Određivanje sopstvenih učestanosti i oblika oscilovanja delova planetarnog prenosnika primenom metode konačnih elemenata Текст научной статьи по специальности «Физика»

Docent dr Vojislav Batinić,

dipl. inž.

Vojna akademija, Beograd

ODREĐIVANJE SOPSTVENIH UCESTANOSTI I OBLIKA OSCILOVANJA DELOVA PLANETARNOG PRENOSNIKA PRIMENOM METODE KONACNIH ELEMENATA

UDC: 621.83

Rezime:

U radu je prikazan metodološki pristup određivanju sopstvenih učestanosti i vibracio-nih modova delova planetarnog prenosnika korišćenjem metode konačnih elemenata. Modal-nom analizom ostvarenom primenom metode konačnih elemenata, po pravilu, dobija se veliki broj modalnih oblika (frekvencija) sopstvenog oscilovanja. U realnim uslovima pobuđuju se samo neki od njih. Glavni cilj ovog rada jeste određivanje sopstvenih učestanosti da bi se sagledale konstrukcione mere i rešenja za sprečavanje modalnog oscilovanja.

Ključne reči: planetarni prenosnik, vibracije, sopstvene učestanosti, vibracioni modovi.

DETERMINING OF NATURAL FREQUENCIES AND FORMS OF OSCILLATION OF THE PARTS OF PLANETARY GEAR TRAINS USING FINITE ELEMENT METHOD

Summary:

This paper presents methodological approach to calculation of natural frequencies and modal shapes by using of finite elements metod. Modal anaysis realised by application of finite elements method, results by the rule, in a large number of modal shapes (frequencies) of natural oscillation. In real conditions only some of them are excited. The main purpose of this paper is calculation of natural frequencies that we can recognize design effort and solutions for hindering of modal oscillation.

Key words: planetary gear train, vibrations, natural frequencies, vibration modes.

Uvod

Vibracije mašinskih sistema su real-na i nepovoljna pojava prisutna kod svih mašina, kao posledica dinamičkog stanja u kojem rade. U fazi projektovanja maši-ne projektant modeliranjem i konstruisa-njem traži optimalni tehnički princip rada, pri čemu, pored drugih, rešava i problem vibracija.

Prenosnici koji se primenjuju u va-zduhoplovstvu, automobilskoj industriji, brodskim, transportnim i drugim sistemi-ma, a koriste planetarne setove, mogu

imati neželjeno dinamičko ponašanje s obzirom na buku i vibracije.

Vibracije i buku prenosnika snage pobuđuju sprege zubaca zupčanika, ne-tačnost izrade elemenata, netačnost mon-taže, neravnomeran prenos snage po gra-nama, obrtni momenti koji se dovode i odvode preko prenosnika i dr. Intenzitet i frekvencija pobude zavise od parameta-ra ozubljenja, opterećenja i tačnosti geo-metrije. Pobuda se ostvaruje promenom deformacija zubaca u sprezi i stvaranjem inercijalnih sila, kao i dejstvom sila suda-ra zubaca pri ulaženju u spregu. Habanje

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

343

i druga oštećenja, u toku rada, dovode do pojačavanja pobude. Dinamička optere-ćenja u setovima planetarnih prenosnika uslovljena su, osim navedenim uzrocima, još i neravnomernom raspodelom optere-ćenja na satelite, elastičnim deformacija-ma nosača satelita, vezivanjem central-nog sunčanog zupčanika i dr.

Za pravilnu ocenu dinamičkog po-našanja zupčastih prenosnika presudan uticaj ima poznavanje sopstvenih učesta-nosti i sopstvenih oblika oscilovanja. U radu je pokazan jedan primer rešenja kod nekoliko delova planetarnog prenosnika. Određivanje sopstvenih učestanosti izvr-šeno je primenom kompjuterskog paketa programa CATIA.

O metodi konačnih elemenata

Metoda konačnih elemenata (MKE) savremena je numerička metoda koja na-lazi sve veću primenu u projektovanju i proračunima mašinskih delova i kon-strukcija uz primenu računara. Za razliku od drugih numeričkih metoda koje se za-snivaju na matematičkoj diskretizaciji jednačina graničnih problema, MKE se zasniva na fizičkoj diskretizaciji razma-tranog kontinuuma delova konačnih di-menzija i jednostavnog oblika koji se na-zivaju konačni elementi.

U fizičkom smislu, primenom MKE proučavano deformabilno telo, tj. konti-nuum sa beskonačno mnogo stepeni slo-bode zamenjuje se diskretnim modelom međusobno povezanih konačnih eleme-nata sa konačnim brojem stepeni slobode kretanja. Matematički gledano, umesto sistema diferencijalnih jednačina koje definišu stanje ravnoteže celokupnog modela, primenom MKE dobija se si-stem običnih algebarskih jednačina.

Pri diskretizaciji kontinuuma može se koristiti jedan tip konačnih elemenata ili kombinacija više tipova, kada se mora voditi računa o njihovom slaganju. Svi konačni elementi povezani su zajednič-kim čvorovima, tako da čine prvobitnu konstrukciju. Usled postojanja velike ra-znolikosti problema, konstruktivnih obli-ka, geometrijskih veličina i uticaj a kod mašinskih konstrukcija, do danas je razvi-jen veliki broj tipova (vrsta) konačnih ele-menata, koji se razlikuju međusobno po obliku i po funkcijama oblika, odnosno interpolacionim funkcijama kojima se aproksimira polje promenljivih u konač-nom elementu. Pri tome se, kao specijalna vrsta, izdvajaju izoparametarski konačni elementi, kod kojih se koriste isti čvorovi i iste interpolacione funkcije za aproksi-maciju geometrije elementa i osnovnih nepoznatih u polju konačnog elementa, kao i kontaktni („gap“) elementi koji se koriste pri modeliranju kontaktnih uslova kojih, takođe, ima više tipova, u zavisno-sti od načina simuliranja kontakta.

Pri proučavanju nekog deformabilnog tela metodom konačnih elemenata, osnovni zadatak je izbor diskretnog modela koji naj-bolje aproksimira stanje deformacije i napo-na i granične uslove. Izbor diskretnog modela sastoji se u izboru tipa konačnog elementa koji se koristi (jedan ili više različi-tih), izboru njihovih posebnih osobina (ako postoje) i u izboru gustine mreže konačnih elemenata. Praktično, ne postoji egzaktni kriterijum za izbor najboljeg diskretnog modela koji obezbeđuje najveću tačnost pri re-šavanju tačno definisanog zadatka. Zato je, pored poznavanja teorije konačnih elemenata, potrebno i široko inženjersko iskustvo i kvalitativno poznavanje stanja napona i sta-nja deformacija kod razmatranog mašin-skog dela ili konstrukcije.

344

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

Na osnovu izabranog tipa konačnog elementa, svojstva materijala i drugih ve-ličina projektovanog problema, u metodi konačnih elemenata postavljaju se veze između osnovnih veličina i formira se osnovna jednačina konačnog elementa. Grupisanjem osnovnih jednačina dobija se jednačina konstrukcije koja daje si-stem linearnih jednačina za izračunava-nje nepoznatih veličina.

Metoda konačnih elemenata zasniva se na postavkama mehanike kontinuuma (mehanike neprekidnih sredina). Osnov-ne postavke mehanike kontinuuma su opštepoznate i mogu se naći u različitoj literaturi. Ovde će se ukratko dati formu-lacija osnovnih jednačina MKE, opis ko-rišćenih elemenata i postupak modelira-nja kontaktnih uslova.

Osnovne jednačine metode konač-

nih elemenata

Za prikaz osnovnih jednačina u metodi konačnih elemenata koriste se varijacio-ne metode. U zavisnosti od primenjene varijacione metode razlikuju se tri osnov-na vida metode konačnih elemenata: me-toda pomeranja ili metoda deformacije, metoda sila i mešovita metoda.

U metodi pomeranja ili metodi defor-macija koristi se princip o minimumu po-tencijalne energije. Ova metoda konačnih elemenata primenjuje se kada su pomeranja ili deformacije osnovne nepoznate u čvor-nim tačkama mreže konačnih elemenata. Metoda sila zasnovana je na principu o minimumu komplementarne energije i koristi se kada su statičke veličine (unutrašnje sile, komponente napona i sl.) usvojene za osnovne nepoznate. Za mešovitu metodu konačnih elemenata, koja se koristi kada se

kao osnovne nepoznate javljaju delimično kinematičke, a delimično statičke veličine, primenjuje se Reissnerov varijacioni princip. Ovde će se detaljnije razmatrati metoda deformacije koja je korišćena u okviru nu-meričkog eksperimenta.

Osnovni zadatak u metodi deforma-cije predstavlja određivanje funkcija pomeranja, odnosno određivanje vrednosti pomeranja čvornih tačaka mreže konač-nih elemenata. Kada je konstrukcija po-deljena na konačne elemente međusobno povezane zajedničkim čvornim tačkama, pomeranja u bilo kojoj tački jednog ko-načnog elementa mogu da se odrede u funkciji pomeranja čvorova elemenata. Pri tome se usvaja da su pomeranja, deformacije i naponi neprekidne funkcije koordinata tačaka elemenata. Vektor po-meranja tačke jednog konačnog elementa, čije su komponente takođe neprekidne funkcije koordinata, ima oblik:

u fi (X У z)

= < v = f2 (xy z)>

w f3 (xy z)

(1)

Prema tome, problem se svodi na određivanje funkcija fi, f2 i f3, tako da zadovolje ravnotežne i konturne uslove problema, odnosno na određivanje vekto-ra osnovnih parametara pomeranja jednog konačnog elementa {S}:

МЧ

(2)

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

345

UI

pri čemu su {S}k = < V У ,k = 1,2,...,K-W k

k

vektori pomeranja čvorova elemenata.

Vektor pomeranja neke tačke u po-lju razmatranog konačnog elementa, dat izrazom (2), može da se odredi na osno-vu poznatog vektora {S} i na osnovu usvojenih interpolacionih funkcija bi kojima se vrši linearna interpolacija pomeranja i koje, najčešće, predstavljaju polinome razvijene za ove namene, tj.:

И=[ M (3)

[D] - matrica krutosti definisana u teoriji elastičnosti,

[N] - interpolaciona matrica,

{ot} - matrica tenzora napona od tempe-raturskih naprezanja.

Osnovna jednačina konačnog elementa i ukupne strukture

Za određivanje vektora čvornih pomeranja jednog konačnog elementa {S} koristi se princip virtualnog rada, koji je prikazan u obliku:

pri čemu je [N] - matrica interpolacionih funkcija.

Na sličan način, preko interpolacionih funkcija, postavlja se i veza između koordinata neke tačke u polju elementa i koordinata njegovih čvorova.

Matrice tenzora deformacije {s} i tenzora napona {a}, u funkciji od vektora čvornih pomeranja {S} posmatranog

konačnog elementa, izračunavaju se na osnovu izraza:

{,} = [/]{,} = [/][iV]{^} = ^^{^} (4)

i izraza:

ажи+ажим+И (5)

pri čemu je:

[P] = [d ^ ],

[d]- diferencijalni operator,

(би )[р} = (б?){(г} dV (6)

pri čemu je {F} - vektor spoljašnjih sila u čvorovima elementa.

Postavljanjem jednačina za virtualni rad ovih spoljašnjih sila i virtualni defor-macioni rad, odnosno virtualni elastični potencijal unutrašnjih sila konačnog elementa i izjednačavanjem ova dva virtual-na rada, dobija se jednačina za određiva-nje vektora {F}:

{^} = jDp]r [^][p]{}dV + J[p]r {a'} dV

V V

(7)

Ako se uvedu oznake:

KH[pf [D][p]dV i

V

{F} = {[р] {a'}dV (8)

V

izraz (7) transformiše se u oblik:

346

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

[F} = [Ke ]{^} + {f^} (9)

Kada se uticaji temperaturskih na-prezanja zanemare dobija se veza između čvornih pomeranja i čvornih sila, koja je u MKE poznata kao osnovna jednačina konačnog elementa:

broju stepeni slobode kretanja čvorova konačnog elementa, pa vektori {F} i

{S}imaju p*n elemenata (p- broj stepeni slobode kretanja, n - broj čvorova).

Matrica krutosti [K] sastavljena je od n x n podmatrica Krs i može se napi-sati u skraćenom obliku kao:

{f} = [k ]{S} (10)

U ovim izrazima matrica |^Ke ] pred-

stavlja matricu krutosti konačnog elementa, čiji elementi zavise od fizičkih karakte-ristika materijala, karakteristika izabranog tipa konačnog elementa i izabranih inter-polacionih funkcija.

Sjedinjavanjem osnovnih jednačina, oblika (10), svih konačnih elemenata koji čine mrežu tela ili konstrukcije dobija se jednačina konstrukcije u obliku:

SFHKM (11)

pri čemu je:

'П' {s (1)}'

{f)=. {f(2)} ■; M = - {s (2)}^

{(n)}^

U ovim vektorima n predstavlja ukupan broj čvorova konstrukcije, koji je jednak zbiru ukupnog broj a čvorova u mreži konačnih elemenata i broja oslona-ca konstrukcije. Broj elemenata svake podmatrice u vektorima (12) jednak je

[K] = ZKif, i, j = 1,2,n;(e) = 1,2,m

e

Određena čvorna pomeranja su una-pred poznata i određena osloncima konstrukcije. Poznata čvorna pomeranja predstavljaju granične uslove konstrukcije. Kada se ovi granični uslovi uvrste u jednačinu konstrukcije (11) određeni broj jednačina se eliminiše, čime se smanjuje ukupan broj stepeni slobode sistema.

Spoljašnje sile koje opterećuju kon-strukciju unose se u jednačinu konstrukci-je preko komponenata sila u pravcima osa koordinatnog sistema u čvornim tačkama.

Osnovna dinamička jednačina konačnog elementa i ukupne strukture

U dinamičkim uslovima optereće-nja, tj. kada je vektor čvornih sila za bilo koji konačni element (e) vremenska funkcija, na sam konačni element deluju još inercijalne sile i sile prigušenja.

Specifična inercijalna sila daje se preko

d2 r q

-p&® (13)

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

347

pri čemu su:

{s} — funkcija pomeranja (3), koja sada zavisi i od vremenske koord. t, i p — gustina ili masa jedinice zapremine konačnog elementa.

Specifična sila prigušenja, u slučaju viskoznog trenja je:

d

-ejt^ (14)

pri čemu je p - koeficijent proporcional-nosti.

Ako se izjednače radovi spoljašnjih i unutrašnjih sila pri virtualnom pomera-nju čvorova dobija se:

pri čemu su:

[m](e) = J[N] p [N]dV - matrica inercije

V

konačnog elementa, i

[bf = J[N] P [N]dV - matrica priguše-

V

nja konačnog elementa.

Šema sastavljanja ukupne inercione matrice i matrice prigušenja ista je kao i za ukupnu matricu krutosti, tj.:

f ■ (17)

M («)

(d {f) {F (€' = J (d {} pjš № -

V dt

-J(d{} {}dV-J(dИ) HdV

V Ut V

(15)

pri čemu su:

J(d {s})Tp {s}dV - rad

(* t d

inercijalnih sila, Md{s}) P—-{s}dV-

V dt

rad sila prigušenja, i J(d{s})T{o}dV -

V

specifični unutrašnji rad.

Sređivanjem jednačine (15) dobija se osnovna dinamička jednačina konač-nog elementa:

[„,fLd_ {S}

dt

dt2

+[*№}М = { (t)

(16)

Osnovna dinamička jednačina za ukupnu strukturu diskretizovanu konač-nim elementima je:

[M ]{S} + [5]{S} + [K ]M = {F (t)} 08)

pri čemu su:

{S} = dt7 {S}, {s} = dt{S}- vektori ubr-

zanja i brzina čvornih tačaka strukture.

Određivanje sopstvenih učestanosti delova planetarnog seta

Za rad planetarnih prenosnika bitne su sopstvene učestanosti ukupne struktu-re i isto tako sopstvene učestanosti poje-dinih delova prenosnika. Ovde su objekti za analizu sopstvenih učestanosti delovi planetarnog seta, i to: nosač satelita, sate-lit i venačni zupčanik.

348

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

Prostomi modeli delova planetamog seta se diskretizuju korišćenjem 3D-te-traedalnih četvoročvornih konačnih ele-menata sa 12 stepeni slobode (po tri tran-slacije u svakom čvoru). Na slici 1 prika-zan je prostorni model nosača satelita, diskretizovan konačnim elementima.

Sl. 1 -Nosač satelita diskretizovan konačnim elementima

Određivanje sopstvenih učestanosti izvršeno je primenom kompjuterskog pa-ket programa CATIA. Pre određivanja učestanosti potrebno je izvršiti statičku analizu, tj. odrediti napone i deformacije za radno opterećenje nosača satelita. Pri tome su realne veze aproksimirane odre-đenim „surface slider“ elementima. Na-kon toga pobuda je izvršena pomoću „belog šuma“ koji obuhvata širok spektar frekvencija upravo zato da bi mogao da pobudi sve sopstvene frekvencije nosača satelita.

Na osnovu pobudnog spektra frekvencija izračunat je neki konačan broj sopstvenih učestanosti nosača satelita, a za analizu je uzeto prvih deset, čijim uspostavljanjem se bitnije utiče na di-namičko ponašanje sistema ili tela. Sopstvene učestanosti prikazane su u tabeli 1.

Tabela 1

Mod 1 Mod 2 Mod 3 Mod 4 Mod 5 Mod 6 Mod 7 Mod 8 Mod 9 Mod 10

Q/Hz 442 6664 6853 6942 8661 8691 9465 11927 12190 13707

Svakoj sopstvenoj učestanosti odgo-vara sopstveni vektor, odnosno oblik oscilovanja, koji predstavlja kombinaciju pomeranja čvornih tačaka konačnih ele-menata u funkciji njihovih mogućih pomeranja. Na slikama 2 do 5 prikazani su oblici oscilovanja nosača satelita za pri-padajuće im frekvencije.

Sl. 2 - Prvi oblik oscilovanja nosača satelita pri f = 442 Hz

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

349

Sl. 3 — Treći oblik oscilovanja nosača satelita pri Sl. 5 — Deseti oblik oscilovanja nosača satelita

f3 = 6853 Hz pri fio = 13707Hz

Sl. 4 — Šesti oblik oscilovanja nosača satelita pri f6 = 8691 Hz

Sl. 6 — Prvi oblik oscilovanja satelita pri f1 = 671 Hz

350

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

Na osnovu pobudnog spektra fre-kvencija izračunat je neki konačan broj sopstvenih učestanosti satelita, a za analizu je uzeto prvih deset, čijim uspostavljanjem se bitnije utiče na di-namičko ponašanje sistema ili tela. Sopstvene učestanosti prikazane su u tabeli 2.

Tabela 2

Mod 1 Mod 2 Mod 3 Mod 4 Mod 5 Mod 6 Mod 7 Mod 8 Mod 9 Mod 10

Q/Hz 671 4489 11758 12194 15121 15184 16151 16184 16912 17000

Na slikama 6 do 9 prikazani su oblici oscilovanja satelita za pripada-juće im frekvencije.

Sl. 7 - Treći oblik oscilovanja satelita pri f3 = 11758 Hz

Sl. 8 - Šesti oblik oscilovanja satelita pri f6 = 15184 Hz

Sl. 9 - Deseti oblik oscilovanja satelita pri f10 = 17000 Hz

Na osnovu pobudnog spektra fre-kvencija izračunat je neki konačan broj sopstvenih učestanosti venačnog zupčani-ka, a za analizu je uzeto prvih deset, čijim uspostavljanjem se bitnije utiče na dina-mičko ponašanje sistema ili tela. Sopstvene učestanosti prikazane su u tabeli 3.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

351

Tabela 3

Mod 1 Mod 2 Mod 3 Mod 4 Mod 5 Mod 6 Mod 7 Mod 8 Mod 9 Mod 10

QHz 1470 1512 2743 2864 3162 3463 3648 3724 4233 4482

Oblici oscilovanja venačnog zupča-nika za pripadajuće im frekvencije prika-zani su na slikama 10 do 13.

Sl. 10 - Prvi oblik oscilovanja venčanika pri f = 1470 Hz

Sl. 11 - Treći oblik oscilovanja venčanika pri f3 = 2743 Hz

Sl. 12 - Šesti oblik oscilovanja venčanika pri f6 = 3463 Hz

Sl. 13 - Deseti oblik oscilovanja venčanika pri f10 = 4482 Hz

Zaključak

Na osnovu prikazanih modalnih oblika delova planetarnog seta može se zaključiti:

- pri određenoj frekvenciji struktura se raspodeli na određeni broj zona koje osciluju svaka za sebe istom frekvencijom;

352

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

- broj modalnih zona povećava se sa povećanjem sopstvene učestanosti;

- na modalnim oblicima oscilovanja za pripadajuće im frekvencije jasno su is-taknute zone sa povećanim naponima i deformacijama u kojima može doći do oštećenja strukture;

- primetna je bliskost prve i druge sopstvene učestanosti venačnog zupčani-ka, posmatranog seta, što bi promenom nekog od konstruktivnih elemenata tre-balo da se izbegne.

Literatura:

[1] Colbourne, J. R.: The geometric design of internal gear pairs, AGMA Technical Paper, 87 FTM2, 1987.

[2] Parker, R. G., Agashe, V., Vijayakar, S. M.: Dinamic response of a planetary gear system using a finite - element contact mechanics model, ASME, Journal of Mechanical Design, Vol. 122, pp. 304-311, 2000.

[3] Kahraman, A.: Natural Modes of Planetary Gear Trains, Journal of Sound and Vibration, Vol. 173(1), pp. 125-130, 1994.

[4] Kahraman, A.: Free Torsional Vibration Characteristics of Compound Planetary Gear Sets, Mechanism and Machine Theory, Vol. 36, pp. 953-971, 2001.

[5] Sekulović, M.: Metod konačnih elemenata, Građevinska knjiga, Beograd, 1984.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.

353