Аннотация

Аннотация

Проведен сравнительный анализ подходов, моделей и инструментов, предназначенных для моделирования деформируемых (гибких) тел в пакетах MSC.Patran (MSC.Nastran), ANSYS совместно с программой динамического моделирования многотельных конструкций MSC.ADAMS. По полученным в ходе динамического расчета нагрузкам проведен прочностной анализ конечно-элементных моделей, входящих в сборку.

Полный текст

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.