1 - 2003

Использование современных САПР в конструкторском бюро

Виталий Муганцев, Алексей Березин

Динамический и кинематический анализ в MSC.visualNastran Motion

Исследование плавности хода колесно-гусеничной машины при отсутствии гусеничной цепи

Прочностной расчет в пакете Design Space

В настоящее время использование современной вычислительной техники на базе персональных компьютеров с помощью САПР позволяет на начальной стадии проектирования эффективно и быстро решать большой круг задач по выбору оптимальных характеристик машиностроительных конструкций. В Уральском конструкторском бюро транспортного машиностроения для такого вида работ применяются персональные компьютеры на базе процессоров Pentium 4; используются CAD-система SolidWorks, CAE-система кинематического и динамического анализа MSC.visualNastran Motion for SolidWorks (MSC Software), а также пакет для проведения инженерного анализа Design Space (ANSYS, Inc.). Геометрические твердотельные модели создаются конструкторами, расчетные модели выполняются специалистами отдела САПР, а анализ результатов и выбор конструкторских решений проводят ведущие специалисты КБ. Ниже приведены некоторые примеры решения задач, возникающих перед специалистами нашего КБ.

Динамический и кинематический анализ в MSC.visualNastran Motion

На нашем предприятии в течение последних двух лет в решении задач кинематики и динамики успешно используется расчетный пакет MSC.visualNastran Motion. Мы можем моделировать и исследовать практически все простые и достаточно сложные механизмы (естественно, в разумных пределах количества деталей, используемых в сборке), при этом где-то упрощая конструкцию.

Программа MSC.visualNastran относится к классу CAE-систем среднего уровня. Для ориентировочной оценки работоспособности конструкции возможностей программы вполне достаточно. Разумеется, данный расчетный пакет имеет свои границы применимости  — его проблематично использовать для анализа крупных сборок с большим количеством участвующих в контакте твердых тел из-за снижения качества и увеличения времени расчета.

Круг задач, решаемых расчетным отделом в области кинематики и динамики, достаточно велик: от анализа работы коробки передач экскаватора и динамики рабочего оборудования погрузчика до определения ускорений на месте механика-водителя и расчета усилий копания ковшом экскаватора (рис. 1, 2, 3).

Единственное, с чем у нас возникают проблемы в ходовой части колесно-гусеничной машины, — это гусеничная цепь. На данный момент в короткие сроки задачу анализа поведения гусеничной цепи при движении решить нельзя. Накинуть гусеничную ленту в виде реальных звеньев на два борта трудоемко и нецелесообразно, поскольку произвести расчет такой задачи практически невозможно из-за множества контактов твердых тел. Иногда бывает необходимо получить результат в течение двух-трех дней. Поэтому интерес представляет исследование плавности хода колесно-гусеничной машины массой М по неровностям высотой h и определение динамических нагрузок на опорные катки при отсутствии гусеничной цепи. Мы думаем, что с подобными проблемами по срокам и представлению результатов сталкиваются во многих расчетных отделах предприятий.

В начало В начало

Исследование плавности хода колесно-гусеничной машины при отсутствии гусеничной цепи

Целью данного исследования являлось определение ускорений на месте механика-водителя, то есть изучение плавности хода машины и реакций в шарнирах «корпус — балансир (торсион)» и «каток — балансир». Для этого моделировался динамический процесс пространственного поведения колесно-гусеничной машины (КГМ) при прохождении неровностей заданной высоты. Время, затраченное на весь процесс моделирования,  — 36 часов. При этом использовался компьютер Pentium III 800 MГц с 512 Mбайт оперативной памяти.

Дадим краткое описание модели колесно-гусеничной машины, используемой при проведении данного исследования. Модель была создана в SolidWorks с упрощенной прорисовкой отдельных элементов деталей, но с точно заданными массово-инерционными характеристиками (рис. 4). В расчетном пакете MSC. visualNastran Motion накладываются дополнительные условия, шарниры и связи.

Внешний вид расчетной модели колесно-гусеничной машины представлен на рис. 4. Кинематическая схема подвески показана на рис. 5.

Модель состоит из следующих звеньев:

  • башня с пушкой;
  • корпус машины;
  • цилиндр, имитирующий механика-водителя;
  • каток опорный (12 штук);
  • балансиры (12 штук);
  • рычаги амортизаторов (6 штук);
  • тяги амортизаторов (6 штук);
  • трасса с неровностями.

Звенья модели соединены следующими шарнирами:

  • башня и корпус соединены цилиндрическим шарниром, для упрощения расчета плоскости симметрии корпуса и башни совмещены, то есть относительного перемещения нет;
  • цилиндр механика-водителя соединен с корпусом цилиндрическим шарниром с двумя степенями свободы и подрессорен демпфером;
  • каток и балансир соединены цилиндрическим шарниром с одной степенью свободы;
  • тяга амортизатора и рычаг амортизатора соединены цилиндрическим шарниром с одной степенью свободы.

Между звеньями установлены следующие силовые элементы:

  • балансир и корпус соединены пружиной кручения, имитирующей торсионный вал;
  • цилиндр механика-водителя подрессорен демпфером;
  • рычаг амортизатора и корпус соединены пружиной кручения, жесткость которой функционально зависит от угловой скорости рычага амортизатора. Их также можно соединить цилиндрическим шарниром, а приложенную к рычагу амортизатора силу связать зависимостью с угловой скоростью рычага амортизатора;
  • каток и трасса имеют свойство Collide по отношению друг к другу, что увеличивает время расчета;
  • тяговое усилие. Крутящий момент от двигателя через трансмиссию передается на ведущие колеса, и гусеничная цепь приводит машину в движение. В отсутствие гусеничной цепи и ведущего колеса тяговое усилие, необходимое для движения, задается в виде сил, приложенных к корме корпуса машины на каждый борт. Функция Slider управляется численными значениями силы тяги в процессе расчета для получения необходимой скорости движения колесно-гусеничной машины.

Перед началом расчета мы установили функцию Meter (поставим датчики) для измерения нагрузок во всех шарнирах «каток — балансир» и «корпус — балансир» и начали измерять ускорение на месте механика-водителя. Таким образом, по окончании расчета были представлены графики зависимости силы и ускорения по времени. Результаты расчета были экспортированы в текстовый файл.

Для расчета без неровностей трассы можно установить между катком и трассой касание  — тогда не будет отрыва катков от поверхности и время расчета сократится в несколько раз.

Пренебрегать отсутствием гусеничной цепи, естественно, неправильно, но для решения нашей конкретной задачи это не критично, поскольку отрыв катков от грунта незначительный, а следовательно, натяжение ленты не будет оказывать влияния на крайние катки.

Развитые средства анализа позволяют нам в наглядной форме увидеть графики зависимостей и проанализировать движение колесно-гусеничной машины в реальном времени (рис. 6). Результаты расчета были проанализированы и признаны конструкторами-заказчиками вполне удовлетворительными для дальнейших исследований.

В начало В начало

Прочностной расчет в пакете Design Space

После моделирования динамических характеристик геометрическая модель деталей ходовой части, созданная в SolidWorks, передавалась в пакет Design Space для проведения инженерного анализа методом конечных элементов. Пакет Design Space имеет мощные средства генерации конечно-элементных сеток, задания граничных условий и визуализации полученных результатов. На этом этапе оценивалось напряженно-деформированное состояние деталей, а также выбирались оптимальные геометрические параметры деталей. Кроме того, у нас варьировался материал деталей. По результатам анализа были произведены конструкторские доработки. Примеры анализа некоторых деталей механизмов приведены на рис. 7, 8, 9.

В заключение отметим, что внедрение в нашем КБ современных систем моделирования и анализа изделий стало возможным благодаря нашему тесному сотрудничеству с компанией «Делкам-Урал» (г.Екатеринбург). Специалисты компании помогли нам в освоении пакетов и неизменно предоставляют нам высококвалифицированные консалтинговые услуги при решении задач, возникающих при проектировании новых сложных изделий.

«САПР и графика» 1'2003