Разработка методики моделирования и численного эксперимента на основе метода конечных элементов для определения напряженно-деформированного состояния деталей и узлов планетарных передач Аношин, Григорий Валериевич

Введение к работе

- АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Планетарные и многопоточные передачи, получившие широкое применение в транспортном и энергетическом машиностроении, могут работать при больших скоростях п вращающих моментах. Сложная конфигурация деталей этих передач, повышенная податливость их элементов, наличие плавающих звеньев делают взаимозависимыми нвпряженно-деформированные состояния сопряженных деталей и затрудняют применение традиционных методик расчета на прочность и жесткость, в которых детали рассчитываются изолированно друг от друга.

Стремительное развитие средств вычислительной техники, особенно персональных компьютеров и мини-ЭВМ, которые позволяют решать задачи в непосредственном диалоге с конечным пользователем, позволяет применять компьютерную технологию обработки информации в сфере расчета и проектирования машин и механизмов, в том числе, и в расчетах на прочность и жесткость. Существует большое число работ, посвященных расчетам на прочность различных объектов машиностроения числетшш методами теории упругости, в том числе, и методом конечных элементов ( МКЭ ), а также большое количество программных реализаций этого метода для различных типов ЭВМ. Однако, в большинстве случаев МКЭ используется для расчета изолированных деталей без учета влияния сопряженных элементов конструкции; моделирование контактных взаимодействий сопряженных деталей производится без учета специфики метода дискретизации; конечноэ-леменгная модель образуется механическим дроблением исследуемой области на возможно большее число элементов, как правило, линейных. Также в большинстве приложений затруднен контроль исходных данных и анализ результатов расчета, представлешшх обычно в виде численных значений.

В связи с отмеченным весьма актуальным является разработка методики моделирования МКЭ узлов и деталей планетарных передач, базирующейся нз математическіи принципах МКЭ, и в силу этого пригодной для моделирования любых трехмерных объектов теории упругости. Также актуальным является создание графических систем визуализации исходных данных и результатов расчета, что существенно облегчает ресэние задачи и способствует интеграции прочностных расчетов в САПР.

- 4 -ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка методики моделирования методом конечных элементов деталей я узлов планетарных передач, базирущейся на математических принципах МКЭ и позволяющей учесть контактные взаимодействия деталей. Разработка методики вычислительного эксперимента на конечноэлементной модели для определения напряженно-деформированного состояния деталей и узлов планетарных передач. Разработка графической системы для визуального контроля конечно-элементной модели и отображения результатов расчета напряженно-деформированного состояния на экране персонального компьютера.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. В соответствии с поставленной целью в данной работе намечены следующие основные задачи :

1. Исследовать условия существования и единственности решения при моделировании трехмерных объектов теории упругости методом конечных элементов( МКЭ ).

2. Исследовать возможности МКЭ по моделированию контактных взаимодействии сопряженных деталей. Разработать методику расчета узлов, состоящих из нескольких взаимодействующих друг с другом деталей. Разработать методики задания распределенных нагрузок в конечноэлементной модели и определения распределения нагрузок в сопряжениях деталей.

3. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для графического представления на экране персонального кошьюгера исходной конечноэлементной модели и результатов расчета напряженно-деформированного состояния.

4. Предложить методику моделирования и численного эксперимента на конечноэлементной модели для расчета напряженно-деформированного состояния узлов планетарных и многопоточннх передач на примере узла центрального колеса с внутренними зубьями.

5. Выполнить расчеты узлов .реальных передач и сравнить результаты расчетов с экспериментальными зависимостями.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач в работі использованы метода теории упругости, линейной алгебры, математического анализа, программирования. Достоверность получаемых результатов обеспечивается строгими математическими обоснованиями применяемых методик и подтверждается решениями тестовых задач и расчетами реальных конструкций.

МУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработаны методики моделирования контактных взаимодействий сопряженных деталей и определения распределения нагрузок в сопряжениях деталей, учитывающие особенности МКЭ как метода дискретизации трехмерного объекта.

Предложена методика вычислительного эксперимента на конечно-элементной модели узла планетарной передачи для определения его напряженно-деформированного состояния.

Разработаны алгоритмы и программы для графического анализа конечноэлементной моделі и результатов решения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработаны математически обоснованные методики моделирования сложных трехмерных объектов и проведения вычислительного эксперимента на конечноэлементной модели. Разработан пакет програли для персональных компьютеров, совместимых с ІВЙ РСЛАТ, позволяющий существенно облегчить создание конечно-элементной модели и анализ полученных результатов за счет графического представления данных.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Разработанные в ходе диссертационной работы алгоритмы и программы для графического представления конечноэлементных моделей и анализа результатов вошли в качестве одних из компонентов в пакет программ CLASS ( Computer Laboratory lor Analysis of Stresses ana Strains ) - компьютерная лаборатория для анализа напряженно-деформированного- состояния, созданный при непосредственном участии автора. Пакет программ CLASS предназначен для анализа напряженно-деформированного состояния узлов и деталей машин методом конечных элементов в трехмерной постановке на ПЭВМ типа IBM PC/AT и позволяет проводить практически всю работу от построения модели до анализа результатов в интерактивном графическом режиме. Пакет программ CLASS удостоен почетного диплома выставки ИНВЕКОМ-92 как победитель конкурса программных средств. Первая версия пакета используется в настоящее время во ВНЖГМ.

Результаты расчетов по методикам, разработанным в диссертации, использовались при выполнении НИР по программе " Фундаментальные и прикладные проблемы механики деформируемых сред и конструкций" в 199t-92 гг., а такке учтены в рекомендации "Расчеты и испытания на прочность. Обще требования к расчетам на прочность

зубчатых передач" Госстандарта СССР в 1989 г.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-техническом семинаре " Автоматизированное проектирование зубчатых, планетарных и волновых передач ", проходившем в Ленинградском Доме научно-технической пропаганда в июне 1987 г.;.на Всесоюзных научно-технических конференциях : " Зубчатые передачи : современность и прогресс ", проходившей в Одессе в сентябре 1990 г. и " Проблемы качества механических передач и редукторов. Точность и контроль зубчатых передач ", проходившей в Ленинграде в июне 1991 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, - пяти'глав, заключения, списка использованной литературы и прилове ния,