффициент запаса устойчивости и форма потери устойчивости при наличии внешнего избыточного давления в рубашке охлаждения. Виброустойчивость оценивалась по наличию или отсутствию резонансных явлений в корпусе аппарата при воздействии на него внешних воздействий со стороны механического перемешивающего устройства. Проведенное исследование влияния сложности формы на прочность и устойчивость корпусов химических аппаратов повышает точность расчетного прогнозирования и тем самым позволяет снизить металлоемкость конструкций.

Рис. 9. Карта напряжений модели реакционного аппарата, а также коэффициент запаса устойчивости и форма потери устойчивости

Рис. 9. Карта напряжений модели реакционного аппарата, а также коэффициент запаса устойчивости и форма потери устойчивости

Одна из наиболее интересных курсовых работ, удостоенная поощрительной премии, выполнена А.А.Пустовым, студентом Донецкого национального технического университета (руководители — зав. кафедрой основ проектирования машин профессор В.Г.Нечепаев, ассистент В.А.Голдобин), на тему «Проектирование редуктора привода скребкового конвейера СП63М». Скребковый конвейер предназначен для доставки угля из очистного забоя. Редуктор скребкового конвейера — трехступенчатый. Дополнительно проведен расчет объемной деформации зуба зубчатого колеса методами конечных элементов и аналитическим методом, основанным на теореме Кастильяно. Расчет элементов редуктора скребкового конвейера и их оптимизация производились с помощью модулей APM Trans, APM Shaft, APM Bear, а отрисовка спроектированных элементов осуществлялась в чертежно-графическом редакторе APM Graph. На рис. 10 представлен сборочный чертеж спроектированного коническо-цилиндрического редуктора.

Рис. 10. Сборочный чертеж спроектированного коническо-цилиндрического редуктора, выполненный в чертежно-графическом редакторе APM Graph

Рис. 10. Сборочный чертеж спроектированного коническо-цилиндрического редуктора, выполненный в чертежно-графическом редакторе APM Graph

Кроме того, поощрительными премиями награждены следующие работы:

•  И.А.Ромова и А.Б.Максимовой, студентов Иркутского государственного технического университета, выполненные под руководством доцента кафедры сопротивления материалов и строительной механики В.Б.Распопиной и посвященные анализу прочностных и жесткостных характеристик балочных элементов конструкции, испытывающих прямой изгиб;

•  Антонио Виейра (Ангола), студента Российского университета дружбы народов, за создание параметрической модели бесконтактной фрикционной электромагнитной муфты в модуле APM Graph (руководитель — доцент кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов В.В.Соловьев).

Дипломами участников конкурса были награждены:

•  А.Аверков, Тульский государственный университет, курсовой проект «Проектирование привода главного движения металлорежущего токарного станка» (руководитель — доцент кафедры автоматизированных станочных систем Д.И.Троицкий);

•  А.Коева, Уфимский государственный авиационно-технологический университет, курсовой проект «Расчет косозубой цилиндрической передачи в системе APM WinMachine» (руководитель — доцент кафедры ОКМиМ С.М.Минигалеев);

•  А.Ольхов, Уфимский государственный авиационный технический университет, курсовой проект «Расчет группового болтового соединения на примере трубопровода» (руководитель — доцент кафедры ОКМиМ С.М.Минигалеев);

•  О.Белякова, МГТУ им. Н.Э.Баумана, дипломный проект «Технологическое и инструментальное обеспечение изготовления детали «Корпус» (руководитель — доцент кафедры МТ-2 А.И.Овчинников);

•  Д.Левченко, МГТУ им. Н.Э.Баумана, дипломный проект «Проектирование ракеты-носителя среднего класса с многоразовой частью» (руководитель — доцент кафедры СМ-1 Ю.А.Воробьев);

•  М.С.Мышов, Донецкий национальный технический университет, курсовой проект «Проектирование редуктора привода скребкового конвейера СП63М в среде APM WinMachine» (руководители — заведующий кафедрой основ проектирования машин профессор В.Г.Нечепаев, ассистент В.А.Голдобин);

•  Ю.А.Чикаленков, Донецкий национальный технический университет, курсовой проект «Проектирование привода цепного конвейера механообрабатывающего участка в среде APM WinMachine» (руководители — ассистент В.А.Голдобин, ассистент А.Н.Гнитько);

•  И.С.Каракуц, Донецкий национальный технический университет, курсовой проект «Расчет коробки скоростей радиально-сверлильного станка с ручным управлением с использованием APM WinMachine» (руководители — доцент В.П.Цокур, ассистент В.А.Голдобин).

В заключение хочется отметить тот факт, что все большее количество  студентов высших и средних специальных учебных заведений выполняют курсовые и дипломные проекты и научно-исследовательские работы с использованием современных программных продуктов, которые позволяют выполнять проектно-конструкторские работы на гораздо более высоком уровне, и в результатах этих работ действительно заинтересована промышленность. Очень приятно сознавать, что система APM WinMachine год от года становится все более совершенной и востребованной.

САПР и графика 7`2006