Abstract

Abstract

In this study, a comparative analysis of approaches, models and tools for simulation of deformable (flexible) bodies is performed by MSC.Patran (MSC.Nastran), ANSYS in conjunction with a program of dynamic simulation of multibody designs MSC.ADAMS. Strength analysis of finite element models included in the assembly is performed using the obtained during dynamic load analysis loads.

Full Text

Введение Составляющей частью технологий проектирования и управления инженерными данными предприятия с распределенным доступом являются программные продукты, предназначенные для моделирования динамического поведения многодетальных конструкций. Цель использования такого рода пакетов - прогнозирование кинематических, динамических и прочностных характеристик проектируемого изделия, оптимизация отдельных узлов и агрегатов. Одним из пакетов динамического моделирования сложных машин и механизмов является MSC.ADAMS. С помощью ADAMS можно создать полностью параметризованную модель изделия, построив ее непосредственно в препроцессоре или импортировав из наиболее распространенных CAD-систем. В частности, в статье [1] создана трехмерная модель двигателя внутреннего сгорания и проведен кинематико-динамический анализ его работы. Важная особенность ADAMS заключается в возможности включения в модель, состоящую из абсолютно жестких массивных элементов, деталей, в которых помимо инерционных характеристик учитываются их упругие свойства (технология Flexible Bodies - гибкие или деформируемые тела). Включение Flexible Bodies в сборку возможно благодаря импорту конечно-элементной модели деформируемого тела из специализированных CAE-пакетов (MSC.Nastran [2], MSC.Patran, ANSYS [3], и др.). Например, технология расчета в ADAMS с использованием ANSYS применена в статье [4] для динамического расчета мультифункционального офисного кресла. А в статье [5] интерфейс ADAMS-ANSYS используется для моделирования работы параллельного дельта-робота. По окончании расчета вычисленные нагрузки и силы инерции, действующие на упругое тело, экспортируют обратно в CAE-среду для точной оценки прочности. Целью данного исследования является расчет прочности для последующей оптимизации элементов подвески на базе анализа динамического поведения платформы в процессе выстрела. 1. Общее описание виртуального прототипа самоходного артиллерийского орудия (САО) Виртуальный прототип представляет собой механическую систему, состоящую из абсолютно твердых тел, соединенных между собой шарнирами и безынерционными упругими элементами. Виртуальный прототип позволяет получить все кинематические и силовые параметры в узлах и агрегатах модели. Все связи в системе считаются голономными и склерономными. Динамическая модель состоит из следующих компонентов: дорога, шасси, артиллерийская установка. Дорога является стандартным компонентом ADAMS. Шасси состоит из следующих компонентов: подрессоренная часть, рессоры, амортизаторы, реактивные тяги балансирной тележки, мосты, передние ступицы, рулевые тяги, колеса. Импульсная установка состоит из следующих компонентов: качающаяся часть, вращающаяся часть, платформа, гидроцилиндры, станицы, ухо поворотное. Наведение орудия при выстреле осуществляется заданием двух параметров - угла подъема качающейся части относительно вращающейся части и угла поворота башни относительно платформы при выстреле. Виртуальный прототип, выполненный в пакете ADAMS, со встроенными упругими компонентами - станинами - представлен на рис. 1. Рис. 1. Модель ходовой части САО. Нумерация шарниров в станине Математическая постановка для динамической модели твердотельной многомассовой системы в ADAMS, а также модель деформируемых тел в MSC.Nastran и ANSYS описана в [6]. 2. Результаты расчета модели в MSC.ADAMS Исследуется динамическое поведение САО и проводится сравнительный анализ трех разных случаев: с абсолютно жесткими компонентами модели - станинами, с заменой станин деформируемыми аналогами, импортированными из ANSYS, а также из MSC.Nastran (Patran). Моделирование выполнено с горизонтальным углом наведения, равным 90° (угол поворота башни относительно платформы), вертикальным - 45° (угол подъема качающейся части относительно вращающейся части). Характерные времена: 0-5 с - становление в положение равновесия, опускание (выдвижение) станин, 8 с - выстрел, 8-12 с колебания после выстрела. На рис. 2, 3 представлено сравнение результатов расчета модели в ADAMS с использованием деформируемых станин, импортированных из Ansys (черный цвет графика), Nastran (Patran) (синий цвет графика), и абсолютно жестких (Rigid) станин (красный цвет графика). Максимальная амплитуда усилий возникает во втором шарнире в передней правой станине за счет отдачи от выстрела. При использовании в конструкции абсолютно жестких станин амплитуда усилий возрастает на 16 % в сравнении с использованием деформируемых станин (см. рис. 2). На рис. 3 представлена сумма амплитуды сил, возникающих в первом шарнире передней правой станины в момент выдвижения станин и касания платформы. Амплитуда колебаний усилий в сборке с жесткими компонентами также значительно больше, чем в модели, включающей упругие компоненты. Номера шарниров указаны на рис. 1. Рис. 2. Сумма амплитуды сил во 2-м шарнире в передней правой станине в промежуток времени, соответствующий выстрелу Рис. 3. Амплитуды силы в 1-м шарнире в передней правой станине в промежуток времени, соответствующий подъему 3. Результаты расчета НДС С помощью плагина Adams/Durability можно получить предварительную картину напряженно-деформированного состояния в постпроцессоре ADAMS. Также с помощью плагина Adams/Durability можно узнать наиболее напряженные точки тела вместе с временами их достижения. На рис. 4 представлены поля напряжений по Мизесу в момент времени достижения максимальных напряжений, полученные с помощью плагина Adams/Durability (а) и вычисленные в MSC.Nastran (б). Расчет НДС в ANSYS показал аналогичную MSC.Nastran картину напряженного состояния. а б Рис. 4. Напряжения по Мизесу: а - Adams/Durability; б - MSC.Nastran Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что соответствующие поля напряжений по Мизесу в Adams/Durability и в CAE-пакете качественно совпадают, но количественно имеют различия. При расчете НДС в CAE-пакетах конечно-элементная сетка была улучшена для более точного определения напряженного состояния. Заключение Проведен динамический расчет модели САО и сравнение трех случаев: с включением в модель абсолютно жестких компонент - станин, с заменой станин деформируемыми аналогами, импортированными из ANSYS, а также из MSC.Nastran (Patran). По полученным в ADAMS нагрузкам на упругий компонент рассчитано его напряженно-деформированное состояние в средах ANSYS и MSC.Nastran (Patran), а также с помощью плагина Adams/Durability. Количественно и качественно результаты между двумя CAE-пакетами схожи. Полученное напряженное состояние в Adams/Durability имеет на 20 % заниженное значение экстремальных напряжений в сравнении с хорошо согласующимися между собой результатами в ANSYS и MSC.Nastran.