Autodesk Simulation Multiphisics – инструмент принятия эффективных конструкторских решений
эпиграф: ... и один в поле воин...
ОАО "СКБ ПА", начальник научно-исследовательского сектора, к.т.н., Пузанов А.В.
ОАО "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики" (ОАО "СКБ ПА") было образовано в 1995 году. Основа деятельности ОАО "СКБ ПА" - разработка изделий специального назначения и гражданской продукции. Уже более 10 лет все разработки компании ведутся на основе новых информационных технологий. Широкий спектр продукции бюро используются не только в России, но и за ее пределами.
Для эффективной работы такого рода в своем распоряжении необходимо иметь соответствующий инструмент анализа: либо "зоопарк" узкоспециализированного ПО, либо один-два универсальных.
Поскольку в ОАО "СКБ ПА" используются программные продукты Autodesk (Inventor и AutoCAD), то приоритет в выборе программных средств инженерного анализа отдается Autodesk Simulation Multiphisics, программному комплексу, позволяющему выполнять сложные междисциплинарные расчеты в единой информационной среде.
Ниже приводятся результаты работы Autodesk Simulation Multiphisics 2012 при моделировании режимов эксплуатации различных технических устройств.
Рис. 1. Autodesk Simulation Multiphisics 2012
Пульт управления.
Задача: определение устойчивости к механическим воздействиям:
- перегрузка 10g в рабочем и транспортном положениях;
- колебания, возникающие в узлах и деталях конструкции в рабочем и транспортных режимах;
- температурное воздействие окружающей среды в диапазоне -30°С...+50°С.
Пульты управления являются частью систем управления техническими объектами: металлургическими, мобильными робототехническими комплексами и другой гражданской и специальной техникой.
Рис. 2. 3D-модель пульта управления (на втором виде - без задней стенки).
1. Расчет 10-кратной перегрузки.
Поскольку изделие эксплуатируется в мобильной технике, ставится задача обеспечения запаса прочности при перегрузке порядка 10g, которая возникает как в процессе работы, так и при транспортировке.
Моделировались 3 случая воздействия перегрузки соответственно в трех основных направлениях x, y, z. Результаты представлены на рис. 3.
Рис. 3 . Напряжения в конструкции при 10-тикратной перегрузке (в направлениях X, Y, Z)
Как следует из результатов расчета, запас прочности по перегрузкам составляет не менее 5 (для варианта горизонтального транспортного положения).
2. Расчет собственных частот колебаний конструкции
В процессе эксплуатации на мобильных системах и при транспортировке пульты подвергаются воздействию вынужденных колебаний. Моделирование собственных частот колебаний изделия призвано обеспечить устойчивость к данному типу воздействия. Устойчивость обеспечивается конструктивными доработками, направленными на выведение критических частот колебаний за рабочий диапазон.
Определяли первые 10 собственных частот колебаний при воздействии максимальной нагрузки взаимодействия элементов в конструкции.
Рис. 4 Собственные частоты колебания конструкции (моды с 1 по 6)
Расчет показывает, что первая собственная частота равна 0,08 Гц, что ниже рабочего диапазона частот (от 1Гц до 50Гц), вторая (и все последующие) - 58 Гц - выше рабочего диапазона. Следовательно, исследуемое изделие устойчиво к воздействию колебаний во всем заданном диапазоне частот.
3. Тепловой расчет процессорного модуля
Одними из составляющих компонентов пультов являются электронные устройства. При их функционировании выделяется тепло. Учитывая диапазон рабочих температур пультов от -30 до +50, возникает необходимость обеспечения отвода тепла от тепловых источников. Данное моделирование призвано определить тип системы охлаждения - естественная или принудительная конвекция, а также конструкцию радиатора.
Модель одного из электронных компонентов: процессорного модуля представлена на рис. 5
Рис. 5 . Модель процессорного модуля в Autodesk Inventor
В постановку задачи входит задание на электронных компонентах тепловых источников с максимальной мощностью тепловыделения по паспорту и охлаждение естественной конвекцией на открытых поверхностях модуля. Результаты моделирования представлены на рис. 6.
Рис. 6 . Распределение температуры по конструкции процессорного модуля
Как следует из результатов расчета, перегрев процессорного модуля при его охлаждении естественной конвекции незначителен и укладывается в допустимый диапазон температур для используемой элементной базы.
Карданный подвес телескопической мачты
Задача: определение запаса устойчивости рамной конструкции.
Карданный подвес устанавливается на мобильной технике и является, по сути, рамной конструкцией для крепления самой телескопической мачты, а также рабочего и вспомогательного оборудования.
Рис. 7. 3D-модель рамы карданного подвеса
Расчет потери устойчивости необходим для определения соотношения рабочей и критической нагрузки для данного изделия, а также места и величины деформации.
Рис. 8. Деформации при потере устойчивости
Как видно из результатов расчета, критическим является место радиального крепления мачты. Направление деформаций видно на вышеприведенных рисунках, значение деформаций находится в пределах 1 мм, минимальное критическое усилие, приводящее к потере устойчивости, ниже рабочего значения нагрузки в 16 раз. Это значение и есть коэффициент запаса устойчивости рамной конструкции.
Гидромашина
Гидромашины являются "сердцем" электро-гидропривода. От надежности работы данного узла напрямую зависит надежность изделия в целом.
Задача:
- Определение гидравлического сопротивления проточной части;
- Определение перепада (потери) давления или расхода (утечек);
- Определение надежности вала гидромашины для заданной циклограммы нагрузки по параметру усталостных разрушений.
Рис. 9. 3D-модель гидромашины в сборе
Рис. 10. 3D-модель Проточная часть ходовой части гидромашины
Моделирование гидромеханических процессов в проточной части гидромашины необходимо для определения оптимального соотношения перепада давления и расхода утечек через данный элемент. Низкое давление под гидростатической опорой поршня приведет к продавливанию опорой масляной пленки, образованию металлического контакта и быстрому износу с выходом из строя всей конструкции насоса. При большом давлении, увеличивается расход утечек и снижается КПД насоса. Кроме того, локальное увеличение скорости потока приводит к снижению давления и кавитации - "вскипания" (выделение растворенных газов) рабочей жидкости. Это снижает характеристики рабочей жидкости и провоцирует кавитационный износ рабочих кромок дросселя.
Моделирование проводится в одном из двух вариантов: либо по заданному перепаду давления определяется расход рабочей жидкости (в нашем случае утечек) через элемент конструкции, либо по заданному расходу определяется перепад давления и скорость потока в проточной части гидромашины.
Результаты моделирования (по варианту 2):
Рис. 11 . Давление в проточной части гидромашины
Рис. 12 . Скорость течения рабочей жидкости в проточной части гидромашины
На рис. 11 и рис. 12 представлены изменения (падение) давления и скорость потока рабочей жидкости в проточном элементе ходовой части гидромашины. На данных рисунках видно, что основные потери давления и увеличение скорости потока происходят в дроссельном отверстии. Оптимизация конструктивного исполнения данного элемента позволит обеспечить заданный уровень давления рабочей жидкости в опорной части гидростатического подшипника и снизить максимальную скорость потока жидкости ниже кавитационной.
Определение запаса надежности (по критерию усталости) позволяет виртуализировать реальные ресурсные испытания
Рис. 13. 3D-модель вала гидромашины
Для примера возьмем модель вала гидромашины. Для анализа усталостной прочности необходимо проведение расчета статической прочности (рис. 14) и задание диаграммы нагружения (рис. 15).
Рис. 14 . Расчет статической прочности. Напряжения в конструкции вала и деформация вала
Рис. 15 . Циклограмма нагружения
Результаты моделирования запаса надежности (по критерию усталости).
Как следует из результатов моделирования (рис. 16), запас данной конструкции меньше 1, следовательно, исходное конструктивное исполнение вала гидромашины не удовлетворяет критерию надежности.
Заключение.
Круг задач, которые ежедневно решает ОАО «СКБ ПА», широк и простирается от статической прочности до сложного междисциплинарного анализа. Выполнение таких комплексных расчетов и выполнение их в единой среде является актуальной необходимостью. Autodesk Simulation Multiphisics удачно совмещает в себе эти возможности. Использование в ОАО «СКБ ПА» этого программного комплекса позволило выполнить не только перечисленные расчеты, но решить ещё одну, и пожалуй, главную задачу: быстро принимать эффективные конструкторские решения.
- Комментарии