Пример использования CAD/CAE-систем в быту, или История с дверной ручкой

Александр Башкатов
К.т.н., инженерно­технический институт ПГУ им. Т.Г Шевченко, доцент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, окончил в 1986 году физ.­тех. факультет Днепропетровского госуниверситета, инженер­механик по специальности «Производство летательных аппаратов», кандидатская диссертация на тему «Управление экологической безопасностью городских автотранспортных сетей (на примере г.Тирасполя)» ­защищена в Институте проб­лем моделирования в энергетике НАН Украины (г.Киев) в 2009 году.

Дмитрий Котиц
Инженерно­технический институт ПГУ им. Т.Г. Шевченко, старший преподаватель кафедры автоматизированных технологий и промышленных комплексов, окончил в 2009 году ИТИ ПГУ по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств в машиностроении».

Татьяна Юрочкина
Инженерно­технический институт ПГУ им. Т.Г. Шевченко, старший преподаватель кафедры машиноведения и технологического оборудования, окончила в 1982 году механический факультет Санкт­Петербургского государственного технологического института по специальности «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций».

Введение. Предыстория вопроса

Для открытия или закрытия входной двери в квартиру традиционно используются металлические ручки, устанавливаемые в фиксированных накладках. Ручки обеспечивают поворот углового фиксатора, передавая крутящий момент замку через квадратную крестовину. Крестовина имеет в своей конструкции пазы и выемки, в которых ручки фиксируются посредством винтов. Наряду с тем, что резьбовая часть винта входит в выемку крестовины, коническим торцом она расширяет паз, жестко заклинивая крестовину в ручке. В результате обеспечивается надежное двустороннее крепление ручек с замком. Это общие сведения о механизме и принципе его работы.

Такие ручки на планке APECS HP­85.0926­AL­GM/G [1] (рис. 1), изготавливаемые из сплава ЦАМ­4,
обладая хорошими внешними данными и технологическими параметрами (создаются литьем под давлением, имеют разнообразные элегантные формы), тем не менее, подвергаются значительным нагрузкам и частым поломкам, которые разработчиками, вероятно, недостаточно исследованы. Конструкция рассматриваемой в статье фурнитуры не учитывала тот факт, что полотно двери может иметь нестандартную ширину.

Рис. 1. Основные технические характеристики и внешний вид ручки Apecs

Рис. 2. Вид на крепление ручки к накладной планке Apecs

Рис. 3. Чертеж с базовыми размерами накладки с ручкой [1]

В результате это привело к поломке ручки, случившейся через месяц с момента установки комплекта на дверь. Перед анализом причин рассмотрим, как ручка фиксируется (см. рис. 1).

Крепление на планке осуществляется через цилиндрический буртик посредством пружинной скобы, вложенной в кольцевую канавку. В буртике сделаны пазы (шириной 3 мм), в которые устанавливается спиральная пружина, обеспечивающая возврат в исходное положение ручки после передачи крутящего момента крестовине. Пазы в торцевой части ручки выполнены на всю длину буртика, без радиальных переходов в углах (рис. 2).

Поскольку ширина дверного полотна оказалась равной 56 мм, что больше, чем у стандартной металлической двери, то при длине квадратной крестовины в 100 мм (рис. 3) зона контакта ручки и крестовины стала меньше.

Дополнительно отметим, что ось фиксирующего ручку винта направлена вниз. При частых вращениях происходит постепенное отвинчивание и выпадение винта. В зоне контакта ручки и квадрата возникает люфт, что, в свою очередь, приводит к снижению жесткости конструкции в целом.

В какой­то момент произошел скол части буртика, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Вид ручки Apecs с отломанным фрагментом буртика

Рис. 5. Другая дверная ручка с аналогичным дефектом

Причем данный факт неслучаен. Такая тенденция характерна и для других ручек подобной конструкции, поломка которых произошла ранее (рис. 5).

Схема крепления к накладной планке и материал таких ручек остались прежними, за исключением формы и цветовых решений. Ручка также получена литьем, что говорит о массовом производстве изделий.

Основная часть

Данная тема была предложена студентам Антону Червоненко и Алле Бойко (гр. ИТ12ДР65ПТ1) в качестве оригинальной задачи для участия в Международном конкурсе студенческих работ НТЦ АПМ в 2013 году [2].

По существу, нужно было смоделировать геометрию дверной ручки и проверить деталь на предмет соответствия условиям прочности. В ходе консультаций было решено:

• на основе аналога разработать электронную модель сборки ручки и накладной планки с крестовиной, шайбой и пружинным фиксатором;
• назначить деталям материал из базы;
• сформулировать и построить схему нагружения изделия;
• установить величины и характер действующих нагрузок;
• определить существующие ограничения;
• выполнить расчет конструкции на прочность;
• провести анализ полученных результатов.

Конечным результатом преду­­смат­ривалось получение конст­руктивно­технологических рекомендаций по улучшению конструкции.

Поскольку задача расчетно­графического характера, то для построения модели первоначально был задействован модуль АПМ Graph, входящий в набор инструментов системы АПМ WinMachine [3]. Однако обилие криволинейных форм и переходных сечений затруднило построение расчетной схемы в редакторе АПМ Graph.

После неудачных попыток студенты решили использовать систему геометрического моделирования КОМПАС­3D [4], в которой им удалось построить модели основных элементов и сборку конструкции (рис. 6).

Рис. 6. Модели деталей и ручка в сборе, созданные в КОМПАС-3D

Рис. 7. Конвертация файла и переход в САМ-систему

Расчет созданной модели был проведен во встроенном модуле АПМ FEM САЕ­системы АПМ WinMachine, функционал которой студенты изучают в ряде курсов. Предварительно модель подверглась конвертации в формат *.step, и полученный файл загрузили в среде АПМ WinMachine 2010 (рис. 7).

В приложении АПМ FEM [5] были определены точки закреп­ления, места приложения и параметры действующей нагрузки. При этом для расчета усилия, прикладываемого к ручке при повороте в дверном замке, студенты нашли забавное решение (рис. 8). Сведения о материале ЦАМ­4 были взяты из справочника [6] и с помощью модуля АПМ Base занесены в электронную базу для дальнейших расчетов.

Рис. 8. Схема измерения усилия открывания двери

Рис. 9. Критическое сечение ручки

Рис. 10. Параметры нагрузки и закрепления ручки

Нагрузка на ручку в реальности зависит от множества факторов: мест расположения и количества петель, их соосности, используемого материала, зазоров, пружины замка и др. В ходе эксперимента была установлена величина максимальной нагрузки при повороте ручки в крайнее положение — 420 Н/м.

Характер разрушения показал, что наиболее критичным местом в плане прочности является часть детали, определяемая сечением буртика (рис. 9).

В качестве нагружаемых участков выбрана наружная поверхность рукоятки (Грани:1), закрепляемые участки — зона контакта с квадратной крестовиной (Грани:2), для которых перемещение было запрещено (рис. 10).

Далее в модуле АПМ FEM построена конечно­элементная сетка модели (рис. 11) и выполнены расчеты, результаты которых отражены на рис.12 и 13.

Рис. 11. Конечно-элементная сетка модели и данные разбиения

Рис. 12. Результаты статического анализа

Рис. 13. Инерционные характеристики модели

Выводы

Следует отметить, что до этого студенты, применив классическую методику, изложенную в [7], использовали упрощенную схему нагружения, по которой выполнили теоретические расчеты, построили эпюры нагрузок и моментов. Эти результаты отражены в отчете к конкурсному заданию.

Проверка расчетных значений с помощью САD/CAE­систем показала, что условие прочности для заданного материала, определяемого формулой (1), и схемы нагружения прототипа детали теоретически выполняются (рис. 14).

Рис. 14. Проверка условия прочности

smax £ [s]            (1)

Наиболее вероятными причинами разрушения ручки могли стать:

• нештатные условия эксплуатации — повышенный люфт в месте крепления вследствие ослабления винта;
• уменьшение длины контактной площадки ручки и квадратной крестовины вследствие увеличения толщины двери;
• случайные технологические дефекты, образовавшиеся в металле после отливки.

В качестве конструктивного решения вопроса было предложено увеличить длину квадратной крестовины (L=120 мм) и изменить расположение фиксирующего винта относительно оси квадрата на 180°. Во избежание его вывинчивания из детали — ужесточить посадку и установить винт на клей. Прямоугольная форма паза также является концентратором напряжений, поэтому желателен радиальный переход у основания паза или замена его круглым отверстием.

Список использованной литературы:

1. Ручки на планке HP­85­09XX­AL / 00006444_чертеж с базовыми размерами накладки с ручкой.pdf [Электронные данные] / Электронный ресурс — Режим доступа: http://www.apecs.info
2. Итоги XIV ежегодного конкурса студенческих работ 2014 года / Конкурсы и олимпиады [Электронные данные] / Электронный ресурс — Режим доступа: http://apm.ru/sobitiya/konkursi_i_olimpiadi/show_news/39/
3. АПМ WinMachine [Электронные данные] / Электронный ресурс — Режим доступа: http://apm.ru/produkti/programmnie_kompleksi/sistema_rascheta_proektirovaniya_obektov_mashinostroeniya/
4. Система трехмерного моделирования КОМПАС­3D [Электронные данные] / Электронный ресурс — Режим доступа: http://kompas.ru/kompas­3d/about/
5. Свойства и характеристики ЦАМ4­1 [Электронные данные] / Электронный ресурс — Режим доступа: http://metallicheckiy­portal.ru/marki_metallov/zin/CAM4­1/?gmk=quqset&gmd=25&gid=1
6. АПМ FEM. Руководство пользователя. [Электронные данные] / Электронный ресурс — Режим доступа: http://apm.ru/downloads/documents/APM%20FEM.pdf
7. Каримов И. Сопротивление материалов / Электронный учебный курс для студентов очной и заочной формы обучения (Лекция 7. Сложное сопротивление) [Электронные данные] / Электронный ресурс — Режим доступа: http://www.soprotmat.ru/sloz.htm. 

САПР и графика 7`2015