Введение к работе
Актуальность проблемы. Слогные машиностроительные конструкции, включающие в себя моккш и механизмы различного Функционального назначения, характеризуются постоянной интенсификацией рабочих процессов и дальнейшим повышением уровня вред-ішх вибрационных воздействий, в значительной «эре снихахцих надежность и точность работа маанн и конструкцій. Поэтому одной из актуальных проблем является изучение динамических процессов в таких системах совместно с работавшими мевзшами, заключающееся в анализе динамического состояния отдельных машин с учетом общей вибрации системы, а таксе их динамического взаимодействия в процессе работу зэ счет упругих колебаний соединений и несущих фундо?/энтных конструкций. Такое нсслодоза-нио важно уже на первых этапах проектирования, так как отдельные машины и узлы конструкция изготавливаются различии?.::! орга-низациями и необходимо прогнозировать их поведение в собранной системе.
Расчетно-экспэримэнталышп. и теоретический аналіз динамики подобных систем требует обобщения и объединения огромного количества информации, колоссальных затрат машинного времени и сталкивается с целым рядом значительных трудностей, срэдл которых необходимо отметить следующие: неоднозначность, шого-этапность и отсутствие формализащш при выборе расчетной модели, использующей априорные предпосылки; исключительней трудоемкость и малую эффективность прямого расчета и оптими/зацип построенных расчетных моделей, имегаих нередко десятка тисяч степеней свободы и большое число параметров. Поэтому задачи, связанные с исследованием вибрационных процессов в машиностроительных конструкциях часто решаются при помовзі натурных испытаний на стадии отладки, что существенно ухудшает их динамические свойства и удлиняет сроки разработки.
Дальнейшее усложнение технических объектов требует репання важной задачи динамики малин - создания обіцих подходов для эффективного анализа и расчета машиностроительных конструкций на основе декомпозиции общей модели на кввзинезавнсише подсистемы, что позволит уже на начальных этапах проектирования провести динамический анализ и выбор параметров, обеспечивакцих
допустимый уровень вибрации всей конструкции.
Цель работы - создание общи методов исследования упругих колебаний машиностроительных конструкций с работающими механизмами, на основе применения разных способов декомпозиции, обеспечивающих слабое динамическое взаимодействие мэзду подсистемами, а также приложение разработанных методов для достижения допустимого уровня вибрации ряда объектов, имелущих важное народнохозяйственное значение.
Разработка этих методов потребовала решения задач, дозволяючих выявить характер физических системных .процессов:
- вцдэление в сложной системе сравнительно небольшого числа "сущэствэнных" степеней свободы, определяющих ее важнейшие динамические свойства и образующее энергетическое "ядро" в данном частотном диапазоне;
выявление условий слабого динамического взаимодействия подсистем, допускающих независимое исследование колебательных процессов в этих подсистемах;
использование разных способов декомпозиции и Евделэния слабовзаимодействущих подсистем в зависимости от характера системных взаимодействий;
разработка методов расчета динамических характеристик конструкции в целом на основе локальных характеристик отдельных подсистем;
- разработка алгоритмов и программного обеспечения, реализующих
предлагаеше расчетные методы;
- внедрение разработанных методов для конкретных объектов
машиностроения, анализ полученных результатов и выработка
рекомендаций по выбору параметров, обеспечивавдих допустимый
уровень вибрации.
Метода базируются на работах советских и зарубежных ученых, таких как: В.Л.Бидерман, В.В.Болотин, И.И.Вульфсон, В.К.Гринкевич, Ф.М.Диментберг, М.Д.Дольберг, В.К.Доцдошанс-кий, О.Оэнкевкч, В.А.Ивович, М.Л.Кемпнер, М.З.Коловский, Г.Крон Э.Э.Лавендэл, Л.Иіфович, Л.И.Мандельштам, Я.Г.Пановко, В.л.Па-льмов, Дк.Скучик, С.П.Стрелков, А.П.Филин, А.Г.Фшшшов, К.В.Фролов и др.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом Института машиноведения ш.А.А.Благонравова АН. СССР по общей проблеме повииония надежпости машин, по плану научно- исследо-
вательских работ АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения, по комплексным целевым программам. Отдельные разделы работы выполнялись по задания BIS3I "Ашьтанр", ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, Калужского Турбинного завода. Работы проводились по Постановлениям Директивных органов по проблемам снижения виброактивности ряда ответственных объектов, имеющих важное народнохозяйственное значение.. Научная новизна состоит в следующем:
- установлена закономерность, заключающаяся в возникновении
слабых динамических взаимодействий мехду подсистемами при
колебаниях сложных механических систем .Найдены аналитические
критерии существования слабых взаимодействия различных типов в
виде малых безразмерных коэффициентов связей - энергетических
и спектральных:
-для динамического анализа механических систем большой размерности разработан - подход, заключающийся в применении разных способов декомпозиции динамических моделей в'зависимости от характера слабых взаимодействий: а) разделение на отдельные подсистемы со слабым динамическим взаимодействием, в результате чего их можно рассматривать как квазинезависимые, б) разделение на подструктуры с существенно разным энергетическим уровнем в данном частотном диапазоне, что позволяет локализовать основное энергетическое "ядро", в) агрегирование, заключающееся в объединении элементов с малой кинетической энергией с более энергоемкими и выявить таким способом элементы сложной системы, определяющие ее динамичесхоо состояние.
предложен способ, построения расчетной модели минимальной размерности, имеющей динамические характеристики, близкие к, исходным, с заданной степенью точности. В ряде случаев это решает проблему размерности; .
для систем с регулярной структурой установлено, что малое нарушение регулярности за счет.технологического разброса пара- ' метров вызывает нежелательное динамическое взаимодействие коп-ду независимыми типами колебаний, ухудшающее виброизоляцша системы; найден способ устранения этого взаимодействия.
Практическая ценность. Разработанная система методов позволяет:
- провости анализ колебаний сложных конструкций, расчет кото
рых традициошшми методами.невозможен или малоэффективен
вследствие бистрого роста трудоемкости при увеличении размерности задачи;
- суцьствокно сократкгь время расчета ( 10 - 100 раз ),
повысить достоверность численного решения;
формализовать трудоемкие процессы при построении математической модели, снизив ее размерность с I0OO-IOQQO степеней свобода до нескольких десятков;
заменить исследование колебаний конструкции в сборе анализом колебаний независимых подсистем, выбранных в соответствии с разработанной методикой, что существенно упрощает и ускоряет экспериментальные и расчетные исследования;
выявить в большой системе на стадии проектирования элементы, определявшие ее вибрационное состояние, и обеспечить путем их рационального выбора допустимый уровень . вибрации всей конструкции;
ускорить процесс динамического проектирования за спет проведения математического эксперимента,заменяющего в ряде случаев натурный, на имитационных моделях малой размерности;
использовать рззраСотанные методы и программы расчета для опытно-конструкторских разработок при обеспечении виброизоляции отдельных подсистем.
Реализация работы в промышленности. Изложенные в диссертации метода, вычислительные алг ритмы и программы расчета применены для анализа колебаний сяедукщих важных объектов машиностроения с целью снижения уровня вибрации:
несущая упругая конструкция опорно-поворотного устройства ( ОПУ ) с расположенными на ней точными приборами;
блоки энергетических установок ( в различных вариантах неисполнения ), состоящие из группы неуравновешенных машин -возбудителей, установленных на общем упругом фундаменте.
Для ВНИИ "Альтаир" проведен динамический анализ конструкция СПУ как системы в сборе; установлено, что вес конструкции может быть уменьшен на 10% без снижения точности работы всей системы. Найдены параметры и конструктивные изменения, позволяйте в 7 - 10 раз снизить уровень вибрации платформы с приборами. Полученные результаты используются при проектировании ОПУ.
Предложенные методы внедрены также на предприятиях Шшсудпрома и реализованы при расчете виброакустических харак-
торястик энергетических установок БІГГУ -675, 0К-9,а тгкгэ ври выборе оптимального исполнения заказа "Семга".
Разработанные мэтодн и программы расчета, а такгл рекомендации го улучшению вибрационного состояния изделий внедрены на предприятиях заказчиков и использована в их разработках.
Разработанные методики расчета и результата анализа колебаний рам паротурбинных установок используются в проектных работах Калужского Турбинного завода.
Программы расчета вопля в состав програкмного обеспечения автоматизирование подсистем расчетно-конструктор-ских работ "Главный привод" и "Привод подач и вспомогательных перемещений" .внедренных на предприятиях ІЛшстаякопрома и других отраслей прошпленностя.
Программы редукции расчетных моделей внедрены такт» в НИИ Радиотехники и использованы при расчете изделия 67- Н6.
Предложенные методы, алгоритмы и программы расчета могут быть использованы для расчета и проектирования широкого класса систем и элементов машиностроительных конструкций.
Апробация. Основные далокэния работы долоконы и обсуздеш на научно-технических конференциях и съездах: Всесогзная конференция по проблемам колебаний механических систем ( г.Киев, 1971),1- II -м съездах по теории машин и механизмов (Алма-Ата,1977 г.,Одесса, 1982 г.),1 - III Всесоюзных конференциях по вибрационной технике (Тбилиси, 1978,1981,1934 гг.), 1-ой Всесоюзной конференции "Предприятие - ВУЗ"(Москва, МГУ,1980 г.),1-11 Всесоюзных симпозиумах по виброзащите человека- оператора (Москва - Левково, 1977,1981г), Всесоюзной конференции "Долговечность энергетического оборудования и динамика гидроупругих систем" (Челябинск, 1986 г.),II- ХІІ-ой школе ученых механиков (1Э72-1Э32 гг.), на научных семинарах института проблем механики АН СССР (Москва,1987 г. ), МГУ им.М.В.Ломоносова (1986 г.),Рижского Политехнического института (1988 г.),Калужского Турбинного завода (1989 г.), ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова (г.Ленинград, 1989 г.), отдела вибро-акустики ИМАШ (1990 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 8 глав, заключение, список литература, приложение.
