CC BY
22Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 629.111
АНАЛИЗ НАГРУЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ РАСКРЕПЛЕНИЯ ЦИСТЕРНЫ С ЖИДКИМ АЗОТОМ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Д. Ф. Баляков
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]
Исследуется влияние угла крена транспортировочного оборудования на механическое нагружение упоров такелажного оборудования и строп цистерны. Приведены описание расчетной схемы, конечно-элементной модели, а также основные результаты численного моделирования.
Ключевые слова: КЭМ, нагрузки, транспортирование, автомобиль.
ANALYSING MECHANICAL LOAD TO FIXING UNITS OF TANK WITH LIQUID NITROGEN
D. F. Balyakov
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper researches problem of mechanical loads to flexing units and impact of roll angle. The study describes the design scheme, the finite element model, as well as the main results of the numerical simulation.
Keyword: FEM, loads, automobile, transportation.
Конструкция цистерны ЦТК-8.08/0.25 представляет собой емкость с толщиной стенки 35 мм, выполненную из алюминия и предназначенную для транспортировки азота в жидком состоянии. Масса цистерны с азотом 9 400 кг. На рис. 1 представлены схемы раскрепления цистерны на транспортере. Первая схема раскрепления предусматривает расположения строповочных узлов выше центра масс цистерны, вторая - ниже центра масс цистерны соответственно. Транспортирование цистерны с жидким азотом производится автомобильным транспортом в соответствии с правилами, действующими на транспорте. Скорость движения автомобиля не должна превышать 60 км/ч по шоссейным дорогам и 20 км/ч по грунтовым. При максимальной скорости транспортировки в 60 км/ч наиболее критичным случаем нагружения считается вхождение в поворот с последующим движением по траектории с постоянной кривизной р, вследствие чего произойдет накренение цистерны. Максимально допустимый расчетный угол крена был сформирован на основе анализа динамического поведения подвески транспортировочного агрегата. В нашем случае расчетный угол крена составляет 10 градусов.
В расчетной схеме реальный объект заменяется дискретной моделью, которая представляет собой совокупность узлов и связанных с ними конечных элементов с соответствующими свойствами.
Цистерна ЦТК-8.08/0.25 смоделирована в программном комплексе Femap/NX-Nastran. Емкость цис-
терны, а также технологическая оснастка моделируется плоскими элементами PLATE [1-3]. Стропы смоделированы элементами ROD, работающими на растяжение.
Масса конструкций задана через плотность материала. Объем азота представлен как равномерно распределенный по поверхности цистерны. Для всех случаев нагружения цистерны при транспортировании перегрузки заданы в системе координат, связанной с транспортным средством. При этом знак «плюс» принимается:
- для оси ОХ - по направлению движения (Хт);
- для оси OY - вверх в продольной плоскости транспортного средства (Yt);
- ось OZ - дополняет систему координат до правой (Zt).
КЭМ закреплена в 10 узлах по трем степеням свободы (2 узла имитируют закрепление стропы, 8 узлов имитируют закрепление упоров), что соответствует исходным данным поставленной задачи [4], и состоит из 5 143 элементов и 5 607 узлов. Модель повернута относительно оси ОХ на 10 градусов, что соответствует принятому расчетному случаю «движение прицепа с креном». В боковом и продольном направлении к центру масс цистерны приложена расчетная нагрузка в соответствии с таблицей. Расчетные нагрузки получаем путем умножения эксплуатационных нагрузок на коэффициент безопасности. Эксплуатационные коэффициенты перегрузки назначены в соответствии с данными таблицы.
Механика специальных систем
№ 2 № 1 Рис. 1. Схемы раскрепления цистерны на транспортировочном агрегате
Значения эксплуатационных коэффициентов перегрузки
Случай нагружения Коэффициенты перегрузки, g
Транспортирование автомобилем Пу Щ
±0,8 -1±0,8 ±0,5
Примечание: при расчетах на прочность - 2,0 на динамическую составляющую перегрузки и 1,5 на весовую, 1,1 на неопределенность модели.
КЭМ цистерны в транспортировочном положении представлена на рис 2.
Рис. 2. КЭМ цистерны ЦТК-8.08/0.25
Зависимость расчетных нагрузок в стропах и упорах от угла крена транспортировочного прицепа представлена на рис. 3 и 4.
Hifpyxatvfloi«*
Негру*» е рропю
0 4 | 11 16
Рис. 3. Зависимость расчетных нагрузок от угла крена транспортировочного прицепа для схемы № 1
По графикам видно [5], что максимальные значения реакций при боковой перегрузке составляют:
1) для схемы № 1 - 46 кН в упорах и 38 кН в стропах;
2) для схемы № 2 - 41 кН в упорах и 35 кН в стропах. В продольном направлении максимальная реакция
упоров составляет 73 кН. Данные результаты будут учитываться при выпуске КД на вновь разрабатываемое технологическое оборудование.
Нагрузка в упорах
Нагрузка в ст о пах
0 4 В и 16
Рис. 4. Зависимость расчетных нагрузок от угла крена транспортировочного прицепа для схемы № 2
Библиографические ссылки
1. Расчеты упругих колебаний и динамических нагрузок ракет-носителей космических аппаратов / Ю. Е. Ильенко, К. П. Кулакова, Н. Н. Зуев // Техника воздушного флота. 1999. № 5. С. 24-34.
2. Копанев Д. А. Решение задач нелинейной статики в MSC. Patran-Nastran. Руководство пользователя. М. : MSC. Software Corporation, 1999. 150 с.
3. Рыбников Е. К., Володин С. В. Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC. Patran-Nastran : учеб. пособие. Ч. II. М., 2003. 174 с.
4. Бате Н., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М. : Стройиздат, 1982. 448 с.
5. Хог Э., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование. М. : Мир, 1983. 480 с.
References
1. Calculations of elastic vibrations and dynamic loads of spacecraft launch vehicles / Ilienko U. E, Kulakova K. P, Zuev N. N. // Technika vozdushnogo flota. 1999. No 5. p. 24-34. (In Russ.)
Решетневские чтения. 2015
2. Kopaev D. A. Calculations of nonlinear static analyse in MSC. Patran-Nastran. User manual. Moscow. : Nayka Pybl., 1999. 150 p.
3. Rybnikov E. K., Volodin S. V., Engineering in system MSC Patran-Nastran. Part II. Handbook. Moscow, 2003. 174 p.
4. Bate N., Wilson E. Numeric method of analyze and finite element method. Moscow : Stroiizdat Publ., 1982. 448 p.
5. Hogg E, Arora J, Applied optimal desighn. Moscow : Mir Publ., 1983. 480 p.
© EajimoB fl. O., 2015
УДК 621.865.8
ОПОРНЫЕ МОДУЛИ АНТРОПОМОРФНЫХ РОБОТОВ
А. А. Богданов1, И. Г. Жиденко1, И. М. Кутлубаев1,2, Д. А. Чунтонов1
1ПАО «НПО Андроидная техника» Российская Федерация, 455001, г. Магнитогорск, ул. Герцена, 6 ^Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова Российская Федерация, 455000, г. Магнитогорск, просп. Ленина, 38. E-mail: [email protected]
Представлено описание и основные характеристики двух реализованных схем построения опорных модулей антропоморфных роботов.
Ключевые слова: антропоморфная структура, опорный модуль, кинематическая схема.
SUPPORTING PEDIPULATOR MODULES OF ANTHROPOMORPHIC ROBOTS
А. А. Bogdanov1, I. G. Zhidenko1, I. М. Kutlubayev1,2, D. A. Chuntonov1
JSC «Scientific Development and Production Center «Android Technology» 6, Gertsena Str., Magnitogorsk, 455001, Russian Federation ^Magnitogorsk State Technical University im. G. I. Nosova 38, Lenina Av., Magnitogorsk, 455000, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The paper describes main characteristics of the two implemented schemes for constructing supporting modules of anthropomorphic robots.
Keywords: anthropomorphic structure, a supporting module, a kinematic diagram.
Спектр работ, выполняемых антропоморфными [1] робототехническими средствами, постоянно расширяется. Антропоморфные робототехнические платформы непременно займут большую нишу на космических и на планетных объектах.
Данные платформы не нуждаются в высокой степени самостоятельности при принятии решений и могут контролироваться посредством специальных задающих устройств [2]. Антропоморфные роботы обладают кинематикой, аналогичной присущей человеку [3]. Обеспечение устойчивого движения по различным поверхностям предполагает наличие не менее 5 степеней подвижности в каждом из двух опорных модулей. Размещение соответствующего количества приводов вызывает серьезные конструктивные сложности.
С целью выявления наиболее рационального варианта построения опорных модулей в ПАО «НПО «Андроидная техника» были выполнены работы по созданию двух вариантов модулей.
Исследовались вопросы компоновки силовой части и эффективности использования систем передачи движений. Движение может быть обеспечено от двигателей с вращающимся или движущимся поступательно звеном.
Система передачи движения с вращающимся двигателем может быть выполнена в двух версиях: с со-осным и параллельным расположением вала двигателя и оси поворота выходного звена. Первый подход используется достаточно активно и реализован, в частности, в конструкциях: Asimo, HRP, HRP2+, Hubo, Thormabg, Thormang 2 , в собственных решениях в AR - 600, AR - 601.
В опорных модулях наиболее нагруженной степенью подвижности обладают шарниры - аналоги коленных суставов. Реализация компактного узла при использовании соосной схемы весьма затруднительна из-за большого диаметра двигателя.
Использование параллельной схемы позволило обеспечить передачу крутящего момента от двух двигателей Maxon motor RE 40 148877 (48V, 150 W, 7590 об/мин) [3] на одно выходное звено 2F (рис. 1, а) через ременную передачу и волновой редуктор Harmonic drive (CSD 25, U = 100) [4]. Движение на выходные звенья 1F , 3F реализовано от индивидуальных двигателей Maxon motor RE 35 285788 (48V, 90 W, 7300 об/мин) [5].
Параметры реализованной конструкции опорных модулей представлены в таблице.
Альтернативным вариантом схемы построения привода является использование в силовой части по-
