Содержание к диссертации
Введение
1. Общий подход к решению проблемы
1.1 .Проблемы надежности зерноуборочных машин 9
1.2.Анализ отказов несущих конструкций зерноуборочных машин 14
1.2.1. Причины отказов технических систем 15
1.2.2. Определение потребности в проектировании новых систем 20
1.2.3. Выбор цели проектирования. 22
1.3 Обзор методов создания и проблем прогнозирования надежности несущих конструкций 29
1.4Цель и задачи работы 35
1.5Методологические основы решения проблемы. 36
2. Синтез общих структур моделей
2.1.Модели функционирования общих конструкций 40
2,2, Динамические модели сельскохозяйственных машин 43
2.3.Модель эксплуатационного нагружения 49
2.3.1 Возмущающие воздействия почвенного фона 49
2.3.2. Воздействия на зерноуборочный комбайн от рельефа почвенного фона 50
2.3.3. Внешние воздействия на динамические модели зерноуборочных машин 58
2.4. Синтез структуры несущей системы 63
2.4.1. Алгоритм синтеза структуры несущей конструкции в системе автоматизированного проектирования. 64
2.4.2. Концепция структуры решения графа цели «Несущая система». 70
Итоги по главе 77
3. Система проектирования несущих конструкций. 78
3.1. Способы проектирования несущих систем. 79
3.2. Задачи оптимизации. 80
3.3. Особенности применения метода конечных элементов (МКЭ) 86
3.3.1. Применение МКЭ в САПР. 90
3.3.2, Программное обеспечение задач МКЭ прочности конструкций. 92
3.4. Формирование оптимальной структуры пространственных несущих систем. 93
3.5. Расчетный прогноз вероятности безотказной работ. 103
Итоги по главе 105
4. Моделирование конструкций. 107
4.1. Принципы разработки конечно-элементных моделей. 108
4.1.1. Идеализация объекта исследования, 108
4.1.2. Топология системы. 109
4.1.3. Соединения и закрепления. 112
4.2. Нагрузки. 114
4.2.1. Типовые режимы эксплуатации зерноуборочных комбайнов. 115
4.2.2. Внешние воздействия на сельскохозяйственные машины . 118
4.3. Построение конечно-элементной модели несущей конструкции на базе стержневых и пластинчатых элементов. 122
Итоги по главе. 129
5. Расчет и оптимизация несущей системы зерноуборочного комбайна Д08.010 .
5.1. Результат расчета. 130
5.1.1. Параметры конечно-элементной модели зерноуборочного комбайна Д 08.010. 130
5.1.2. Решение задачи стягивания силовых потоков в оболочке, формирующее рабочую зону комбайна, 133
5.1.3 Проверка решения достижения поставленной цели. 138
5.2. Оптимизация структуры несущих пространственных систем. 143
5.3. Способы обеспечения минимальной массы за счет оптимизации параметров несущей системы. 147
5.4. Применение тонкостенных гнутых конструкций. 149
5.5 Методика проектирования несущих конструкций зерноуборочных комбайнов с минимальной металлоемкостью 151
5.6. Эффективность функционирования зерноуборочных
комбайнов с рационально спроектированной системой. 154
Итоги по главе 157
Заключение 159
Литература 163
- Обзор методов создания и проблем прогнозирования надежности несущих конструкций
- Динамические модели сельскохозяйственных машин
- Особенности применения метода конечных элементов (МКЭ)
- Внешние воздействия на сельскохозяйственные машины
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшее место в производстве зерна
занимают уборочные машины. Эти машины должны в оптимальные сроки
убрать урожай зерновых культур, обеспечив качество продукта при
минимальных затратах. Известно, что надежность машин существенно влияет на
эффективность функционирования самоходных уборочных машин за счет
изменения коэффициента использования рабочего времени и эксплуатационной
производительности. Учитывая короткие сроки уборки, надежность машин
имеет особое значение. .
В настоящее время возникает ряд проблем создания надежных зерноуборочных машин с минимальной металлоемкостью.
Создание новых высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов не только не сняло проблему надежности и долговечности, но еще более ее обострило: усложнение конструкции, увеличение массы, габаритов, интенсификация нагрузок, повышение нормативного срока службы привело к увеличению длительности, трудоемкости и стоимости работ по обеспечению надежности
Зерноуборочные комбайны повышенной производительности должны иметь не только высокие показатели надежности и долговечности, обеспечивающие ее высокие показатели функционирования, но и малую удельную материалоемкость, снижающую энергоемкость процесса, удельное давление на почву, что в целом влияет на эффективность комбайновой уборки сельскохозяйственных культур. Эти требования являются определяющими для современных конкурентоспособных машин.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение надежности за счет применения разработанной: методики синтеза пространственной несущей конструкции мобильной машины, по критериям динамики и прочности на базе современных информационных технологий, что ведет к повышению показателей надежности несущих конструкций комбайнов, и как следствие снижение ее материалоемкости.
Решение поставленной цели способствует выполнению важной народно* хозяйственной задачи повышения надежности, снижения металлоемкости отрасли, сокращения сроков создания машин, внесет существенный вклад ло созданию высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов мирового технического уровня.
Задачи исследования:
Оценить взаимосвязь между показателями качества комбайна определяющего его надежность с показателями функционирования зерноуборочного комбайна
разработать методику синтеза структуры пространственной несущей конструкции мобильной машины на основе методологии проектирования несущих конструкций;
определить принципы построения системы автоматизированного проектирования несущих конструкций;
Ф- разработать оптимальную конфигурацию системы
проектирования на базе информационной модели конструкции;
определить состав программного обеспечения проектирования;
определить состав информационного обеспечения проектирования;
заложить основы системы автоматизированного проектирования конструкций путем создания ее прототипа.
*** разработать материалы, направленные на повышение
надежности сельскохозяйственных машин и снижение металлоемкости
отрасли.
*** определить влияние метода на процесс формирования затрат
на различных этапах жизненного цикла изделия
Одним из направления роста надежности можно считать их параметрический структурный синтез, обеспечивающий их рациональную структуру, снижающий напряжения в элементах конструкции и их металлоемкость.
Научная новизна
Разработан метод синтеза рациональной структуры несущей системы сельскохозяйственных машин на основе выделения теоретически оптимальной силовой схемы из проектной области размещения металла с использованием метода конечных элементов по критерию минимума массы металлоконструкции. Впервые для этих целей был применен расчетный модуль конечно-элементного анализа АРМ Structure 3D, входящий в систему АРМ Win Machine
Выявлены новые закономерности и предложена методология, определяющая надежность как качественный анализ напряженно-деформированного состояния несущей конструкции зерноуборочного комбайна обеспечивающего рост показателей надежности снижение металлоемкости, что существенно влияет на эксплуатационные показатели
Практическая ценность работы. Созданная система проектирования несущей конструкции зерноуборочного комбайна обеспечивающая рост их надежности и снижение металлоемкости, что в целом повышает показатели, обеспечивая рост эксплуатационных показателей. Система позволяет объективно и оперативно определить очертания несущих элементов в пространстве, работающих с отсутствием безизгибных напряжений. Для достижения этих целей был применен метод конечно-элементного анализа АРМ Structure 3D входящий в CAD/CAE системы АРМ WinMachine, Разработанный принцип рационального конструирования несущей конструкции сельскохозяйственных машин из тонкостенного листового материала позволяет повысить эффективность рациональной конфигурации несущей системы. Созданная оригинальная методика рационального конструирования несущей конструкции принята к использованию на АОМЗ в целях разработки несущих конструкций 3-х фазного комплекса свеклоуборочных машин.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на Пятом ежегодном форуме «Современные компьютерные технологии проектирования механического оборудования и конструкций в среде АРМ WinMachine» (НТЦ АПМ г.Королев, 2004); Всерос. науч - техн. конф; посвященной 100-летию со дня рождения И.И. Смирнова. (г.Ростов н/Д: ДГТУ,
2004); Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи регионам». {г.Вологда; Во ГТУ, 2005); Пятой международной научной технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах жизненного цикла» (г.Брянск: БГТУ, 2005)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит та введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Основной текст расположен на 162 страницах, содержит 29 рисунков н II таблиц. В списке литературы 92 наименования.
Обзор методов создания и проблем прогнозирования надежности несущих конструкций
Первые публикации об исследованиях надежности технических систем относятся к 30-40 г.г. Развитие теории надежности началось в конце 50-х годов, практическое применение ориентировалось на системную и параметрическую теории. Получила развитие теория и практика надежности машин и конструкций различного назначения в работах Болотина В.В. [13], Гусева А.С. [22], Когаева В.П. [32], Махутова Н.А. [49], и других российских ученых, а также в работах зарубежных ученых [85, 88, 91, 92]. Развитию вопросов, связанных с надежностью тракторов, сельскохозяйственных машин и конструкций, посвящены работы Аниловича В.Я. [7], Бугло Р.И. [14], Волкова П.М. [15], Грошева Л.М. [18], Гусева А.С. [22], Спиченкова В.В. [70,71], Рыбака Т.И. [67] и других.
Однако вопросы, связанные с надежностью машин и конструкций, разрабатывались и разрабатываются по самостоятельным, часто не связанным направлениям.
Развитие методов анализа и синтеза динамических систем машин отражено в работах Аниловича В.Я. [7], Спиченкова В.В. [70, 75]. Динамика зерноуборочных машин исследовалась в работах Грошева Л.М. [19], Жарова В.П. [27], Полушкина О.А. [63], Андросова А.А. [2], Луконина Ю.А. [39, 41], Терликова В.В. [39], Спиченкова В.В [72, 74]. Указанные работы касаются различных проблем динамики машин - от оптимальной виброзащиты до оценок эксплуатационной нагруженности несущих конструкций. Однако методы решения недостаточно автоматизированы, упрощены, задачи решаются, как правило, в узкой постановке, по конкретным схемам. Исключением здесь являются работы [17, 63]. Решения задач эксплуатационной нагруженности несущих конструкций рассматриваются в [17, 37, 63, 79], но возможности минимизации этих нагрузок затрагиваются только в работах [27, 79]. Используемые методики оптимизации ориентированы на поиск рациональных параметров динамических систем по критериям показателей назначения и условий труда [27].
Развитие исследований напряженно-деформированного состояния сложных конструкций долго шло только по пути эксперимента. Это направление отражено в работах Грошева Л.М. [19], Терликова В.А. [76], Андросова А.А. [2], Бугло Р.И. [14], Маньшина Ю.П. [47], Попова Д.Д. [60]. Основные положения методов исследования, указанные в этих работах, соответствуют современному уровню, но требуют дальнейшего развития в направлении автоматизации сбора и обработки информации, увеличения ее потока.
Расчеты несущих конструкций сельхозмашин отражены в работах Баловнева Г.Г., Гулина М.А., Корешкова В.И., Грошева Л.М. [19], Рыбака Т.И. [66], Терликова В.А. [76]. Расчетные оценки напряженно-деформированного состояния сложных несущих конструкций получили бурное развитие с внедрением численных методов в инженерную практику, и, прежде всего, метода конечных элементов (МКЭ). Однако, за исключением работ [33, 46], а в сельскохозяйственном машиностроении все без исключения работы по реализации МКЭ посвящены оценочным расчетам готовых конструкций. Такой подход не позволяет эффективно использовать расчетные методы в проектировании несущих конструкций заданной надежности. Это свидетельствует, что в сельскохозяйственном машиностроении еще не созданы методические основы автоматизированного проектирования несущих систем на базе структурной и параметрической оптимизации. Отсутствие автоматизированных методов поиска рациональных решений силовых схем и параметров элементов в процессе проектирования несущих конструкций сельскохозяйственных машин, невозможность расчетной оценки долговечности конструкций объясняет существующее положение. Процесс обеспечения надежности начинается только после создания конструкции по прогнозам и оценкам экспериментов с опытным образцом. Таким образом, надежность не закладывается при конструировании, а «повышается». Традиционный подход к оценке надежности конструкций - статистический. Построение статистических моделей отказов позволяет определить действительно достигнутую надежность, определить технически и экономически целесообразный уровень, провести прогноз уровня вновь разрабатываемой конструкции и ввести в качестве заданного. Эти вопросы с общих позиций разработаны Болотиным В.В. [13], Аниловичем В.Я., Беленьким Д.М., Воиновым К.Н., Хозяевым И.А.. В работах [9, 31] рассмотрено использование методов схемной и параметрической надежности на стадиях проектирования машин. При проектировании несущих конструкций эти методы позволяют определить исходные данные, критерии, цели проектирования. Важную роль в обеспечении надежности несущих конструкций играют методы прогнозирования показателей. В практике исследований несущих конструкций используется метод Серенсена-Когаева . Так как основа прогноза является экспериментальной, то метод считается экспериментально-расчетным. Он многократно проверен и достаточно обоснован. В работах Серенсена СВ. и Когаева В.П. [32] приведены основные методические положения, которые развиты в работах Дмитриченко С.С., Гусева А.С., Брауде В.И.. В сельскохозяйственном машиностроении вопросы прогнозирования надежности несущих конструкций отражены с большой полнотой в работе [15], а также в работах Грошева Л.М. [19], Попова Д.Д. [60] и других. Общие проблемы надежности и ресурса в машиностроении рассмотрены в работе [80]. Программа работ по надежности при проектировании машин представлена в работе [32]. В сельскохозяйственном машиностроении направлениями развития экспериментально-расчетных прогнозов несущих конструкций следует считать применение принципа многорежимности эксплуатации, накопление данных по характеристикам сопротивления усталости деталей с учетом рассеяния, применение методов механики разрушения [32,66]. Без обширных данных по эксплуатационным нагрузкам, действующим на несущую конструкцию мобильной сельскохозяйственной машины в различных природно-климатических зонах и в различных режимах использования, достоверность прогнозов и оценок надежности не может быть гарантирована. Эта проблема является ключевой в работах Терликова В.А. [76], Андросова А.А. [2], Андрющенко Ю.Е., Бачалова В.М., Луконина Ю.А. [38], Маныпина Ю.П. [47], Попова Д.Д. [60], Рублева B.C., Санчеса Х.Р. [68], Терликова В.В. [79], Шабанова Б.М. и других. Важность проблемы делает ее предметом самостоятельного исследования. В настоящее время необходимо на базе обобщения полученных материалов проработать пути автоматизации исследований, системного подхода к информационному обеспечению проектирования. Весьма важной, но пока еще далеко не решенной, проблемой являются ускоренные ресурсные испытания несущих конструкций. Важнейшими методическими вопросами являются; разработка режимов нагружений, корректность ускорения оценок, необходимость создания специальных испытательных средств для оценок составных частей машины или достаточность универсальных средств и оценок полнокомплектной машины и т.п. В проблеме проектирования несущих конструкций минимальной металлоемкости с равнонадежными элементами существенную роль играет и сам метод проектирования. В работах [23, 6, 30] рассматривается методология инженерного творчества, классифицируются методы проектирования. Практика проектирования зерноуборочных машин показывает, что часто этот процесс с трудом поддается классификации.
Динамические модели сельскохозяйственных машин
Для обеспечения успешной работы системы автоматизированного проектирования, имеющей в своей основе глобальную базу данных (БД) системы проектирования, безотносительно аппаратной платформы программное обеспечение системы должно включать в себя, как подсистемы, следующие компоненты (рис. 2.6) (в скобках указаны номера БД, которые используются соответствующими модулями): A. модуль геометрического моделирования (1); B. модуль автоматизированного формирования на основе геометрической модели конечно-элементной модели (1, 2, 3, 4, 5); C. модуль автоматического расчета напряжений на элементах конструкции по МКЭ (2, 3,4, 5,6, 7); D. модуль автоматической оптимизации модели по критерию минимальной материалоемкости при максимальной прочности на основе анализа результатов расчета по МКЭ (2, 3,4, 5, 6); E. модуль автоматизированного построения базы данных по внешним воздействиям (7); F. модуль корреляционной оценки состояния конструкции под воздействием внешних нагрузок (2, 3,4, 5, 6, 7); G. модуль визуализации и анимации (1, 2, 3,4, 5,6,7); Н. модуль автоматического изготовления чертежей и документации (1,3,6); I. модуль осуществления диалога с пользователем (логический, текстовый и графический ввод-вывод) (8); J. модуль формирования файлов данных в процессе полигонных испытаний (косвенно определяет содержимое БД № 7). С учетом принципов синтеза структуры пространственной несущей конструкции и возможностей современных информационных технологий в создании систем проектирования конструкций, сформулируем оптимальный алгоритм синтеза структуры несущей конструкции с использованием стандартного и специализированного программного обеспечения, разрабатываемого в соответствии с целью и задачами научного исследования. Блок - схема алгоритма синтеза структуры несущей конструкции изображена на рис. 2.7. Программные модули классифицируются по следующим категориям: «И» - интерактивный модуль, работа в котором подчиняется логике ЛПР. В его распоряжении полный набор команд модуля и полная свобода действий в рамках правил работы с ним. На этом этапе проектирования от ЛПР требуется наибольшая квалификация и творческий подход. Этот модуль можно назвать «автоматизированным» в традиционном понимании. «М» - модуль типа «мастер», работа в котором подчиняется логике его проектировщика. От ЛПР требуется ответ на запросы модуля в логической, текстовой или графической форме. Вмешательство оператора в работу данного модуля возможно и необходимо, поскольку иначе нет альтернативы разрешить неоднозначность определенных ситуаций в процессе его работы. Здесь от ЛПР требуется высокая квалификация в области синтеза структур конструкций, но не требуется знаний о принципах функционирования модуля, о системе его команд и т.д. «А» - полностью автоматический модуль, работа которого не требует от ЛПР никакого вмешательства и не допускает его. При необходимости возможно изменение параметров работы модуля посредством конфигурационных субмоделей. В процессе разработки конфигурации системы проектирования конструкций учитываются следующие дилеммы, характерные для системного подхода [82]: ? простота и сложность; ? идеализация и реальность; инкрементализм и новаторство; оптимизация и субоптимизация. Так, при определении категории, к которой должен относиться тот или иной программный модуль, учитывается реальная возможность полной автоматизации его работы. Реальная возможность автоматизации зависит как от степени развития информационных технологий, так и от степени необходимости применения человеческого разума ЛПР для решения поставленной задачи в той или иной степени творческим, новаторским путем. Кроме того, учитывались целесообразность оптимизации работы модулей, исходя из затрат на интеллектуальные разработки и реально возможную выгоду от них. Здесь проявилось противоречие между простотой и сложностью компонентов системы проектирования. Таким образом, буквой «А» на блок-схеме отмечены модули. Работу, которых целесообразно и возможно полностью автоматизировать. Буквой «М» -модули, которые автоматизированы частично. И буквой «И» - модули, не подверженные автоматизации. Из технического задания на проектирование оператор системы - ЛПР -извлекает на основании назначения будущей машины, ее принципиальной схемы информацию о возможных очертаниях ее несущей системы, основных частях, их расположении и массах. Необходимо знание местоположении опор (как правило, точками опоры несущей конструкции являются места пересечения осей колесных пар машины с основными контурами каркаса рамной системы) (см рис 2,7.). Имея эту информацию, ЛПР вводит ее в систему посредством модуля геометрического моделирования в интерактивном режиме (модуль А). На выходе модуля геометрического моделирования входная информация предстает в виде базы данных геометрических элементов (БД № 1). На данном этапе ЛПР может проанализировать правильность ввода геометрической информации с помощью растрового изображения на экране монитора, формируемого модулем визуализации (G.) системы и скорректировать ее в соответствии с представлениями о принципах функционирования машины. Следующим этапом алгоритма синтеза является преобразование геометрической модели в конечно-элементную модель при помощи специализированного программного модуля (В). В результате его работы формируются БД №№ 2-5 глобальной БД системы. Конечно-элементная модель можно визуализировать и незначительно откорректировать в конечно-элементном редакторе системы анализа по МКЭ. Следующим этапом проводится статический расчет модели по МКЭ (модуль С). В результате формируется база данных по напряжениям (БД №6), реляционно-связанная с БД № 3. Появляется возможность статической визуализации полей напряжений на пластинчатых конечных элементах модели для определения потоков нагрузок от массовых компонентов конструкции.
На следующем этапе возможно проведение процедуры итеративного стягивания области размещения металла посредством работы модуля (D) системы. Этот модуль производит изменение БД № 1 путем добавления в нее дополнительных контуров по линиям равных напряжений определенного уровня, определяемого ЛПР, обозначающих области изъятия металла из оболочки -прообраза несущей конструкции. Алгоритм повторяется до тех пор, пока повторение расчета не даст сколько-нибудь значительного изменения контуров конструкции.
Особенности применения метода конечных элементов (МКЭ)
Основные зависимости между геометрическими и физическими величинами в механике сплошной среды выводятся на элементе дифференциально-малых размеров. Зависимости между средними значениями этих величин, предполагая их непрерывность, распространяются с бесконечно малых элементов на всю рассматриваемую область. Таким образом, появляются дифференциальные уравнения обычные или частичные, интегральные или интегрально-дифференциальные, которые в соответствующими контурными инициальными условиями определяют в математическом смысле соответствующую граничную задачу. К сожалению, очень мало граничных задач, для которых могут найтись решения в закрытой форме. Поэтому ведется поиск их приблизительных решений. Существует множество способов и методов численного анализа, с помощью которых решения этих задач сводятся к алгебраическим, то есть к решениям соответствующих дискретных систем.
Метод конечных элементов (МКЭ) относится к методу дискретного анализа. В отличии от остальных численных методов, основывающихся на математической дискретизации уравнений граничных проблем, МКЭ базируется на физической дискретизации рассматриваемого домена. Вместо элементов дифференцированно малых размеров основу всех исследований составляет часть домена конечных размеров - поддомен или конечный элемент. По этой причине основные уравнения, с помощью которых описывается состояние в отдельных элементах, являются обычными алгебраическими вместо дифференциальных или интегральных уравнений.
С точки зрения физической интерпретации это означает, что рассматриваемый домен как сплошная среда с бесконечно многими степенями свободы заменяется дискретной моделью связанных между собой конечных элементов с конечным числом степеней свободы. Поскольку число дискретных моделей для одной граничной проблемы неограниченно велико, то основная задача заключается в том, чтобы выбрать ту модель, которая лучше всего аппроксимирует соответствующую граничную проблему. Хотя нет точных критериев, обеспечивающих выбор наилучшей дискретной модели, что в большей мере относится к инженерной интуиции и профессиональному опыту.
Несущие конструкции сельскохозяйственных машин имеют ряд специфических особенностей обусловленные сложившийся школой конструирования и набором свойств для составляющих ее элементов, способствующих выполнению заданного технологического процесса. В этом случае важно выбрать методику формирования модели, дающего наименьшую погрешность при расчетах и не зависящую от опыта работы и интуиции оператора. При этом немаловажную роль отводится пакету прикладных программ реализующих МКЭ. По способу исполнения и формулировки основных уравнений МКЭ или уравнений для отдельных конечных элементов различают четыре основных вида МКЭ: прямой, вариационный, резидуума и энергетического баланса. Прямой метод аналогичен деформации в расчете линейных опор. Его используют при решении относительно простых проблем. Он удобен для получения значений по отдельным шагам аппроксимации. Вариационный метод основан на принципе стационарности функционала. В проблематике механики твердого тела функционал обычно является потенциальной, соответственно комментарной энергией системы или формулируется на базе этих двух энергий (Хеллингер-Рейонер, Ху-Вашизи). В отличие от прямого метода, который можно применить только к элементам совсем простого вида, вариационный метод одинаково успешно применяется как к элементам простого, так и сложного видов. Метод резидуума (метод весового резидуума) представляет собой вид аппроксимации по МКЭ, базирующийся на дифференциальных уравнениях рассматриваемой задачи. Этот метод применяют при решении таких задач, у которых трудно сформулировать функционал или он вообще отсутствует. Метод энергетического баланса основан на балансе различных видов энергии, его применяют в термостатическом и термодинамическом анализах сплошной среды. В механике твердых тел из приведенных видов МКЭ особое место принадлежит методам вариационному и резидуума, которые в применяемой области представляют два комплиментарных метода одинаковой точности. Вариационный метод находит широкое применение, так как выражения в функционале обычно имеют низший ряд производной по сравнению с производной в соответствующем дифференциальном уравнении и задачи, который позволяет выбирать интерполяционные функции из широкого семейства простых функций. Вариационный вид МКЭ выведен из классического метода Ритца, а метод резидуума из классического метода Бубнова-Галеркина. В принципе, из других вариационных методов, как из метода резидуума, также можно вывести соответствующие виды МКЭ. Однако их применяют значительно реже. В отличие от классических вариационных методов, в которых выбор интерполяционных функций зависит от конфигурации рассматриваемой задачи, в МКЭ этого не происходит, так как интерполяционные функции определяются исключительно в рамках отдельных конечных элементов. Интерполяционные функции - семейство независимых между собой функций, которые принимаются за элемент, так что их значения вместе со всеми остальными элементами, кроме элементов, к которым они относятся, идентично равны нулю. В этом состоит основное различие между МКЭ и классическими методами Рэйлей-Ритца и Бубнова-Галеркина, в которых интерполяционные функции принимаются для всего домена,
В расчете инженерных конструкций несущих систем сельскохозяйственных машин по МКЭ аналогично с расчетом методами статики конструкций за основные неизвестные можно принять: кинематические величины (перемещения, производные перемещений, компоненты деформаций и др.) и статические величины (внутренние силы, компоненты напряжений и др.).
При этом в зависимости от способа выбора основных неизвестных в узлах различают три основных вида МКЭ: метод деформаций, метод сил и смешанный или гибридный метод.
Метод деформаций с основными неизвестными кинематическими (деформированными) величинами применяется чаще. Однако при решении некоторых проблем напряженно-деформационного анализа, он удобен как метод сил, так и смешанный или гибридный метод. В этих методах неизвестные принимают статические, соответственно частично статические и кинематические величины.
Внешние воздействия на сельскохозяйственные машины
Надежность любой конструкции закладывается на самом раннем этапе жизненного цикла машины - на этапе проектирования. Важнейшей проблемой при этом является проблема снижения массы, которая может быть решена поиском такой конструкции, в которой отдельные стержни работали исключительно на растяжение или сжатие.
Проблема распадается на следующие задачи: - нахождение оптимального очертания силовой структуры несущей конструкции; - определение закона распределения материала вдоль осей локальных стержней силовой структуры; - установление закона распределения материала в поперечном сечении стержневых элементов, составляющих силовую структуру. Решающим фактором проектирования несущей конструкции с заданным уровнем надежности является синтез оптимальной структуры силовой схемы, на которую накладывают следующие ограничения [82]:предельные перемещения для І -ой точки. Здесь предполагается, что а=0 соответствует неповрежденной конструкции. Для пространственной структуры несущей системы предполагается введение ограничения по трём направлениям глобальной системы координат. Выбор новой структуры силовой конструкции по существу означает разработку новой модели машины. Синтез оптимальной структуры силовой схемы конструкции можно принципиально осуществить двумя путями: задаться некоторым начальным предположением (аналог предшествующей конструкции) и произвести поиск методом прямого перебора улучшения схемного решения или отказаться от априорной схематизации проектной области размещения материала и рассматривать ее как непрерывную упругую среду, которая включает в себя все возможные схемы. Решение задачи поиска оптимальной структуры такой сложной системы, как несущая конструкция мобильных сельскохозяйственных машин, становится принципиально возможным только на основе использования метода конечных элементов [29, 38]. Модель проектной области размещения металла представляет собой упругую непрерывную среду, вписываемую в определенные очертания конструкции, которая аппроксимируется мембранными пластинчатыми (для плоских систем) или объемными элементами. Все агрегаты и узлы, не входящие в эту систему, заменяются своими массами и точками приложения весовых и инерционных нагрузок в глобальной системе координат [50, 51]. Для плоских тонкостенных и пространственных конструкций в качестве конечных элементов используются четырехугольные или треугольные мембранные элементы. Любая нагрузка, воздействующая из плоскости элементов, воспринимается как некорректная. В заданную область вписывается упругая непрерывная среда, составленная из таких элементов достаточно малого размера, в пределах которого можно пренебречь изменением усилий и напряжений. Для облегчения создания конечно-элементной модели предлагается на начальном этапе создать геометрическую модель, состоящую из следующих примитивов: плоскостей, представляющих из себя контуры проектной области размещения металла, точек приложения и мест закрепления. Нагружение модели осуществляется весовыми нагрузками от всех учтенных масс. Нагрузки в перегрузочных режимах определяются как весовые с учетом коэффициентов динамичности, полученных по экспериментальным исследованиям машин-аналогов, В процессе эксплуатации сложных мобильных сельскохозяйственных машин доминирующими нагрузками принято считать нагрузки от агрегатов и их динамические приращения. Эксперименты, проведенные с различными конечными элементами, показывают, что наибольшую информативность и точность в решении можно получить, если обтягивающую поверхность моделировать в виде простых геометрических тел в пространстве. Эта структура включает в себя простые геометрические объекты и имеет ряд существенных преимуществ, которые нельзя получить при рассматривании модели с оболочкой, представляющей собой плоскость или ряд плоскостей, которые охватывают основные несущие элементы конструкции. Такая картина позволяет получить информацию об основных путях передачи сил в конструкции, выявить основные силовые элементы, особенности их работы и уровни напряжений в них. Высоконагруженные области образуют структуру, распределение металла внутри которой позволяет обеспечить эффективную работу при заданных внешних нагрузках. В слабо нагруженные зоны помещение металла нерационально, поскольку эти зоны не являются несущими по отношению к приложенной схеме нагрузок. Наложение ограничений по прочности и жесткости, оптимизация итеративного процесса поиска позволяют получить оптимальную структуру несущей системы при минимальной массе конструкции. С помощью итеративного стягивания металла, исключая из модели элементы, напряжение в которых не превышает некоторый заданный уровень, можно получить зоны повышенных напряжений, которые и предполагают ориентацию стержневой силовой схемы несущей системы. Анализируя картину напряженного состояния, лицо, принимающее решение (ЛПР), определяет направление стержней с учетом конструктивных решений опор, поддерживающих рабочие органы машины и силового привода. И далее расчет переходит во вторую стадию, в которой необходимо определить оптимальную конфигурацию отдельно взятых стержней. В общем виде такая конфигурация определяется с использованием пакетов, реализующих метод конечного элемента по приведенному алгоритму (рис. 3.1).
