Поиск решений оптимальной конфигурации несущих металлоконструкций с применением программного комплекса АРМ WinMachine
18-19 мая в НТЦ АПМ в г.Королёве Московской области прошел 5-й ежегодный форум «Современные компьютерные технологии проектирования механического оборудования и конструкций в среде APM WinMachine». На форуме наряду с сообщениями разработчиков о новых возможностях системы APM WinMachine были представлены доклады пользователей системы, посвященные опыту ее использования в различных отраслях промышленности (подробнее об этом рассказывалось в № 6‘2004).
Настоящая статья написана на основе доклада, сделанного на форуме профессором, заведующим кафедрой основ конструирования машин Донского ГТУ (г. Ростов-на-Дону) Анатолием Александровичем Андросовым и аспирантом этой кафедры Анастасией Валерьевной Ковалевой. В докладе рассказывалось о применении системы APM WinMachine для прогнозирования оптимальной рамной конструкции на примере нового зерноуборочного комбайна «Вектор», выпускаемого ОАО «Ростсельмаш».
Подходы к решению этой проблемы, которые были использованы авторами, можно применить и для поиска наилучших решений при создании несущих конструкций других машин.
В данной статье речь идет не просто о выборе геометрических размеров поперечных сечений, а о рациональном размещении силовых элементов, которые в таком случае при равных прочностных характеристиках имеют минимальный вес.
НТЦ АПМ и в дальнейшем намерен публиковать в журнале «САПР и графика» сообщения о разработках пользователей системы APM WinMachine, которые могут быть интересны широкому кругу специалистов в области расчетов и проектирования.
Очертание конфигурации структуры несущих металлоконструкций базируется на методе проб и ошибок, в результате чего оптимальные или просто приемлемые структуры утверждаются как многолетние инженерные наработки.
В современном мире рыночных отношений конкурентоспособность сложных мобильных машин и конструкций ставит перед проектировщиками задачи создания современных несущих металлоконструкций, способных по своим решениям, дизайну и показателям надежности противостоять уже существующим моделям. При этом необходимым условием является более низкая цена изделия, чем у конкурирующего аналога.
Наиболее приемлемым вариантом значительного уменьшения стоимости разработки является сокращение сроков, а следовательно, и расходов на создание сложной проектируемой системы.
Основой оптимизационного поиска для наиболее уязвимой части машины, определяющей ее надежность, следует считать качественный анализ напряженно-деформируемого состояния несущей системы. При этом возможно проведение поиска некоторой структуры, в результате чего должна быть получена оптимальная конфигурация каждого из ее элементов в пределах определенного уровня нагруженности. Эти исследования наиболее целесообразно проводить на базе конечно-элементных моделей, созданных с помощью специальных программных комплексов.
Опыт проведения аналогичных работ на кафедре основ конструирования машин Донского государственного технического университета показывает, что уже сегодня возможно проведение оценок надежности несущей системы на самом раннем этапе проектирования — на этапе эскизного проекта. Используемый в настоящее время метод конечных элементов позволяет достаточно эффективно решать эту задачу.
Наиболее хорошо адаптированным к решению такого рода задач, по нашему мнению, является программный комплекс АРМ WinMachine.
В общем случае поиск оптимальной металлоконструкции сводится к следующим задачам:
• нахождение оптимального очертания силового поля структуры несущей конструкции;
• замена этого поля стержневой или пластинчато-стержневой конструкцией;
• поиск оптимальной конструкции стержней по их локальным осям.
Синтез оптимальной структуры силовой схемы конструкции можно осуществить, если рассматривать ее как упругую непрерывную среду, которая включает все возможные схемы.
Модель проектной области размещения металла представляет собой упругую непрерывную среду, вписываемую в определенные очертания конструкции, которая аппроксимируется мембранными пластинчатыми (для плоских систем) или объемными элементами. Все агрегаты и узлы, не входящие в эту систему, заменяются своими массами и точками приложения весовых и инерционных нагрузок в глобальной системе координат.
Для плоских тонкостенных и пространственных конструкций в качестве конечных элементов используются четырехугольные и треугольные мембранные элементы. В заданную область вписывается упругая непрерывная среда, составленная из таких элементов достаточно малых размеров, в пределах которых можно пренебречь изменением усилий и напряжений.
Для облегчения создания конечно-элементной модели предлагается на начальном этапе создать геометрическую модель, состоящую из следующих примитивов: плоскостей (представляющих собой контуры проектной области размещения металла) точек приложения и мест закрепления.
Нагружение модели осуществляется весовыми нагрузками от всех учтенных масс. Нагрузки в перегрузочных режимах определяются как весовые с учетом коэффициентов динамичности, полученных по экспериментальным исследованиям машин-аналогов. На рис. 1 представлена такая модель нового зерноуборочного комбайна «Вектор» (Д 08.010), выпускаемого ОАО «Ростсельмаш».
В процессе эксплуатации сложных мобильных машин доминирующими принято считать нагрузки от агрегатов и их динамические приращения, которые действуют как в продольном, так и в поперечном направлении. Поэтому структуру силовой схемы машины предполагается представить в пространстве как двухконтурную: первый контур должен воспринимать вертикальные и продольные нагрузки, второй — обеспечивать требуемые свойства конструкции при действии поперечных сил. При описании такой системы в АРМ WinMachine желательно каждый контур описывать в отдельном слое.
Эксперименты, проведенные с различными конечными элементами, показывают, что наибольшую информативность и точность в решении можно получить, если моделировать обтягивающую поверхность в виде простых геометрических тел в пространстве, образующих ячеистую структуру (рис. 2).
Для конечной ячеистой структуры подходят структуры с эйлеровой характеристикой многоугольника X=0, а выбор размеров ячеек определяет полноту построения моделируемого объекта и точность расчетов.
Такой подход позволяет получить информацию об основных путях передачи сил в конструкции, выявить основные силовые элементы, особенности их работы и уровни напряжений в них. Высоконагруженные области образуют структуру, распределение металла внутри которой позволяет обеспечить эффективную работу при заданных внешних нагрузках (рис. 3).
Помещение металла в слабо нагруженные зоны нерационально, поскольку эти зоны не являются несущими по отношению к приложенной схеме нагрузок. Наложение ограничений по прочности и жесткости, оптимизация итеративного процесса поиска позволяют получить оптимальную структуру несущей конструкции при минимальной массе конструкции. С помощью итеративного стягивания металла, исключая из модели элементы, напряжение в которых не превышает некоторого заданного уровня, можно получить зоны повышенных напряжений, которые и предполагают ориентацию стержневой силовой схемы несущей системы. Причем эти работы проводятся последовательно для каждой из ориентаций плоскостей сотовых элементов.
Анализируя картину напряженного состояния, тот, кто принимает решение, определяет направление стержней с учетом конструктивных решений опор, поддерживающих рабочие органы машин и силового привода. Далее расчет переходит во вторую стадию, на которой необходимо определить оптимальную конфигурацию отдельно взятых стержней.
В качестве примера поиска оптимальной конфигурации несущей системы на рис. 4 и 5 показаны изменения конфигурации боковых панелей зерноуборочного комбайна «Вектор» в процессе комплекса расчетов. Всего было проведено более 70 итераций. В конечном результате силовые потоки были стянуты в пучки, на основе которых и было принято решение о направленности стержневых элементов (рис. 6).
«САПР и графика» 9'2000
