Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методика расчёта параметров формы элементов го и построения теоретического чертежа ГО АСВП 16
1.1 Описание рассматриваемого ГО 16
1.2 Краткий обзор работ по расчету параметров формы ГО (определение положения статического равновесия ГО) 21
1.2.1 Обзор работ по расчету параметров формы бортовой секции ГО 21
1.2.2 Обзор работ по расчету параметров формы носовой секции ГО 23
1.2.3 Обзор работ по расчету параметров формы кормовой секций ГО 24
1.2.4 Работы по расчету параметров формы угловой секций ГО 24
1.3 Исходные данные для проектирования ГО 25
1.4 Расчет параметров формы и построение бортовой секции ГО 25
1.4.1 Описание формы бортовой секции 25
1.4.2 Описание расчетной схемы и вывод системы уравнений равновесия 27
1.4.3 Построение контура НЭ открытого типа, бортовой секции 29
1.4.4 Нахождение формы внешней и внутренней частей гибкого ресивера бортовой секции 30
1.4.5 Нахождение формы гибкого ресивера над НЭ 31
1.4.6 Дополнительные построения для бортовой секции 32
1.4.7 Математическая формализация построения ряда параметров формы сечения бортовой секции 34
1.5 Расчет параметров формы и построение носовой секции ГО 37
1.5.1 Описание формы носовой секции 37
1.5.2 Определение формы внешней и внутренней частей гибкого ресивера сечения 1-І (в ДП) носовой секции 39
1.5.3 Построение контрольной линии, внешней и внутренней линий крепления ГО носовой секции 42
1.5.4 Определение границы носовой секции и задание секущих плоскостей 44
1.5.5 Нахождение формы сечений II-II... IX-IX гибкого ресивера 45
1.6 Расчет параметров формы и построение кормовой секции ГО 46
1.6.1 Описание формы кормовой секции 46
1.6.2 Описание расчетной схемы и вывод системы уравнений равновесия 48
1.6.3 Определение границы кормовой секции 50
1.6.4 Соотношения определяющие характерные вертикальные размеры элементов кормовой секции 51
1.6.5 Построение формы кормового навесного конусного элемента и гибкого ресивера второго яруса 52
1.6.6 Расчет и построение формы гибкого ресивера первого (верхнего) яруса кормовой секции ГО 55
1.6.7 Дополнительные построения для кормовой секции 57
1.6.8 Математическая формализация построения ряда параметров формы сечения кормовой секции 59
1.7 Расчет и построение формы угловой секции ГО 61
1.7.1 Описание формы угловой секции 61
1.7.2 Определение границ угловой секции ГО и выполнение необходимых сечений. 63
1.7.3 Расчет и построение крайнего кормового бортового сечения угловой секции ГО (сечение XV-XV) 66
1.7.4 Расчет и построение сечений ХП-ХП, ХШ-ХШ 72
1.7.5 Определение положения крайнего съёмного элемента открытого типа 75
1.7.6 Определение положения бортовой кромки кормового участка секции 76
1.7.7 Получение геометрических характеристик диафрагмы конусного НЭ 77
1.7.8 Расчет и построение углового участка угловой секции 79
1.7.9 Построение формы конусообразной оболочки (сечения XIX-XIX *- XXI-XXI).. 83
1.7.10 Определение положения кормовой кромки бортового участка секции 84
1.7.11 Построение линий крепления НЭ 85
1.8 Корректировка геометрических параметров ГО внешнего контура 85
1.9 Расчет параметров формы и построение внутреннего контура ГО 85
1.9.1 Описание формы внутреннего контура 86
1.9.2 Построение продольного киля внутреннего контура 88
1.9.3 Построение поперечного киля внутреннего контура 95
Глава 2 Создание трехмерной параметрической модели гибкого ограждения АСВП 97
2.1 Параметрическое моделирование в CAD системах, основные термины и определения 97
2.2 Создание трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor 98
2.2.1 Программный комплекс Inventor общее описание 98
2.2.2 Этапы создания трехмерной параметрической модели ГО 98
2.2.3 Создание трехмерной параметрической модели ГО 100
2.3 Адекватность созданной методики расчета параметров формы элементов ГО и созданной трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor 106
2.3.1 Получение геометрических параметров ГО на стадии эскизного проектирования. 106
2.3.2 Получение геометрических параметров ГО на стадии технического проектирования 106
Глава 3 Расчет прочности го в статической постановке 110
3.1 Материалы ГО ПО
3.1.1 Резинотканевые материалы ПО
3.1.2 Ткани с ПВХ покрытием 119
3.2 Проблема внешних сил 121
3.3 Статический расчет ГО 122
3.4 Метод конечных элементов, основные понятия 124
3.5 Программный комплекс ANSYS общее описание и основные стадии статического расчета ГО 125
3.6 Статический расчет ГО методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе ANSYS 128
3.6.1 Препроцессорная подготовка 128
3.6.2 Получение решения 134
3.6.3 Просмотр и анализ результатов (постпроцессорная обработка) 136
3.7 Оценка прочности ГО 142
3.8 Верификация расчета и экспериментальных данных 144
3.9 Анализ результатов расчета 144
Глава 4 Методика расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного и технического проектирования 146
4.1 Описание метода расчета массы устройства механического ограждения ВП 146
4.1.1 Состав устройства механического ограждения ВП 146
4.1.2 Определение массы устройства механического ограждения ВП 149
4.2 Определение коэффициентов кэ и кт 151
4.3 Рекомендации по использованию расчетных формул и коэффициентов 176
4.4 Порядок расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного проектирования с использованием трехмерной модели ГО АСВП 176
4.5 Порядок расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии технического проектирования с использованием трехмерной модели ГО АСВП 178
4.6 Пример расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного проектирования с использованием созданной трехмерной модели ГО АСВП 179
4.6.1 Расчет массы ГО (Мо2іюі(го)) 179
4.6.2 Расчет массы крепления ГО к корпусу АСВП (Мо2ііо2ікР)) 181
Глава 5 Построение разверток ГО 182
5.1 ГО как поверхность 182
5.2 Обзор работ по построению разверток ГО 182
5.3 CAD/САМ системы позволяющие, производить развертку поверхностей 183
5.4 Пример развертки поверхности ГО в CAD/САМ системе Foran 184
5.4.1 CAD/CAM система Foran, общее описание 184
5.4.2 Импорт поверхности гибкого ресивера носовой части ГО в систему Foran 184
5.4.3 Подготовка поверхности гибкого ресивера носовой части ГО к развертке 185
5.4.4 Развертка носовых секций гибкого ресивера 187
Выводы по результатам диссертации 188
Список использованной литературы
- Обзор работ по расчету параметров формы бортовой секции ГО
- Создание трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor
- Программный комплекс ANSYS общее описание и основные стадии статического расчета ГО
- Определение массы устройства механического ограждения ВП
Введение к работе
Амфибийные суда и корабли на воздушной подушке (АСВП) успешно зарекомендовали себя благодаря уникальным эксплуатационным возможностям: движение с высокой скоростью и амфибийность, базирование на необорудованном берегу. В оборонной сфере ими обеспечивается выполнение десантных и патрульных операций, они используются они также в качестве кораблей охранения в ближней морской зоне, в работе пограничных и таможенных службах. Не менее успешны они и при использовании в гражданских целях в качестве амфибийных транспортных средств в условиях труднодоступных районов, заболоченной тундры, мелководного шельфа. Аналогичный опыт в зарубежье получен в Финляндии, в Великобритании, Канаде, на Аляске (США), в Китае. Реальный опыт эксплуатации в военной и гражданской областях насчитывает уже более 40 лет. Здесь Россия уверенно занимает лидирующие положение.
Для нашей страны с ее огромными пространствами тундры, шельфами Арктических и Дальневосточных морей, в которых сосредоточены более четверти мировых запасов углеводородного сырья, хозяйственно-экономическое освоение этих регионов является стратегической задачей, решение которой в значительной степени связано с проблемой по доставке тысяч тонн грузов. Традиционные способы транспортировки грузов в суровых природно-климатических условиях не могут в полной мере обеспечить решение этой крупномасштабной задачи.
В связи с этим, реализация возможности использования АСВП для транспортного обслуживания и обустройства объектов нефте - и газодобычи в трудно доступных районах крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, следует считать актуальной, отвечающей современным тенденциям применения прогрессивных транспортных технологий в решении стратегической задачи - освоения природных ресурсов страны.
Эти проблемы ставят для проектантов такие задачи как совершенствование старых и разработка новых типов АСВП для возможности эксплуатации в условиях низких температур, повышенного пыле и грязеобразования, над снежным покровом, торосистыми и ледяными полями.
Широкое применение АСВП выдвинуло целый ряд новых технических задач, связанных с проектированием этих судов. В целом можно говорить о значительных успехах в разработке методологии проектирования АСВП [21,22]. Основной подсистемой этих аппаратов является гибкое ограждение (ГО) области воздушной подушки.
крепящееся по ее периметру к нижней части жесткого корпуса и обеспечивающее
судну повышение проходимости, амфибийности, остойчивости, минимизирующее затраты энергии на поддержание ВП.
Кроме того ГО относят к категории наиболее ответственных конструкций АСВП, от надежности и прочности которых зависит успешная эксплуатация этого вида транспортных средств. По мере совершенствования конструкций, накопления опыта проектирования и эксплуатации ГО их роль в обеспечении мореходных и амфибийных качеств СВП непрерывно повышается. Постоянно контактируя с подстилающей поверхностью и будучи изготовленным из прорезиненных синтетических материалов, ГО подвержено вибрации, флагеляции, истиранию, разрыву и имеет ресурс, многократно меньший, чем остальные подсистемы АСВП в целом и даже такие проблемные, как энергетическая установка, воздушные винты, воздухонагнетатели.
Характерной особенностью проектирования современных судов является, возрастающее значение технико-экономического анализа, внедрение расчетных методов поиска наилучших, т.е. оптимальных решений, обеспечивающих оценку эффективности применения разрабатываемых судов и их систем по сравнению с уже существующими или перспективными. В последние годы интенсивно развивается процесс автоматизации проектирования судов. Сказанное в полной мере относится и к проектированию ГО СВП. Сложность технических задач, стоящих перед разработчиками ГО, необходимость поиска их оптимального решения заставляют уже на самых ранних стадиях проектных проработок устанавливать форму ГО, выполнять расчетную оценку его прочности для различных вариантов конструкций, рассчитать его массу и по возможности минимизировать. Успешное решение этих задач в значительной степени определяется наличием надежного расчетного аппарата, поскольку, как показывает опыт проектирования, именно на начальных стадиях проектных проработок принимается более 90% всех принципиальных технических решений [44].
Форма и конструкция ГО может иметь большие многообразия [20, 22, 62], но наиболее распространен двухъярусный тип ГО, состоящий из надувного тороидального идущего по всему периметру ресивера, к которому крепятся навесные секционированные элементы. Этот тип ограждения является сам сложным, но наиболее эффективным из отечественных, разработке методики его проектирования и посвящена данная работа.
Проблемы повышения надежности, ресурса, массы, стоимости ГО являются комплексными и касаются: проектирования формы, автоматизации получения электронной модели геометрической поверхности ГО, обоснования свойств и характернії
стик применяемых конструкционных материалов, использования современных методов расчета прочности (МКЭ), выполнения автоматизированных расчетов массы ГО, автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения их рабочих чертежей.
Для решения вышеобозначенных проблем требуется создать методику расчёта формы и построения теоретического чертежа ГО, удовлетворяющую современным требованиям, так как на сегодняшний день не существует целостной методики расчета формы всего ГО.
Методика расчета формы ГО и построения теоретического чертежа ГО должна:
содержать способы расчёта и построения формы всех элементов и секций ГО;
предписывать последовательность выполнения этих расчетов;
обеспечивать адаптивность к CAD/САМ системам для возможности создания в них трехмерной параметрической модели ГО, с дальнейшим использованием её для расчетов прочности, ходкости, остойчивости, массы, построения разверток и выполнения чертежей общего расположения;
быть пригодной для работы на ранних стадиях проектирования.
На основе созданной методики проектирования формы ГО в работе разработана трехмерная параметрическая модель ГО как основа электронного представления его в качестве предмета исследования и использования ее в CAD/CAM/CAE системах при создании АСВП.
Согласно [22], расчет общей прочности ГО складывается из определения внешних сил, расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения и нормирования прочности.
Расчетные методики, позволяющие уверенно прогнозировать прочностные характеристики натурного гибкого ограждения, в настоящее время отсутствуют, а попытки их создания встречают определенные трудности. В первую очередь это связано со специфическими особенностями применяемых для изготовления ГО полимерных материалов (резинотканевая оболочка, клеи, прошивные нити) и недостаточной изученностью внешних сил и процессов, протекающих в оболочке под действием различных эксплуатационных факторов. В то же время актуальность разработки более надежных методов расчета ГО на прочность подтверждается всем опытом проектирования и эксплуатации АСВП. Несовершенство существующих методов расчета сдерживает возможность уверенного выбора основных конструктивных решений и материала ГО до начала постройки судна и зачастую приводит к необходимости осушесч-
влять их окончательный выбор по результатам опытной эксплуатации уже натурного объекта. Об этом свидетельствует как отечественный, так и зарубежный опыт постройки и эксплуатации АСВП. В целом, следует признать, что вопросы расчета прочности ГО в настоящее время разработаны недостаточно. Повышение надежности и точности расчета прочности ГО на данном этапе в значительной степени зависит от совершенствования методов расчета их напряженно-деформированного состояния. Для резинотканевых материалов запасы прочности принимаются примерно одинаковыми у различных элементов ГО.
В настоящее время оценка местной прочности проектируемых ГО производится только экспериментально (лабораторные, стендовые и натурные испытания).
Помимо создания методики расчета формы в работе решается задача - применения МКЭ для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения в статической постановке с использованием ранее созданной здесь трехмерной модели ГО, как пример возможности применения созданной 3D модели в САЕ системах.
Как правило, в практике создания СВП проектирование ГО по времени осуществляется на заключительных стадиях проектирования судна. В то же время при проектировании АСВП уже на начальных стадиях требуется определить массу "устройства механического ограждения области ВП", причем сведения об устройстве и конструкции ГО весьма ограничены. Так в реальной практике, на стадии эскизного проектирования разрабатывается лишь теоретический чертеж ГО, на стадии технического проектирования дополнительно осуществляется разбивка ГО на секции и основные элементы его конструкции.
В работе решена задача - определения массы "устройства механического ограждения ВП" в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как непосредственно ГО, так и всего судна в целом. С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу целого ряда существующих АСВП.
Таким образом работа представляет собой практическую реализацию информационной модели ГО АСВП, рассматриваемой как подсистема судна (см. рис. 1).
Кроме этого реализована возможность использования созданной здесь трехмерной модели ГО для получения автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения рабочих чертежей.
Расчет массы (группы стандарта нагрузки)
Выпуск документации на стадиях
Выпуск ра боче -конструктор ской документации
СПІЛІШІЇ!.' IIHlt'pjKTKHIslJX
і iCk:pniiin,i\ тсхні-"
руководств
++
Рисунок 1 - Информационная модель ГО АСВП.
(группы стандарта нагрузки)
'устройства механического
ограждения НІГ
Рисунок 1 - Информационная модель ГО АСВП.
Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 151 наименования.
Первая глава посвящена созданию физических и математических моделей геометрических поверхностей ГО и соответствующей методики расчета формы.
Вторая глава посвящена созданию трехмерной параметрической модели ГО.
В третьей главе рассмотрены свойства и характеристики применяемых конструкционных материалов (из области резинотехники). Использован современный метод расчета прочности (МКЭ), для расчета напряженно-деформированного состояния ГО в статической постановке.
В четвертой главе выполняется автоматизированный расчет массы ГО на основе трехмерной модели геометрической поверхности и регрессионных исследований по существующим АСВП.
В пятой главе реализована возможность использования созданной трехмерной модели ГО, для получения автоматизированного раскроя.
В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.
Обзор работ по расчету параметров формы бортовой секции ГО
Построение теоретического чертежа ГО первоначально обходилось без расчётов формы носовой секции. В.Э. Магула в [62] считал, что геометрическая "жесткость" оболочки секции, следствием которой является её способность сохранять заданную форму при различных значениях внешней нагрузки, обеспечит проектное положение секции практически при любой её форме. Однако это свойство "жёстких" оболочек теряется при действии нагрузок, вызывающих в оболочке внутренние сжимающие усилия, возникновение которых ведёт к образованию складок и потере исходной формы оболочки. Применительно к ГО это означает отклонение носовой секции от заданного положения (отклонения таких секций ГО зафиксировано на нескольких натурных ограждениях).
Работы по расчету параметров формы носовой секции ГО базируются на тех же допущениях, что и для бортовой секции см. п. 1.2.1.
В справочнике Я.И. Войткунского [120] для расчета параметров формы носовой секции предложен графический метод, получивший название метода совмещенных сечений. При этом участок гибкого ограждения разбивается на ряд расчетных сечений. Для каждого из сечений выполняется процедура расчёта параметров формы, аналогичная расчету бортового сечения, затем строится огибающая линия ГО этих сечений и линии крепления наружной и внутренней частей гибкого ресивера к корпусу. Все эти линии должны быть плавными кривыми, поэтому производится согласование проекций, аналогично тому, как это делается при выполнении теоретических чертежей корпусов водоизмещающих судов. Е.В. Петиным [71] предложен аналогичный метод расчета параметров носовой секции.
В работе В.В. Кличко и Ф.Б. Мельникова [43] для упрощения разработки формы носового ГО предложено отказаться от задания координат точек крепления надувной секции к корпусу в расчетных сечениях носовой секции и ввести граничные условия, определяющие: - угол наклона внешней образующей съёмного элемента к горизонту в крайних сечениях - в диаметральной плоскости и в первом бортовом сечении; - закон изменения этого угла на участке между указанными сечениями; - форму кривой, огибающую габаритные точки всех сечений на носовой части ограждения по известным положениям этих точек для крайних сечений; - зависимость высоты ГО от расположения сечений ГО вдоль длины воздушной подушки.
Кормовые секции ГО наиболее часто выполняются многоярусными, состоящими из одноярусной или двухъярусной надувной секции гибкого ресивера в верхней части и навесных элементов нижнего яруса, по конструкции существенно отличающихся от НЭ бортовых и носовых секций ГО. Как правило, эти НЭ являются закрытыми со стороны ВП и поэтому допущения принимаемые о равенстве избыточного давления в НЭ давление в ВП, отличается от такого допущения для бортовой и носовой секции ГО.
В работе Т.А. Дьяковой и В.В. Кличко [27], посвященной расчету параметров формы кормовой секции, предложен графоаналитический метод решения уравнений равновесия ГО с учетом взаимодействия отдельных ярусов ограждения, с помощью последовательных приближений.
Аналогичный метод для расчета параметров формы кормовой секции предложен и в работе Е.В.Петина [71].
В отчете [111] приведены уравнения статического равновесия для трех типов конструктивных схем элементов ГО, обладающих повышенной следящей способностью, даны рекомендации по использованию этих уравнений для приближенного определения основных геометрических характеристик рассмотренных схем.
Перечисленные работы направлены на получение формы кормовой секции со следящей способностью большей, чем у носовых и бортовых секций ГО. Под следящей способностью ГО понимается способность его изменять свою высоту при изменении внешних сил действующих на ГО при прохождении им препятствий на поверхности экрана в виде волн или неровностей при движении над сушей.
По расчету параметров формы угловой секции ГО удалось обнаружить только работу Е.В.Петина [71], в которой предлагается графоаналитический метод. Абсолютные размеры области ВП: - длина воздушной подушки (Ln) см. рис. 1.5; - ширина воздушной подушки (Вп) см. рис. 1.7; - высота ГО {кго) см. рис. 1.7. Физические характеристики области ВП: - давление в воздушной подушке (/ „); - коэффициент перепада в носовой и бортовой секциях (Кр); - давление в бортовом и носовом ресиверах (Рр); Рр = КрР„ (1.1) Геометрические характеристики корпуса СВП: - вертикальная база ГО (отстояние внешней точки крепления ГО от ОП) в носовых, бортовых и кормовых секциях (z6) см. рис. 1.7; - ширина корпуса СВП (Вк) см. рис. 1.7. Зададимся точкой отчета (О), предполагая ее лежащей в ДП судна на транцевом Иго. перпендикуляре на плоскости heo см. рис. 1.5, т.е. проходящей ниже ОП на расстоянии, равном
Создание трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor
Первые CAD (computer-aided design) системы являлись лишь специализированными графическими редакторами, их возможности были ограничены производительностью компьютеров. Такие системы автоматизировали создание чертежа с помощью плоских геометрических примитивов - отрезков прямых, дуг окружностей, текстовых надписей и т.д. Одним из важных изменений при развитии CAD систем стало то, что первичной стала модель объекта, по которой уже в дальнейшем строился чертеж. Конструктор стал работать с трехмерной твердотельной моделью объекта и в любой момент мог ее видеть и модифицировать [76]. Одним из методов проектирования, позволивших совершить качественный прорыв в развитии CAD-систем стала так называемая параметризация [110].
Термин "параметризация" получил довольно большое распространение. Он может означать и процесс создания модели и результат проектирования, который характеризует параметрические свойства модели.
Параметрическое моделирование это процесс создания параметрической модели объекта, состоящей из набора геометрических примитивов и параметрических связей [47].
Процесс параметрического моделирования можно описать следующим образом: в ходе построения система накапливает конструктивные параметры и соотношения между ними, а также формирует протокол (историю) создания геометрии, позволяя простым изменением параметров легко модифицировать и регенерировать модель. Важно, что параметрическая модель создается интерактивно, без какого-либо программирования (за исключением задания расчетных зависимостей). Хотя способ создания параметрической модели прост, задача расчета геометрии для новых значений параметров - сложная, главным образом из-за того, что могут быть определены произвольные зависимости переменных. Для расчета применяются два типа решателей -вариационные и аналитические, однако ни в одной системе нет гарантии, что нужная геометрия будет найдена, хотя отказы происходят в достаточно сложных случаях.
Параметрическое моделирование обладает рядом практических преимуществ: интуитивный процесс создания, возможность легкой модификации и повторного использования объекта. Параметризация позволяет существенно сократить сроки проектирования объектов, особенно сложных, так как большую часть времени занимает не само проектирование, а корректировка объекта.
Связь - это некоторое ограничение, накладываемое на проектируемую модель объекта, которое может быть описано математическими уравнениями. На любом этапе проектирования должны соблюдаться все ограничения (связи), наложенные на модель.
Существует два вида параметризации: "жесткая" и "мягкая" (с полным и неполным набором связей) [32]. Для параметрического моделирования ГО будет использоваться "жесткая" параметризация.
Продукт AUTODESK Inventor был написан компанией Autodesk для проектирования механических деталей.
AUTODESK Inventor это комплекс программного обеспечения для выполнения проектов крупных машиностроительных сборок, включающий пакеты двумерного и трехмерного параметрического моделирования. Он предназначен для конструкторов и проектировщиков, занимающихся разработкой трехмерных моделей изделий в машиностроительной отрасли [46].
Создание трехмерной параметрической модели это составная часть параметрического проектирования ГО. Параметрическое проектирование конструкций - это процесс определение размеров конструктивных элементов, удовлетворяющих требованиям нормативных документов [82]. Этапы трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor представлены на рисунке 2.1.
Связи накладываемые на элементы конструкций ГО, при создании параметрической модели можно разбить на следующие категории: топологические, геометрические, математические и размерные.
В качестве топологических связей накладываемых на модель ГО использовались элементы следующего типа: дуги, линии, сплайны, окружности и эллипсы (см. рис 2.2).
Математические связи это соотношения между параметрами различных элементов или параметрами различных объектов, задаваемые произвольными математическими уравнениями. При создании параметрической модели ГО использовались зависимости полученные в главе 2. В систему Inventor было введено около 70 расчетных зависимостей (см. рис. 2.4).
К размерным связям относятся: линейные размеры, радиальные размеры, угловые размеры и так далее. При создании параметрической модели ГО к размерным связям были отнесены исходные данные для расчета формы ГО. В программе Microsoft Excel был создан файл с исходными данными для расчета формы ГО (см. табл. 2.1). Созданный файл был связан с системой Inventor, однананравленной связью.
Задание параметрических связей и построение элементов ГО.
В системе Inventor при построении новой детали автоматически создаются три плоскости (XZ, ZY и XY), три оси (X,Y Z) и центральная точка (center point). Посередине рабочей плоскости проходит рабочая ось, а пересечение рабочих плоскостей образует центральную точку (начало координат).
Построение начинаем с задания параметрических связей и построения секущих и ограничивающих поверхность ГО рабочих плоскостей: - ОП отождествим данную плоскость с плоскостью XY системы; -ДП отождествим данную плоскость с плоскостью XZ; - плоскость транца, перпендикулярна ОП, проходит через крайние кормовые конструкции жесткого корпуса АСВП, отождествим данную плоскость с плос костью ZY; - плоскость й„(, она параллельна ОП и отстоит от неё на величину h ; - плоскость г-, параллельна ОП и отстоит от неё на величину z6; - плоскость угла заклинки, определена в п. 1.5.3.
На плоскости А„ строим контрольную линию (контур области ВП). На ОП строим внутреннюю линию крепления ГО к жесткому корпусу. На плоскости z6 и плоскости заклинки строим внешнею линию крепления ГО к жесткому корпусу (см. рис.2.5). линии крепления ГО к жесткому корпусу. ! - плоскость транца; 2 - ДП; 3 - плоскость йл1; 4 - ОП; 5 - плоскость zfi, 6 - плоскость заклинки; 7 - контрольная линия; 8 - внутренняя линия крепления ГО к жесткому корпусу; 9 -внешняя линия крепления ГО к жесткому корпусу.
Перпендикулярно плоскости h , с привязкой к контрольной линии, создаем 25 основных рабочих плоскостей соответствующих характерным сечениям элементов ГО (см. рис. 2.6). Созданным сечениям присваиваем имена аналогично принятым в главе2(1-1...ХХУ-ХХУ).
На созданных плоскостях сечений, строим эскизы формы участков ГО. Созданным эскизам присваиваем имена рабочих плоскостей на которых они создавались. В итоге получаем каркасную модель поверхности ГО (см. рис. 2.7). Каркасная модель представляет собой скелетное описание трехмерного объекта. Она не имеет граней и состоит только из точек, отрезков и кривых, описывающих ребра объекта.
При построении контрольной линии, внешней и внутренней линий крепления ГО к жесткому корпусу, основных рабочих сечений и эскизов формы участков ГО были наложены математические, геометрические, топологические и размерные связи аналогично описанным в главе 2.
Программный комплекс ANSYS общее описание и основные стадии статического расчета ГО
Возникновение МКЭ связано с решением ряда задач для космических исследований (1950 г.). Этот метод имеет 2 корня, он возник в строительной механики и теории упругости, а так же в математике, как разновидность вариационно-разностного метода. Подробно история возникновения и прикладная теория МКЭ изложены в работах [35,36, 80].
Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что для любой непрерывной величины (перемещения, температуры, давления и т. п.) можно построить моделью, состоящей из отдельных элементов (участков) [38]. На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины по конечному числу точек рассматриваемого элемента.
В общем случае распределение непрерывной величины заранее неизвестно, и нужно определить её значения в некоторых внутренних точках области (узлах). Дискретную модель, однако, можно построить, если сначала предположить, что числовые значения этой величины в некоторых внутренних точках области - узлах известны. Чаще всего при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом [38]: - область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами, эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области; - в рассматриваемой области фиксируется конечное число точек, эти точки называются узловыми точками или просто узлами; - значение непрерывной величины в каждой узловой точке первоначально считается известным; - используя значения исследуемой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, определяют значение исследуемой величины внутри области.
Конструкцию можно рассматривать как некоторую совокупность конструкционных элементов, соединенных в конечном числе узловых точек. Если известны соотношения между силами и перемещениями для каждого отдельного элемента, то, используя известные приемы строительной механики, можно описать свойства и исследовать поведение конструкции в целом. В сплошной среде число точек связи бесконечно, и именно это составляет основную трудность получения численных решений в теории упругости. Понятие "конечных элементов" представляет собой попытку преодолеть эту трудность путем разбиения сплошного тела на отдельные элементы, взаимодействующие между собой только в узловых точках, в которых вводятся фиктивные силы, эквивалентные поверхностным напряжениям, распределенным по границам элементов. Если такая идеализация допустима, то задача сводится к обычной задаче строительной механики, которая может быть решена численно. Таким образом, при использовании МКЭ решение краевой задачи для заданной области ищется в виде набора функций, определенных как, непрерывные только на некоторых подобластях (конечных элементах) [38].
В настоящее время на рынке программного обеспечения имеется большое количество комплексов МКЭ, в том числе ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, COSMOS и др. Традиционно эти продукты относятся к категории САЕ (Computer Aided Engineering) программного обеспечения, применяемого при проектировании машиностроительных, судостроительных, строительных и других конструкций. Метод конечных элементов ANSYS широко известен и пользуется популярностью среди инженеров-исследователей, занимающихся вопросами динамики и прочности.
Программный комплекс ANSYS разработан компанией ANSYS Inc. (США) [138]. ANSYS представляет собой многоцелевой пакет для решения сложных проблем физики и механики, в том числе расчета напряженно-деформированного состояния.
Программа допускает два режима работы: пакетный (Batch) и интерактивный (Interactive) [138]. Пакетный режим - работа ANSYS задается командным файлом пользователя. Для расчета ГО использовался интерактивный режим, поскольку он предполагает постоянное взаимодействие с компьютером: запускается команда, программа выполняет ее и отмечает, что она выполнена; затем запускается другая команда и т. д.
Решение задачи статического расчета ГО, как и любой другой задачи с помощью программы ANSYS состоит из трех этапов: препроцессорная (предварительная) подготовка (Preprocessing), получение решения (Solution) и постпроцессорная (Postprocessing) просмотр и анализ результатов.
На стадии препроцессорной подготовки выполняется выбор типа расчета, построение модели и приложение нагрузок (включая и граничные условия). Также задаются все необходимые для решения исходные данные и настройки решения, а именно: выбор типа конечного элемента, указываются упругие постоянные и физико-механические свойства резинотканевого материала, создается сетка конечных элементов, выполняются необходимые действия с узлами и элементами сетки, задаются условия закрепления и условия симметрии.
После того, как при препроцессорной подготовке построена расчетная модель, можно переходить к стадии решения задачи. Этот этап включает в себя задание вида анализа и его опций, нагрузок, шага решения и заканчивается запуском на счет конечно-элементной задачи. Программа ANSYS предусматривает два метода решения задач, связанных с расчетом конструкций (Structural problems): /г-метод и р-метод [138]. Для статического расчета ГО подходит /г-метод.
В программе ANSYS стадия постпроцессорной обработки следует за стадиями препроцессорной подготовки и получения решения. С помощью постпроцессорных средств программы имеется возможность обратиться к результатам решения и интерпретировать их нужным образом. Результаты решения включают значения перемещений, напряжений и деформаций.
Итогом работы программы на постпроцессорной стадии является графическое и (или) табличное представление результатов. Графическое изображение может быть выведено на монитор в интерактивном режиме во время постпроцессорной обработки или передано на печать.
Определение массы устройства механического ограждения ВП
В настоящее время существует большое множество CAD/САМ систем и приложений к ним, позволяющих разворачивать поверхности практически любой сложности. В этой связи очевидно, что создавать новый метод построения разверток ГО, нерационально. Ввиду выше сказанного здесь ставится задача показать возможность использования созданной здесь трехмерной модели ГО в CAD/САМ системе Inventor, которая не предназначена для построения разверток, для передачи в другую систему, имеющую возможность разворачивать поверхности. CAD/САМ системы, позволяющие производить развертку поверхностей условно можно разделить на две группы: специализированные судостроительные системы и системы общего назначения.
К системам первой группы относятся следующие: Tribon (компания KCS, Швеция), Foran (Sener, Испания), Autoship (Autoship Systems Corporation, CILIA), NUPAS (Cadmatic, Финляндия), MasterSHIP (Yachting Consult Software, Нидерланды) и другие.
К системам второй группы относятся Catia (Dassault Systems, США), Unigraphics Solutions (UG, США) и другие.
Система FORAN испанской компании Sener, является законченной, полностью интегрированной CAD/САМ системой, разработанной специально для проектирования и строительства судов. Foran применяется для проектирования судов любых типов и может быть адаптирована к особым требованиям каждой конкретной верфи, как в части проектирования, так и строительства [103].
Философия работы системы заключается в создании информационной модели всего судна, содержащей полную информацию по проектированию и строительству каждого проекта. Модель содержит трехмерную топологическую геометрию корпусных конструкций, оборудования и систем, необходимые данные для изготовления, сборки и монтажа конструкций, заказа материалов. Первоначально созданная модель постепенно уточняется по мере продвижения выполнения проектных работ от эскизного проектирования к рабочему [137].
Модель хранится в Единой Базе Данных. Самая последняя по времени создания информация по проекту доступна для всех пользователей, что обеспечивает возможность выполнения действительного параллельного проектирования и кооперации при работе. Проверка на пересечения в режиме реального времени исключает ошибки при сборке деталей и облегчает предварительную установку насыщения.
Для примера развертки поверхности была выбрана поверхность гибкого ресивера носовой части ГО КВП "Зубр". Созданная в Autodesk Inventor трехмерная модель поверхности гибкого ресивера носовой части ГО, была экспортирована, с использованием базового ядра трехмерного моделирования, в формат международного промышленного стандарта IGES с последующим импортом в FORAN.
Во внутреннем управляющем модуле Foran DBADMIN был создан новый проект. В созданном проекте полученный файл поверхности гибкого ресивера носовой части ГО (в формате IGES) был импортирован в модуль FSURF (см. рис. 5.2), предназначенный для создания и редактирования поверхностей. Для ориентации полученной, после импортирования поверхности в декартовых координатах произведено соз дание рабочих плоскостей, аналогично созданным при построении трехмерной модели ГО в Autodesk Inventor (ОП, ДП, точка отсчета и т.д.). Далее должны быть указаны граничные линии поверхности, которые в последствии можно будет конвертировать в стыки или пазы. Сохраненная в модуле FSURF поверхность носовой секции ГО хранится в общей базе данных и доступна для использования в остальных модулях системы Foran.
Модуль FHULL, предназначен для создания листов наружной обшивки судна, палуб, пробития трасс ребер жесткости, профильных деталей на обшивке и палубах. Позволяет осуществить предварительную развертку неплоских корпусных деталей без ограничения на сложность формы разворачиваемых объектов с отображением на развертках следов конструктивных линий, вырезов, приклада гибочных шаблонов и т.п.
Работа в этом модуле в данной задаче начинаем с выбора нужной поверхности. Далее с помощью стыков производится разбивка носовой части гибкого ресивера на секции (см. рис. 5.3). Разбивку носовой части гибкого ресивера на секции осуществляем аналогично принятой в рабочем альбоме В. 138.] 1.000.
