Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Факультет ТМ Кафедра ТММ і САПР

Спеціальність Інформаційні технології проектування

ЗВІТ З ПЕРЕДДИПЛОМНОЇ ПРАКТИКИ

Тема роботи: Оцінка працездатності фрикційних дисків гальмівного механізму

заднього моста в процесі екстреного гальмування.

Виконавець Халченко Сергій Олександрович

Керівник практики Симсон Едуард Альфредович

Консультант практики Прево Іван Дмитрович

Керівник від кафедри Ткачук Микола Анатолійович

Харків 2012

2

ЗМІСТ

Вступ..................................................................................................................... 3

1 Літературний огляд........................................................................................... 5

2 Постановка задачі............................................................................................. 8

3 Метод розв'язання............................................................................................. 9

3.1 Метод скінченних елементів................................................................. 9

3.2 Напружено-деформованний стан......................................................... 11

3.2.1 Напружений стан у точці........................................................ 11

3.2.2 Головні напруження................................................................ 14

3.2.3 Головні дотичні напруження................................................. 14

3.2.4 Класифікація напружених станів........................................... 14

3.2.5 Диференційні рівняння рівноваги.......................................... 15

3.2.6 Деформований стан в точці..................................................... 16

3.2.7 Зв’язок між компонентами тензора деформацій та

переміщеннями.........................................................................

17

3.2.8 Узагальнений закон Гука........................................................ 17

4 Опис конструкції............................................................................................... 20

5 Проведення спільного аналізу......................................................................... 22

6 Використання програм..................................................................................... 26

6.1 Створення програм.............................................................................. 26

6.2 Використання створенних програм...................................................... 27

7 Статичній аналіз дискового гальма................................................................. 32

Висновки............................................................................................................... 36

Список джерел інформації.................................................................................. 37

3

ВСТУП

Постійний розвиток і вдосконалення техніки супроводжується процесом

зростання складності конструкції, підвищенням технічного рівня устаткування

та якості виконання деталей.

У зв’язку з цим неухильно зростає роль розрахунків, які проводяться ще

на стадії проектування нового виробу. Для вирішення цієї задачі існує чимала

кількість програмних продуктів, орієнтованих як на різні задачі, так і на такі,

що мають спільні сфери застосування. Однак іноді роль дослідника стає

визначальною: від вибору типу геометричної моделі, ступеня її детальності,

типу скінченних елементів і методу побудови скінченних елементів (СЕ) може

залежати не тільки точність, але навіть й адекватність отриманих результатів. У

таких випадках перешкодою служить недолік загальної методики автоматизації

всього комплексу дослідницьких робіт. Це стосується, в першу чергу, рішення

задач синтезу, коли потрібно проводити різноманітні розрахунки напружено-

деформованого стану об’єктів дуже складної форми, особливо, коли вони

задані за допомогою множини параметрів та взаємозв’язків між ними, які дуже

важко формалізуються. З огляду на зазначені обставини, виникає важливе

актуальне задача розробки розрахункового підходу. У зв’язку з цим в

переддипломної практики запропоновано оцінка працездатності фрикційних

дисків гальмівного механізму заднього моста в процесі екстреного гальмування

в програмному комплексі ANSYS Workbench 13.0.

Використання програмного комплексу ANSYS Workbench 13.0 дозволить

провести випробування на міцність, та термопружність для удосконалення

об’єкта дослідження без витрат великої кількості часу. Також значно

зменшуються фінансові витрати на побудову макетів досліджуваної моделі.

Наочність моделі і можливість її детального розгляду, дозволяє запобігти

великої кількості помилок на етапі моделювання.

Використання систем автоматизованого проектування (САПР) на

промислових підприємствах – це не тільки спосіб отримання конкурентної

4

переваги, але і конкурентоспроможність. Адже в сучасних умовах неможливо

відповідати умовам ринку, розробляючи продукцію вручну й витрачаючи на це

роки.

5

1 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

У данній переддипломної практики проводився розрахунок статичний та

термічний аналіз гальмівного механізму, тому слід розглянути літературні

джерела за наступними напрямками:

− побудова дискового гальма;

− теорія статичного та термічного анализа;

− теорія методу скінчених елементів;

− вибір систем для проектування та розрахунків;

Поперше була використана книга під редакцією Коваленко А. Д. [4]. У

цій книзі розглядаються конструкція деяких видів гальмівного механізму.

Наведені методи розрахунку фрикційних елементів, натискниго диска та

іншого обладнання.

Особдивості конструкцій ілюструються на прикладах сучасних дискових

гальм. Детально наведені розрахунки уточнення методики дослідження впливу

теплової навантаженості натискного диска зчеплення і вплив конструктивного

виконання проміжного диска на стабільність характеристик.

Також був використаний підручник М. П. Александрова, А. Г.

Лисякова [1]. У цій книзі багатий вибір гальмових пристроїв або необхідні дані

для їх розрахунку і конструювання.

Cтаття Сергиенко А.Н. [3] являє собою невеликий опис теорії

термоупругості. Ця стаття була вибрана так як в ній розглянуто термічний

аналіз фрикційних дисків дискового гальма.

Ликов А. В. [2]. Перевагою цього посібника над попереднім є те, що ця

книга являє собою першокласний методичний рівень, обумовлений тим, що

його основою послужили відпрацьовані за багато років лекції з теорії

теплопровідності. У той же час матеріал книги викладений на високому

теоретичному рівні з великою кількістю розв'язаних задач.

Через те, що основним методом розрахунку у роботі є метод скінчених

елементів, на ньому було проведено більш детальне знайомство. Метод

6

скінчених-елементів - чисельний метод розв'язання задач прикладної фізики.

Цей метод став широко використовуватися для вирішення задач механіки

деформованого твердого тіла, теплообміну, гідродинаміки та електродинаміки.

Основним помічником для теоретичних основ стали книги

Р.Галлагера [5] і Г.Стренга [6]. В них глибоко розглянуті питання застосування

кінцевих елементів і варіаційного підходу до задач теорії пружності. Виклад

матеріалу починається з простих понять, тому книга може використовуватися

як навчальний посібник. Також в цих книгах викладаються теоретичні основи –

інтерполяція даних, вибір апроксимуючих функцій, модифікація крайових

умов, точність обчислення. Обговорюються можливості застосування в різних

галузях фізики і техніки, наводяться прості приклади для ілюстрації

теоретичний положень. В книзі присутні всі математичні докази необхідні для

чіткого обґрунтування оцінок збіжності. Коло розглянутих задач досить широке

– еліптичні та параболічні задачі, задачі на власні значення. При цьому не

тільки обговорюються теоретичні питання, але й даються практичні

обчислювальні рекомендації.

Системи автоматизованого проектування є невід’ємною частиною

сучаного проектування та аналізу машин та механізмів, тому це мабуть

найголовніша частина данної переддипломної практики. Операючись на дані

міжнародного ринку CAD/CAM/CAE систем а також на інтернет ресурс

SolidWorks Russia [8], для редагування геометричної моделі гальмівного

механізму обрали програмний пакет SolidWorks 2008. Так як його можливості

більшою мірою задовольняють наші потреби.

SolidWorks - система автоматизованого проектування, інженерного

аналізу і підготовки виробництва виробів будь-якої складності і призначення.

SolidWorks є ядром інтегрованого комплексу автоматизації підприємства, за

допомогою якого здійснюється підтримка життєвого циклу, включаючи

двонаправлений обмін даними з іншими Windows-додатками і створення

інтерактивної документації. Вїн надає багато можливостей для тривимірного

моделювання, має широке поширення в світі і дозволяє створювати моделі

7

високої складності. І найголовніше ми можемо не купувати ті модулі пакету,

які нам не потрібні.

Відповідно до завдання програмою для розрахунку і аналізу мала

бути CAE-система ANSYS Workbench 13.0. Цей програмній пакет є фактично

лідером САЕ-пакетів. Для виконання завданя потрібно було ознайомитися не

лише з базовим функціоналом системи але і поглиблено вивчити деякі аспекти

проведення статичного та термічного аналізу. У цьому нам допоможить книга

Чигарева А.В., Кравчука А.С., Смалюка А.Ф.[7]. Тут дан опис використання

засобів гравічного інтерфейсу програми для створювання моделей, їх розбиття,

вибора візичной моделі поведінки матеріалу, виконання та візуалізаціх

результатів. Для ілюстрації матеріалу наведений ряд прикладів рішення задач

розрахунку на міцність із використанням пружних і пластичних матеріалів, а

також простіша задача теплообміну. Детально розглянуті всі важливі етапи

підготовки задачі, її рішення і відображення результатів. Приклади

супроводжуються поясненням використання основного меню, і де можливо

текстом відповідних команд.

8

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ

Метою роботи є:

1) розробити скінченно-елементну модель гальмівного механізму;

2) дослідити теплове поле числовим методом;

3) аналіз отриманих результатів.

На підставі отриманих результатів можна робити певні висновки щодо

достовірності розрахунків, проведених у програмному комплексі

ANSYS Workbench 13.0, а також можливість вирішення задач цього класу.

Умовно задачу можно поділити на наступні етапи:

1) редагування геометричної моделі гальмівного механізму за

допомогою програмного комплексу SolidWorks 2008;

2) створення скінченно-елементної моделі дискового гальма;

3) проведення необхідних розрахунків на базі скінченно-елементної

моделі в програмному комплексі ANSYS Workbench 13.0;

4) аналіз отриманих результатів.

9

3 МЕТОД РОЗВ'ЯЗАННЯ

3.1 Метод скінченних елементів.

В науці та техніці постійно доводиться розраховувати системи, що мають

складну геометричну конфігурацію та непостійну фізичну структуру.

Комп’ютери дозволяють виконувати такі розрахунки за допомогою наближених

числових методів. Метод скінченних елементів (МСЕ) є одним з них. В останнє

роки він зайняв ведуче положення та отримав широке застосування.

Виникнення методу скінченних елементів пов’язане з розв’язком задач

космічних досліджень (1950 р.). Цей метод виник з будівельної механіки та

теорії пружності, а вже потім був осмислений математиками, які часто

називають даний метод варіаціонно-резонансним, підкреслюючи тим самим

його математичну природу. Вони займаються математичним обґрунтуванням

МСЕ, тобто проводять теоретичний аналіз його збіжності й точності

результатів. Представники ж інженерного напрямку вирішують досить складні

технічні задачі, часто не замислюючись над суворим обґрунтуванням прийомів,

які вони застосовують, а побудовані алгоритми й програми перевіряють на

відомих точних розв’язках.

Істотний поштовх у своєму розвитку МСЕ отримав після того, як в

1963 р. було доведено, що цей метод можна розглядати як один з варіантів

відомого в будівельній механіці метод Релєя-Ритца, який шляхом мінімізації

потенційної енергії дозволяє звести задачу до системи лінійних рівнянь

рівноваги.

Зв'язок МСЕ з процедурою мінімізації дозволила широко

використовувати його при розв’язанні задач в інших галузях техніки. Метод

застосовувався до задач, що описуються рівняннями Лапласа або Пуассона

(наприклад, електромагнітні поля). Розв’язок цих рівнянь також пов'язаний з

мінімізацією деякого функціоналу. Відомі розв’язки за допомогою цього

10

метода задач розповсюдження тепла, задач гідромеханіки і, зокрема задач про

протіканні рідини в пористому середовищі.

Сфера застосування МСЕ значно розширилась, коли в 1968 р. було

показано, що рівняння, що визначають елементи в задачах будівної механіки,

розповсюдження тепла, гідромеханіки, можуть бути легко отримані за

допомогою таких варіантів метода зважених не в’язок, як метод Гальоркіна або

метод найменших квадратів. Встановлення цього факту зіграло важливу роль в

теоретичному обґрунтуванні МСЕ, т.я. дозволило застосовувати його при

розв’язанні багатьох типів диференційних рівнянь. Таким чином, метод

скінчених елементів з чисельної процедури розв’язку задач будівної механіки

перетворився на загальний метод чисельного розв’язку диференційних рівнянь

або систем диференційних рівнянь. Цей прогрес був досягнутий за досить

короткий термін, завдяки вдосконаленню комп’ютерної техніки [2].

Основна ідея методу скінчених елементів полягає в тому, що будь-яка

неперервна величина (температура, тиск, переміщення) апроксимується

дискретною моделлю, побудова якої виконується на безлічі кусочно-

безперервних функцій, визначених на скінченному числі підобластей.

Алгоритм побудови дискретної моделі неперервної величини, що вивчається

полягає в наступному: у області що розглядається фіксується скінчене число

точок, ці точки в подальшому називають вузлами; вважають, що неперервна

величина, яка досліджується в кожному вузлі є змінною, що підлягає

визначенню в процесі розв’язку задачі; Область зміни неперервної величини

розбивають на елементи, ці елементи мають між собою спільні вузли і, в

сукупності, апроксимують форму області в цілому; неперервну величину

апроксимують в межах кожного елементу поліномом, коефіцієнти якого

розраховують на підставі значень цієї величини у вузлах, кожен елемент

апроксимують своїм поліномом, а коефіцієнти поліномів підбирають таким

чином, щоб збереглась безперервність величини вздовж границь сусідніх

елементів.

11

3.2 Напружено-деформований стан.

3.2.1. Напружений стан у точці.

Тіло, що знаходиться під дією системи врівноважених сил представлено

на рисунку 4.1.

Рисунок 3.1 – Тіло під дією врівноважених сил.

Щоб дослідити внутрішні сили в малій області навколо точки В

(рис.3.1), необхідно провести через дану точку перетин, розсікає тіло на дві

частини, і відкинути одну з них, а дія відкинутої частини замінюється

внутрішніми силами (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Перетин, що розсікає тіло

Необхідно виділити малу площадку А , що містить точку В . Зовнішня

нормаль цієї площадки позначається. .

В

2F

1F

В

А

R

срP

P

1F

12

Результуюча внутрішніх сил, що діють на площадку А , позначається

R

. Ділячи результуючу R

на А отримуємо величину середньої напруги по

площадці

A

RPср

(3.1)

Величина срP

залежить від розмірів площадки. Щоб позбавитись від

впливу розмірів площадки А , необхідно перейти до границі та почати стягати

площадку до точки В

A

RP

A

lim0

(3.2)

Величина

P

називається повною напругою в точці В по площадці з

зовнішньою нормаллю .

Очевидно, що якщо вибрати іншу площадку, що проходить через точку

В , але орієнтовану іншим чином, то в загальному випадку вектор повної

напруги опиниться іншим.

Сукупність всіх векторів повної напруги по всім площадкам, що

проходять через дану точку, складає напружений стан в даній точці.

Напружений стан в даній точці відомо, якщо відомі напруження по трьом

взаємно перпендикулярним площадкам, що проходять через дану точку.

Необхідно визначити напружений стан в точці В . Для цього необхідно

виділити в околиці цієї точки малий прямокутний паралелепіпед (рис. 3.3).

Розміри паралелепіпеда настільки малі, що напружений стан в межах

паралелепіпеда можна вважати однорідним, та що грані паралелепіпеда є

площадками, що проходять через точку В та мають зовнішніми нормалями осі

.,, ZYX

13

Рисунок 3.3 – Малий прямокутний паралелепіпед в околиці точки

Повну напруженість можна розкласти на три складові, що направлені по

координатним осям. Всього буде 9 компонент напруженого стану: три

нормальних та шість дотичних напружень. Нормальні напруження

позначаються з індексом, що вказує зовнішню нормаль.

Наприклад, x

— нормальна напруженість по площадці з зовнішньою

нормаллю X .

Дотичні напруження позначаються з двома індексами. Перший індекс

вказує площадку, другий – направлення напруженості.

Наприклад, xy — дотична напруженість по площадці з зовнішньою

нормаллю X , паралельне осі Y.

Нормальна напруженість вважається додатньою, якщо вона направлена

по зовнішній нормалі, тобто є такою, що розтягує.

Дотичні напруження вважаються додатними, якщо при додатній

зовнішній нормалі вони направлені в бік додатних координатних осей.

Очевидно, що по протилежним граням паралелепіпеда діють рівні по

величині та протилежні по направленню напруження.

Необхідно відмітити, що хоча на рис.3.3 компоненти напруженого стану

показані у вигляді векторі, вони є величинами скалярними.

XY

Z

x

z

y

xy

xz

zx

zy

yx

yz

14

3.2.2 Головні напруження.

В околиці будь-якої точки існують три взаємно перпендикулярні

площадки, дотичні напруження по яким рівні нулю. Ці площадки називаються

головними, а напруження, що діють на них головними напруженнями.

Нижче показано, як знаходити головні напруження та головні площадки в

загальному випадку.

3.2.3 Головні дотичні напруження.

Екстремальні дотичні напруження виникають на площадках, що

проходять через ребра паралелепіпеда, гранями якого є головні площадки, і

прямі кути між гранями що ділять пополам (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Площадки екстремальних дотичних напружень

Найбільшим з головних дотичних напружень є напруження

2

31max13

(3.3)

3.2.4 Класифікація напружених станів.

Окремі випадки визначення головних напряжений:

1) Якщо всі три головні напруження відмінні від нуля, то напружений

стан називається об’ємним або трьохосним.

1

3

2

1

3

2

3

1

2

232

23

231

13

232

23

15

2) Коли два головні напруження відмінні від нуля, напружений стан

називається плоским або двоосним. Кубічний інваріант при цьому дорівнює

нулю: 03I .

3) Якщо напруження діє лише в одній плоскості, наприклад, в

плоскості, паралельній координатній плоскості X—Y, то тензор напружень буде

складатися з трьох незалежних компонентів (ненульових).

000

0

0

yyx

xyx

T (3.4)

4) Якщо кубічний та квадратичний інваріанти одночасно рівні нулю,

то напружений стан називається в цьому випадку лінійним або одноосним.

Приведена вище класифікація не є вичерпною, і тому прийнято

класифікувати напружений стан ще в залежності від знаку головних

напружень. В цьому випадку всі напружені стани можна розділити на три

класа:

1. Трьохосні розтягнення. В цьому випадку жодне з головних напружень

не є стискаючим.

2. Трьохосні стиснення, коли жодне з головних напружень не є

розтягуючим.

3. Змішані напружені стани, коли найбільше та найменше головні

напруження мають різні знаки.

3.2.5 Диференційні рівняння рівноваги.

Нехай V — довільний об’єм тіла обмежений замкнутою поверхнею S .

Вектор масових сил, віднесених до одиничного об’єму, позначимо

),,( ZYXФ

, а вектор поверхневих сил, що діють на одиничну площу

),,(

ZYXF

, де — нормаль до поверхні в даній точці.

16

Головний вектор зовнішніх сил, що діють на тіло, складається з

головного вектора об’ємних сил рівен нулю:

0SV

SV dFdФ

(3.5)

Спроектуємо цю рівність на ось X і за допомогою формули Гріна-

Остроградського перетворимо поверхневий інтеграл на об’ємний.

0

V

VdXzyx

xzxyx (3.6)

Т.я. умови рівноваги повинні дотримуватися для будь-якого об’єму, то

підінтегральна функція повинна бути рівною нулю в будь-якій точці тіла.

Аналогічним способом, проектуючи векторну рівність на осі Y та Z

отримаємо систему диференціальних рівнянь рівноваги.

0

0

0

Zzyx

Yzyx

Xzyx

zzyzx

yzyyx

xzxyx

(3.7)

3.2.6 Деформований стан в точці.

Деформований стан в точці визначається тензором деформацій. Тобто

подовження в даній точці за будь-яким напрямком може бути вирахувано,

якщо задані подовження по трьом взаємно перпендикулярним осям та кути

здвигу по трьом взаємно перпендикулярним площадкам, нормалями до яких

слугують осі.

Тензор деформацій виглядає

zzyzx

yzyyx

xzxyx

T

2

1

2

12

1

2

12

1

2

1

(3.8)

17

Тут x , y

,z — деформації відносного подовження у напрямку

відповідних осей.

xy ,…, zy

— кути здвигу у відповідних координатних плоскостях.

3.2.7 Зв’язок між компонентами тензора деформацій та

переміщеннями.

Шість компонент тензора деформацій виражаються через три

компоненти вектора переміщення. Звідси слідує, що компоненти тензора

деформацій не є незалежними. І насправді, вони пов’язані співвідношеннями

що називаються рівняннями сумісності деформацій.

x

ux

;

yy

;z

z

; (3.9)

xy

uxy

;

yzyz

;

z

u

xzx

(3.10)

Співвідношення Коші

Умовами сумісності деформацій можна надати наступний зміст.

Розріжемо тіло на малі елементи, деформуємо кожний з елементів окремо і

зберемо з деформованих елементів тіло. Тоді, якщо деформації правильні,

тобто задовольняючі рівняння сумісності, то зібране тіло не буде мати

розривів чи пустот.

3.2.8 Узагальнений закон Гука.

Будемо ґрунтуватися на відомому нам законі Гука для одноосного

стану і принципі незалежності дії сил.

Е

,

x

z

x

y

(3.11)

18

Звернемо увагу на такий факт, що з точністю до малих вищого порядку,

нормальні напруження не визивають здвигів, а в свою чергу дотичні

напруження не визивають поздовжень.

Розглянемо малий елемент (рис. 3.3).

Використаємо принцип незалежності дії сил.

1) Нехай діють тільки напруження 0x .

0zy

, тоді E

xx

;

E

xzy

2) 0y

; 0zx ;

E

y

y

;

E

y

zx

3) 0z ; 0

yx;

E

zz

;

E

zyx

При сумісній дії всіх трьох напружень

xxxx (3.12)

Аналогічно визначаються і деформації y и

z .

В результаті отримуємо рівняння що називають узагальненим законом

Гука.

)(1

zyxxE

;

)(1

xzyyE

; (4.13)

)(1

yxzzE

;

До таких рівнянь потрібно додати ще три співвідношення

G

xy

xy

;

G

yz

yz

; G

zxzx

(4.14)

19

Три диференційних рівняння рівноваги, шість співвідношень Коші та

шість співвідношень узагальненого закону Гука складають систему рівнянь

теорії пружності, у яких невідомими будуть шість компонент тензора

напружень, шість компонент тензора деформацій і три компоненти

переміщення.

20

4 ОПИС КОНСТРУКЦІЇ

Виконавчі механізми гальмівних пристроїв, гальма класифікуються за

такими ознаками. По конструктивному виконанню робочих елементів

розрізняють гальма на: колодкові, з робочим елементом у вигляді колодки,

взаємодіючої з зовнішньої або внутрішньої поверхнею барабана; стрічкові, з

робочим елементів у вигляді гнучкої стрічки, взаємодіючої з гальмовим

барабаном; дискові, з робочим елементом у вигляді цілих дисків або отдельниз

сегментних колодок; конічні, з робочим елементом у вигляді конуса, останні

дві конструктивні різновиди гальм з замикаючим зусиллям, чинним уздовж

гальмівного валу; рейкові, з робочим елементом, взаємодіючим з плоскістю

рейки, по якому переміщається машина, або зі спеціальної направляючої.

За характером приводного зусилля гальма поділяють на нормально

закриті, що замикаються під дією постійної сили при вимкненому приводі, а

розмикаються при включені привода; нормально відкриті, замикаються при

включені привода, а розмикаються під дією розмикаєчего зусилля; комбіновані,

працюючі в нормальних умовах експлуатації як гальма нормально відкриті, а в

аварійних умовах як гальма нормально закриті.

За принципом дії розрізняють гальма автоматичні, нормально закриті, що

замикаються при відключенні двігетеля механізму, на якому встановлений

гальмо, або при спрацьовуванні елементів захисту, і керовані, що замикаються

або розмикаються при впливі обслуговуючого персонажа на орган управління

гальмом.

За призначенням гальма поділяють на стопорні, які зупиняють механізм, і

обмежують швидкість руху в певних межах протягом усього періоду роботи

відповідного виконавчого механізму.

При експлуатації розрізняють службові та екстрені

гальмування. Службові гальмування забезпечують навмисну зупинку і

регулювання швидкості машини чи механізму при нормальних умовах

експлуатації. Екстрені гальмування. що служать для запобігання аварії або

21

наїзду, здійснюються внезамно, без попереднього зниження швидкості, з

максимальним уповільненням. Інтенсивність екстрених гальмувань становить

понад 150% від інтенсивності службових гальмувань [1].

22

.5 ПРОВЕДЕННЯ СПІЛЬНОГО АНАЛІЗУ

Цій аналіз був зроблен на основі урока який компанія Ansys пропонує

своїм клієнтам для ознайомлення з функціями програмного комплексу

Ansys Workbench 13.0.

В основі спільного аналізу є рішеня нелінійного статичного аналізу з

використанням деяких типів елементів які підтримуют статичні, термічні

граничні умови та отримані результати одночасно. Цей аналіз проводився на

твердотільний конструкціі и для нього використовувався тип елмента

SOLID 226. На рисунку 5.1 зображена пробна геометрія розбита на скінченні

елементі.

Рисунок 5.1 – Скінченно-елементна модель.

В данній конструкціі вікористовується фрикційний контакт, так як

основна мета отримати результат, розподіл температури по контактній

поверхні. Також для цього контакту були задані деякі параметри, які

необходьні для даного типу аналіза. Ці параметри задаються за допомогою

команд. На рисунку 5.2 зображенні усі команди, які були вікористані для

фрикційного контакту.

Рисунок 5.2 - Команди.

23

В спільному аналізі прикладаються статічні та термічні граничні умови

одначасно. Із статичних були прикладені:

1. повна фіксація;

2. розподілене тиснення яке дорівнює 10 МПа;

3. переміщення по осі X на 150 мм.

Із термічніх була прикладена температура. В данному типі аналізу неможливо

задати температуру використовуючи внутришній інтерфейс програми. Для

цього було використовано набір команд зображенних на рисунку 5.3.

Температура, яка була прикладена дорівнює 10°С. На рисунках 5.4-5.5 показані

місця прикладання граничних умов. На рисунку 5.6 зображено місця

прикладення температури та місця закріпленя конструкціі [7].

Рисунок 6.3 - Команди для для прикладання температури.

Рисунок 5.4 - Місце прикладення расподіленого тиснення.

24

Рисунок 5.5 - Місце прикладення переміщення.

Рисунок 5.6 - Місце закріпленя конструкціі та прикладеня температури.

Після створення скінченно-елементої меделі, визначення контакних

поверхонь, типу контакта, та прикладеня граничних умов конструкція була

порахована. Як тільки модель була порахована були розглянуті та

проаналізовані деякі результати. Головним є расподил температури, та

необхідно отримати дані о контактних тисках, так як температура

вираховються из них. Також булі розглянуті фрикційні напруження та відстань

сковзання для перевірки правильності отриманих результатив. На рисунку

5.7-5.11 зображені результати, які були розлянути в цьому аналізі.

25

Рисунок 5.7 - Температура (0,3 с).

Рисунок 5.7 - Температура (1 с).

Рисунок 5.8 - Контактні тиснення (0,3 с). Рисунок 5.9 - Контактні тиснення (1 с).

Рисунок 5.10 - Відстань сковзання (1 с).

Рисунок 5.11 - Фрикційні напруження (1 с).

26

6 ВИКОРИСТАННЯ ПРОГРАМ

6.1 Створення програм.

Внутрішня мова програмування програмного комплексу

Ansys Workbench 13.0 є ANSYS Parametric Design Language (APDL). Усі

функції, які можно використовувати в Ansys Workbench 13.0, також можливо

прописати за допомогою мови APDL, наприклад застосування типу елемента.

При використувані мови APDL можливо створювати таблиці даних, цикли,

умови та інші функції.

В ході виконання переддипломної практики було створенно дві програми.

Мета першої програми це взяти контактні вузлові тиснення, перерахувати їх в

елементні тиснення, записати в таблицю номер елемента та зберегти в

текстовий файл значення елементих тиснень. Мета другою програми це з

читати дані з збереженого файлу перерахувати их по формуле 7.1 у тепловий

потік і прикласти їх на контактну поверхню.

(6.1)

де – тепловий потік;

– коефіцієнт тертя;

– коефіцієнт, що враховує розподіл тепла між контактуючими

поверхнями;

– коефіцієнт, що враховує частку переходу енергії тертя в теплову

енергію;

– тиск;

– кінетична швидкість;

При створенні програми були задіяні різні команди. Їх описання та інструкція

по використаню були взяті із Help [9] програмного комплексу Ansys. В створені

програм були викорастані наступні команди:

1. *Get – отримання необхідної інформація з вузла, елемента (тиску,

напруження, переміщення) ;

2. *VWrite – збереження інформації в файл;

3. *VRead – зчитування з файлу;

4. *Set – запис інформації в таблицю;

5. *Do – створення циклу

6. *Create – створення файлу для запису;

7. *Cfopen – відкриття створеного файлу і застосування йому назви.

Лістинг програми ви можете знайти в додатках до звіту.

27

6.2 Використання створенних програм.

Принцип цього аналізу полягає в тому, що тут використовується два не

залежних один від одного аналізу. Лінійний статичний аналіз і аналіз

термопружності. Перша програма вікористовуется у статичному аналізу для

збереження в файл отриманіх середніх елементних тиснень, та швидкості.

Друга програма викорувується в аналізі термопружності, для зчитування

інформації з файлу, перерахування данних в тепловий потік, і прикласти до

контакною поверхні.

В ціх аналізах використовується спильна геометрія та скінченно-

елементна модель. Це потрібно для того щоб уникнути можливих відмінностей

в кількості та внутрішньому номері скінчених елементів. Дані дії були

реалізовані для коректного застосування гранічних умов, так як перша

програма записує у файл дані про тиснення та номер елемента, щоб прикласти

тепловий потік на тіж самі елементи. Реалізований в програмному комплексі

Ansys Workbench 13.0 взаємозв'язок зображен на рисунку 6.1.

Рисунок 6.1 - Взаємозв'язок аналізів.

Дана програма тестувалася на простій конструкції, для її швидкого

удосконалення. Так як в основі цієї програми лежить знаходження разподілення

температути між двома контактуючими поверхнями, то була створена геометрія

яка складається з двох циліндрів з фрикційним контактом. На рисунку 6.2

зображеня геометрія використовувана для тестування програми.

Рисунок 6.2 - Геометрія для тестуваня програми.

28

Основні розміри по яким побувана геометрія, це діаметр циліндрів який

дорівнює 2 метри, та висота одного циліндра 1 метр.

Далі буда створена скінченно-елементна модель. Для цього був

викорастан тип елементу Solid 186. Скінченно-елементна модель складається з

800 елементів, та 4 тисячі вузлів. На рисунку 6.3 зображена скінченно-

елементна модель.

Рисунок 6.3 - Скінченно-елементна модель.

Як було сказано раніше, було проведено два аналізи. Перший аналіз був

статичний, він проводився для отримання потрібних нам даних о кінетичної

швидкості та тиснення. Для статичного аналізу були задані такі граничні умови,

як повна фиксація конструкції, обертання, та тиснення. Тиснення яка було

приложено дорівнювало 3 МПа, а обертання верхнього циліндру на 360° за

одну секудну. Місця прикладання граничних умов зображені на

рисунках 6.4-6.6.

Рисунок 6.4 - Місце закріплення конструкції.

29

Рисунок 6.5 - Місце прикладення тиснення.

Рисунок 6.6 - Місце обертання конструкції.

Після того як були прикладені усі граничні умови конструкція була

порахована. Як констркція була порахована відразу ж задіюється перша

програма, яка записує пораховані контактні тиснення до файлу. На

рисунках 6.7-6.10 зображені отримані результати.

Рисунок 6.7 - Контактні тиснення (0,3 с). Рисунок 6.8 - Контактні тиснення (1 с).

30

Рисунок 6.9 - Швидкість (0,3 с). Рисунок 6.10 - Швидкість (1 с).

Далі проводился аналіз термопружності. Для цього аналізу були задані

інші граничні умови такі, як температура та тепловий потік. Температура яка

прикладалась до двох поверхонь дорівнює 10°С. Місце прикладання

температури зображенно на рисунку 7.11. Тепловий потік вираховуєтся за

допогомогую програми.

Рисунок 6.11 - Місце прикладання температури.

Після чого модель була порахована. Тільки у данному типі аналізі у

першу чергу була запущена друга програма за допомогою якої були вираховані

та прикладені значеня теплового потоку до елементів, а потім розпочався

головний розрахунок конструкції. На рисунках 6.12-6.14 зображен расподіл

отриманої температури в різний момент часу.

31

Рисунок 6.12 - Розподіл температур (0,3 с). Рисунок 6.13 - Розподіл температур (0,8 с).

Рисунок 6.14 - Розподіл температур (1 с).

32

7 СТАТИЧНИЙ АНАЛІЗ ДИСКОВОГО ГАЛЬМА

Увесь проект, числове дослідження працездатності фрикційних дисків

гальмівного механізму заднього моста в процесі екстреного гальмування,

можливо поділити на 3 пункти:

статичний аналіз конструкії;

обробка моделі за допомогую програм;

аналіз термопружності дискового гальма.

У переддипломної практиці була розглянута перша частина проекту.

В якості початкових даних що до статичного аналізу конструкції були

видані настувні дані:

геометрична модель;

граничні умови.

Геометрична модель була получена у форматі X_T (Parasolid), після чого

модель була импортована до програмного комплексу SolidWorks 2008 для

підготовки її до аналізу. Спершу були вибрані тильки ті деталі, які відносяться

до розрахункової частини. Потім на розрахункових деталях були видалені

скруглення і деякі конструктивні деталі, які не враховуються у розрахунку або

не викличуть значної похибки в результатах. Так як конструкція симетрична,

було прийнято рішеня використовувати тильки половину моделі, та задати

симетрію в аналізі. Це було зроблено для зменшення кількості елементів, ща в

свою чергу зменщіть кількість рівнянь, та час розрахунку. На рисунку 7.1

зображена разрахункова геометрічна модель импортована до програмного

комплексу Ansys Workbench 13.0.

Рисунок 7.1 - Геометрична модель.

33

Наступним кроком був перехід в геометричної до скінченно-елементної

моделі. Для створення скінченно-елементної моделі був використаний тип

елементу Solid 186, та розмір елементів 5 міліметрів. На рисунку 7.2 зображена

скінченно-елементна модель.

Рисунок 7.2 - Скінченно-елементна модель.

Далі були прикладені видані граничні умови. Повна фіксація конструкції

на кришці, що закриває фрикційні диски. Також прикладена сила у розмірі

50604 Н до натискного диску. На рисунках 7.3 та 7.4 зображені місця

прикладання граничніх умов.

Рисунок 7.3 - Місце прикладання сили.

34

Рисунок 7.4 - Місце закріплення конструкції.

Далі був проведен розрахунок лінійної статичної задачі. В ході

разрахунку було пораховано 437 тисяч рівнянь. Після розрахунку були

переглянути деякі результати. Найголовнішими результатами в статичному

аналізу для нас є це еквівалентні напруження, та контактні тиснення. На

рисунках 7.5 та 7.6 показані отримані результати.

Рисунок 7.5 - Еквівалентні напруження.

35

Рисунок 7.6 - Контактні тиснення.

36

ВИСНОВКИ

В ході виконання переддипломної практики порахован статичний аналіз

дискового гальма в програмному комплексі ANSYS Workbench 13.0 . Також

була створена допоміжна програма, для вирохування теплового потоку через

тиснення. Був проведен ряд розрахунків для найшвидшого та найтачнишого

визначення розподілу температур в фрикційних контактах.

Як основні висновки з проведеної переддипломної практики можна

заключити наступне:

1) при використані спильного типу аналізу потрібно меньше часу на

підготовку моделі до аналізу, але необхідно більше часу на

разрахунок;

2) використання двох незалежних аналізів з використанням програми

зменшає час розрахунку, та ще дає можливість прикладати граничні

умови бильш коректно.

37

СПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1 Тормазные устройства: Справочник - М.П. Александрова, 1985.

2 Теория теплопроводности - Лыков А.В.,1967.

3 Сергиенко А.Н. - Исследование влияния конструкции элементов

сцепления автомобиля на стабильность характеристик, 2006.

4 Основы термоупругости - А.Д. Коваленко, 1970

5 Метод конечных элементов:Основы / Галлагер Р.

6 Теория метода конечных элементов / Стренг Г., Фикс Дж.

7 ANSYS Lessons.

8 http://www.solidworks.ru.

9 ANSYS help.