Проектирование. Производство. Типы организации производства Производство
 Скачать 128.17 Kb.
|
Использование электронных макетов при исследовании движения механизмовМоделирование кинематики Пространственные механизмы являются важной составляющей современной техники и производственных технологий, например, шасси самолетов и автомобилей, механизация крыла и механизмы управления самолетов, промышленные роботы-манипуляторы последовательной и параллельной структуры, стрелковое оружие, бытовая техника и т. д. Так как конструирование сложных механизмов осуществляется с использованием MCAD-систем, то логичным стало использование полученных геометрических моделей для моделирования и анализа их движения. Проектирование кинематики отличается высокой геометрической сложностью и в существенной степени определяет качество конечного продукта, стоимость его изготовления и эксплуатации. В 70-80-е годы, в период активного развития рабочих станций и их применения для проектирования изделий машиностроения, появились первые системы для динамического и кинематического анализа пространственных механизмов, такие как ADAMS, ANSYS Mechanical, COSMOS Motion и др. К настоящему времени эти системы получили признание специалистов и вошли в повседневную практику работы сотен тысяч инженеров. Инженерные системы моделирования кинематики обеспечивают возможность решения как прямых, так и обратных задач. Прямая задача заключается в том, чтобы по известным усилиям и другим характеристикам приводов (пневмо- и гидроцилиндров, электродвигателей и т. п.) определить скорости и траектории движения всех элементов, составляющих механизм. При решении обратной (часто употребляется термин инверсная) задачи - напротив: по известной или заданной траектории и скорости перемещения одного из звеньев (как правило, конечного) требуется определить траектории остальных звеньев, силы, действующие на них, и, соответственно, требуемые силовые и скоростные характеристики приводов. Еще одной важной задачей, решаемой в кинематических расчетных системах, является определение работоспособности механизмов: отсутствие заклиниваний, предупреждение нежелательных касаний и столкновений элементов механизма, вписывание механизма в заданные габариты. И наконец, моделирование кинематики обеспечивает решение задач не только анализа механизмов, но и их синтеза. По заданной траектории и циклограмме работы механизма можно рассчитать форму кулачков, направляющих, требуемые размеры звеньев рычажных механизмов, параметры зубчатых колес и т. п. Результаты таких вычислений могут быть использованы как эскизы для построения твердотельных моделей деталей с наперед заданной точностью. Применение кинематики при исследовании механизмов Заказчиком было предложено провести исследование поведения механизма оригинальной конструкции. Механизм представляет собой комбинацию вращающихся тел в виде колец, сопряженных друг с другом по схеме, типичной для конструкций традиционных гироскопов. При этом наружное кольцо имеет возможность свободного вращения относительно своей оси, которая, в свою очередь, может поворачиваться в одной плоскости. Среднее кольцо служит для передачи движения на внутренне кольцо, положение оси вращения которого фиксировано (см. рисунок). Равномерное вращение на наружное кольцо передается через зубчатое зацепление с быстроходного приводного вала, показанного на рисунке серым цветом (слева). Управляющий вал красного цвета (справа) обеспечивает возможность поворота поддерживающей наружное кольцо рамки и вместе с ней оси вращения наружного кольца. Вращение с внутреннего кольца снимется с помощью специальной конической магнитной муфты и передается на выходной вал голубого цвета (внизу). Было проведено моделирование работы описанного механизма при скорости приводного вала 60 об/мин и передаточном отношении 3 для различных фиксированных положениях поддерживающей рамки. Выявлено, что характер передачи движения существенно зависит от угла ее поворота. При расположении поддерживающей рамки в горизонтальной плоскости, когда ось вращения наружного кольца вертикальна, вращение на выходном валу равномерно, а его скорость соответствует передаточному отношению зубчатой передачи и составляет в рассматриваемом случае 120 град/сек. При повороте рамки от этого положение на некоторый угол начинает нарушаться равномерность скорости вращения выходного вала. Она обнаруживает незначительные периодические изменения, причем характер изменения скорости близок к синусоидальному с частотой, вдвое большей частоты вращения вала. График изменения скорости вращения выходного вала (град/сек) приведен на следующем рисунке. При дальнейшем повороте рамки пульсации скорости все заметнее отличаются от синусоидального закона (см. очередной рисунок). Наконец, при повороте от исходного положения на угол, близкий к 90 градусам, выходной вал начинает вращаться короткими рывками, что иллюстрирует последовательность импульсов на рисунке внизу. Когда ось вращения наружного кольца проходит горизонтальное положение, происходит перемена направления вращения выходного вала на противоположное. Это критическая точка, после прохождения которой, неравномерность вращения выходного вала постепенно снижается, приходя к полностью равномерному в момент, когда ось вращения наружного кольца снова принимает вертикальное положение. Следующий рисунок показывает, как изменяется скорость вращения выходного вала, если плавно осуществлять поворот рамки в процессе вращения приводного вала. На следующем рисунке для возможности сопоставления показаны графики поперечного смещения произвольных точек, взятых на поверхностях соответствующих валов, в момент перехода критической точки. Здесь цвет каждого графика назначен совпадающим с цветом соответствующего вала на приведенном вначале изображении конструкции. Как видно из рисунка, серая и красная кривые меняются по гармоническому закону, что говорит о равномерном вращении соответствующих валов, в то время как голубая кривая носит выраженный апериодический характер и имеет, перемежающиеся с пологими, крутые участки, что свидетельствует о высоких скоростях и существенной неравномерности движения выходного вала. В ходе исследования обнаружено, что конструкция оказывается чувствительной к положению внутреннего кольца, при котором происходит переход через критическую точку. В наиболее неблагоприятных случаях в это время может происходить удар, характеризуемый линейными ускорениями отдельных элементов конструкции в сотни g. Аэрогидродинамические расчеты Вычислительная гидрогазодинамика (CFD, Computational Fluid Dynamics) широко применяется как в традиционных для нее отраслях: авиации, судостроении, проектировании автомобилей, - так и при создании бытовой техники, полиграфического и медицинского оборудования и т. п. Расчеты осуществляются с использованием численных методов и алгоритмов для решения и анализа задач течений жидкостей и газов, как правило, состоящих в решении уравнений Навье-Стокса методами конечных объемов, конечных элементов, конечных разностей и др. Современные программные комплексы для моделирования течений в жидкости и газах позволяют рассчитывать широкий диапазон течений по числу Маха, многофазные и многокомпонентные течения, течения в несжимаемых жидкостях. При рассмотрении актуальных промышленных задач расчетная модель должна обеспечивать точную передачу геометрии без упрощений, характерных для задач расчета напряженно-деформированного состояния. В ряде случаев даже наличие геометрической симметрии в модели не позволяет рассматривать половину модели ввиду несимметричности течения. Это приводит к серьезному увеличению размерности и увеличению времени счета. Характерные размерности для задач внешнего обтекания могут быть до 50 млн элементов и более, в зависимости от детализированности геометрии и примененных расчетных моделей. Первоначально вычислительная гидроаэродинамика использовалась применительно к задачам проектирования авиационной, космической техники и судостроения. С развитием программных средств и повышением производительности настольных ПК она находит все более широкое применение и в других отраслях. Некоторые, ставшие привычными продукты было бы очень трудно спроектировать без ее использования, например струйные принтеры. Использование CFD при проектировании струйных принтеров оправдано и дает ряд преимуществ для изучения того, как форма, размер и скорость испускаемой капли зависят от таких параметров, как импульс управляющего давления, форма форсунки, коэффициент поверхностного натяжения, и многое другое. Вычислительная аэродинамика сегодня широко используется для проектирования систем вентиляции электроаппаратуры и помещений, оценки нагрузок на жилые и промышленные здания, мосты, гидротехнические сооружения и др. Электростатика и электродинамика В связи с массовым внедрением электронных устройств в состав практически любых изделий машиностроения, от сложной авиационной техники до бытовых приборов, задача моделирования электромагнитных полей, создаваемых этими устройствами, их взаимодействия между собой и влияния на окружающую среду стала как никогда актуальной. Поэтому большинство поставщиков интегрированных CAE-систем предлагают специализированные модули для ЗБ-моделирования работы электромагнитных и электромеханических изделий в низкочастотном приближении. Расчеты проводятся, как правило, методом конечных элементов, позволяющим решать уравнения прямым методом без каких-либо упрощений и предположений. Модули рассчитывают электрические и магнитные поля, моменты и силы, энергетические потери на вихревые токи, значения токов, напряжений, проводимостей, емкостей, индуктивностей в проектируемых электротехнических изделиях, расчет импульсных электромагнитных полей, возникающих в электрических устройствах при скачках напряжений и токов. |