CC BY
16
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
НЕТРАДИЦ1ЙН1 ВИДИ ТРАНСПОРТУ. МАШИНИ ТА МЕХАН1ЗМИ
УДК 621.01
1 *
Д. О. БАННЖОВ1
1 Каф. «Будгвельне виробництво та геодезш», Днгпропетровський нацюнальний унгверситет затзничного транспорту iMeHi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днгпро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 57, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-9019-9679
ВИКОРИСТАННЯ БУДШЕЛЬНО-ОР1еНТОВАНОГО ПК SCAD ДЛЯ АНАЛ1ЗУ РОБОТИ МАШИНОБУД1ВНИХ КОНСТРУКЦ1Й
Мета. У випадку аналiзу роботи машинобудiвних конструкцш безпосередне використання будiвельно-орieнтованих програмних розробок е неможливим, оскiльки щеолопя та методика рiшення рiзноманiтних задач у будiвництвi та машинобудуваннi рiзняться. Тому при проведеннi практичних розрахуншв виникае необхiднiсть у певному коригувант закладених у програмнi комплекси пiдходiв та !х адаптацп до машино-будiвноl галузi. Викладення авторського досввду використання будiвельно-орiентованого програмного комплексу SCAD for Windows для аналiзу роботи рiзноманiтних машинобудiвних конструкцiй, 1х вузлiв та агре-гатiв i е безпосередньою метою публжацп. Методика. На протязi значного термiну часу автор займався ана-лiзом роботи будiвельних, переважно тонкостiнних, сталевих конструкцш за допомогою методу сшнчених елеменпв (МСЕ) на базi програмного комплексу SCAD for Windows. Паралельно з цим було розглянуто значну кшьшсть машинобудiвних конструкцiй, в тому числ одиниць рухомого складу залiзницi. Б^шють iз таких задач переростали в науково-пошукову проблему, яку необхвдно було всебiчно дослiдити та про-аналiзувати перед тим, як надавати конструкторсьш рекомендаций Результати. В публжаци представлен бiльше десятка рiзноманiтних задач, характерних для галузi машинобудування, з якими автору довелося мати справу. Серед них статична та квазютатична задач^ задача руху в часi, контактна задача, задача розви-тку трщин, фiзична та геометрична нелiнiйностi. Ввдповвдно до кожно! з цих задач наведет основнi про-блеми, особливосп та практичнi прийоми, напрацьованi тд час дослвдження, а також в якосл шюстрацп представленi побудованi сшнченно-елементш моделi. Наукова новизна. Узагальнено досвщ використання будiвельно-орiентованого програмного продукту на базi методу ск1нчених елементiв для аналiзу роботи ма-шинобудiвних конструкцш. Викладено низку практичних прийомiв та пiдходiв до вирiшення рiзноманiтних задач у машинобудiвнiй галузi. Практична значимкть. Застосування наведено1 шформацп, методiв та пiдходiв дозволяе не тiльки виршити конкретнi практичнi задачi машинобудiвноl галуз^ а й отримати коректнi та практично прийнятш рiшення.
Ключовi слова: метод сшнчених елементiв; ПК SCAD for Windows; машинобудування; конструкщя
Введення
У тепершнш час одним i3 основних метод1в анал1зу роботи рiзноманiтних конструкцiй е метод скiнчених елеменпв (МСЕ). У класич-ному виглядi вiн був викладений в роботах О. Зенкевича (див. наприклад [7]).
Сучасне трактування цього методу налiчуе його чотири види, якi в^^зняються за способом отримання основних рiвнянь - прямий ме-
тод, варiацiйний метод, метод нев'язок i метод енергетичного балансу, а також три форми за-лежно вщ вибору вузлових невiдомих - метод перемщень, метод сил i змiшаний метод [13, 16]. Також останшм часом виникають рiзнома-нiтнi варiацil пбридно! форми МСЕ [14, 15, 18].
Широке використання МСЕ для шженерних розрахункiв обумовлено, в основному, можли-вiстю створення на його основi програмних продуктiв, якi надають змогу змоделювати ду-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
же широке коло задач, починаючи з механiки твердого тiла, мехашки рiдин та газiв, i закш-чуючи електромагнетизмом i ядерною фiзикою. Найбiльш потужними та вiдомими подiбними сучасними комплексами е ANSYS (www.ansys.com) [8, 19] та SolidWorks (solid-works.com) [1, 17]. Проте !х висока вартiсть та значна громiздкiсть у використаннi нерiдко стають дуже суттевими перепонами для iнже-нера. До того ж щ комплекси мають виражену машинобудiвну специфiку.
У свою чергу, рiзноманiтнi задачi мехашки, починаючи зi статичних, температурних та за-кiнчуючи динамiчними й ударно-шерцшними задачами, нерiдко потребують розробки спеща-лiзованих пакетiв програм, що орiентованi суто на певний рiзновид або конструкцш, або сере-довища. Найбшьш популярною подiбною роз-робкою е NASTRAN [6]. Проте його офщшна вершя також мае досить значну вартють за мiр-ками iнженерil.
Провiднi вiтчизнянi програмнi продукти на основi МСЕ в галузi мехашки хоча i мають на порядок нижчу вартiсть, проте е будiвельно-орiентованими комплексами - SCAD (scadsoft.com) [12], Lira (lira.com.ua) [4], Селена (selenasys.com).
Мета
У випадку анатзу роботи машинобудiвних конструкцiй безпосередне використання подiб-них будiвельно-орiентованих програмних роз-робок е неможливим, оскiльки щеолопя та методика рiшення рiзноманiтних задач в будiвни-цтвi та машинобудуванш розрiзняються, вини-кае необхщнють у певному коригуваннi закладених у програмш комплекси пiдходiв та !х адаптацп до машинобудiвноl галузi.
Викладення авторського досвiду використання ПК SCAD for Windows для анатзу роботи рiзноманiтних машинобудiвних конструкцш, !х вузлiв i агрегатiв е безпосередньою метою дано! публшаци.
Методика
На протязi значного термiну часу автор за-ймався аналiзом роботи будiвельних, переваж-но тонкостiнних, сталевих конструкцш за до-помогою МСЕ на базi ПК SCAD for Windows
[9]. Паралельно з цим було розглянуто значну кшьюсть машинобудiвних конструкцш, у тому чи^ одиниць рухомого складу затзнищ, ств-працюючи з ГНДЛ динамiки i мiцностi рухомого складу ушверситету. Такi конструкци також утворенi зi сталевих несучих елементiв, що мають тонкостшш профiлi. Тому !х робота дуже схожа з роботою тонкостiнних емшсних конс-трукцiй, але з певною специфiкою.
Вiдразу хотiлося б вщзначити, що багато практичних задач, iз якими довелося зштовх-нутися, не мали анi теоретичного опису в спе-цiалiзованiй лiтературi, анi практичних вказiвок щодо !х розв'язку. Тому бшьшють iз таких задач переростали в науково-пошукову проблему, яку необхщно було всебiчно дослiдити та про-аналiзувати перед тим, як надавати конструк-торськi рекомендации
Нижче представлен найбiльш цiкавi прак-тичш задачi, з якими довелося мати справу автору. Вщповщно до кожно! з них наведенi ос-новнi проблеми, особливостi та практичш при-йоми, напрацьованi пiд час роботи.
Результати
1. Статична задача. Дана задача е найбшьш поширеною для будiвельних конструкцiй, проте в машинобудiвнiй галузi вона зус^чаеться досить рiдко, адже всi машини або рухаються самi, або мають рухомi частини. Все це ство-рюе рiзноманiтнi динамiчнi навантаження. 1х точне та коректне врахування являе собою до-волi складну проблему, адже бшьшють iз таких навантажень мае важкопрогнозований випад-ковий характер. Тому в практищ досить поши-реним е зведення динамiчноl задачi до квазюта-тично! з допомогою рiзноманiтних динамiчних коефiцiентiв.
Особливо популярним е такий тдхщ по вщ-ношенню до залiзничних рухомих одиниць -електровозiв, тягових агрегатiв, вагонiв тощо. Вiн офiцiйно закрiплений у нормативних документах [10, 11], якими користуються в Укра!ш певнi замовники робгг.
1.1. Найбiльш цiкавим та трудомютким прикладом тако! задачi була задача анатзу од-носекцiйного електровозу ДС3. Сюнченно-елемента модель електровоза представлена на рис. 1, а. Вона являе собою пластинчасто-стержневу систему з близько 40 000 вузлами.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
Результати розрахунюв вщ прикладених на-вантажень для р1зних режим1в пор1внювалися з результатами експериментальних дослщжень. По вшх контрольних точках погршшсть не пе-ревищувала 30-35 %, що свщчить про досить високу в1ропднють як само].' побудовано1 модели так i в цшому ПК SCAD, хоча й використо-вувалися досить CT^i версiï цього комплексу.
Це дало можливють визначити певш резер-ви конструкцiï машини та запропонувати варiа-нти зменшення ïï конструктивноï маси на 1,5 тони, чого i вимагав замовник.
Основною складнютю тд час створення мо-делi виявилася неможливiсть використання вбудовано1' у ПК SCAD опцiï щодо визначення розрахункових сполучень зусиль (РСЗ), адже розробники заклали прийняту в будiвництвi класифiкацiю навантажень та вщповщну систему коефiцieнтiв. Тому для пластинчастих елементiв результати порiвнювалися за напру-женням, а для стержневих елементiв - необхщ-но було вручну складати та аналiзувати РСЗ.
Також другою суттевою труднiстю виявися аналiз результатiв у концентраторах напру-жень. Ця проблема взагалi, як було з'ясовано шзшше, е одним зi «слабких мюць» МСЕ та ïï розгляду автор придшяв окрему увагу [2, 3].
Побудована модель електровозу ДС3 також дозволила проанатзувати шшу практичну си-туацiю. При ремонтних роботах у депо корпус машини шдшмають на домкратах. При цьому завдяки нерiвномiрностi пiдйому виникають певнi перекоси, що веде, наприклад, до закли-нювання дверей машинюта. Для отримання ре-зультатiв анатзу ситуацiï було розглянуто бли-зько 20 рiзних варiантiв розташування тдйом-них домкратiв та обрано найбшьш рацюналь-ний, який передбачав мшмальш деформацiï кузова машини.
1.2. Оскiльки ПК SCAD не передбачае мож-ливостi субмоделювання, то для детального аналiзу окремих конструктивних елементiв та вузлiв машини ДС3 необхщно було створювати окремi скiнченно-елементi моделi. Однiею з перших була модель буферного бруса, розр> заного навпш для економiï машинних ресурсiв (рис. 1, б). Вона являла собою пластинчасту систему з близько 3 500 вузлами.
Основною складнютю при такому «вирiзан-ш» окремих частин машини е необхщнють ко-
ректноï передачi внутрiшнiх зусиль на такий фрагмент, а також вибiр граничних умов, якi б максимально вщтворювали характер роботи елемента в конструкци.
Якщо по вiдношенню до першого моменту можна надати ч^ку апробовану рекомендацiю - включати до моделi фрагмента ще два додат-ковi перерiзи елемента, то по вщношенню до характеру закрiплень - ix вiдтворення в кожному конкретному випадку досить iндивiдуальне, хоча перевагу краще надавати закрiпленню в площиш «вирiзу» тiльки трьох лшшних пе-ремiщень.
1.3. 1ншим розглянутим конструктивним елементом електровоза ДС3 був iзолятор крш-лення струмоведучих елемеш!в на даху машини. Поставлена задача передбачала аналiз зони прикршлення самого iзолятора до конструкц^'. Для ïï ршення було побудовано спещальну скiнченно-елементну модель, що включала мо-делювання зварних швiв, утримуючих елемен-ти опори.
При цьому найбшьш проблемним та супе-речливим питанням була необхщшсть анатзу витримування таких елементiв кршлень на екс-тремальне навантаження величиною 3g, реко-мендоване нормами [10]. Однак, ч^ке визначення того, що в несучих елементах вважати кршленням, в нормах вiдсутне.
Самi зварнi шви були змодельованi спеща-льними iзопараметричними 20-вузловими просторовими скшченими елементами, вклю-ченими до бiблiотеки елементiв ПК SCAD (рис. 1, в). Такий елемент з ушх наявних показав найкращий рiвень збiжностi результатiв, порiвняно з анал^ичними розрахунками. Тому саме вiн може бути рекомендований для моде-лювання зварних швiв у конструкцiяx.
1.4. 1ншою машиною, з якою авторовi довелося мати справу, був електровоз ДЕ1. Побудована пластинчаста модель несучоï рами вiзка наведена на рис. 2, а. Вона складалась iз близько 15 000 сюнчених елементiв та 15 000 вузлiв. На рис. 2, б представлена модель боковини вiз-ка, що складаеться з близько 5 000 сюнчених елементiв i 5 000 вузлiв. Також окремо розгля-далась рама пiд електрообладнання, розташо-вана в корпусi електровоза ДЕ1. ïï модель являла собою пластинчасту систему з близько 40 000 вузлами - рис. 2, в.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету з&тзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
а - а
б - b
PHC. 1. CKÎHHeHHO-efleMeHTHÎ Mogem eœKTp0B03a ,3,03 Ta ftoro KOHCTpyKTHBHHx eœMeffriB:
a - eneKTp0B03 ^03; 6 - 6y$epHHH 6pyc; e - i30MT0p KpimeHHA CTpyMOBegynnx eneMernÎB
Fig. 1. Finite element models of the electric locomotive DS3 and its structural elements:
a - electric locomotive DS3; b - buffer beam; c - insulation for fastening of current-carrying elements
У цьому конструктивному елеменп стерж-ньов1 балки та стшки були змодельован як пластини. За результатами пор1вняльного ана-л1зу з аналопчною стержневою моделлю в самих стержнях р1знищ в показниках напружено-деформованого стану не перевищували 10 %. Проте перехщ на використання пластинчастих скшчених елеменпв дозволив, по-перше, змо-
делювати погнутост1 та отвори в елементах рами, а по-друге, виявити низку небезпечних концентратор1в у вузлах стиковки окремих сте-ржшв. Звюно, що стержнева модель не дозво-ляе вщобразити цих особливостей, тому под1бш конструкцн необхщно моделювати пластинчас-тими елементами.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
в - С
Z к
Рис. 2. Сшнченно-елементш модел електровоза ДЕ1 та його конструктивних елеменпв:
а - рама в1зка; б - боковина в1зка; в - рама тд електрообладнання
Fig. 2. Finite element models of the electric locomotive DE1 and its structural elements:
a - bogie frame; b - bogie side frame; c - frame for electrical equipment
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
1.5. Для тдвищення точност та достов1рно-ст розрахункових моделей досить часто вико-ристовують просторов! (об'емш, 3D) скшчент елементи. Це само по соб1 збшьшуе точшсть модел1 та надае можливють якнайкраще пере-дати геометр1ю реальних об'екпв.
Прикладом такох' модел1 може служити модель букси електровоза ДС3 - рис. 3, а. Вона мае в своему склад1 близько 140 000 просторо-вих елеменпв 8-вузлового ¡зопараметричного типу. В результат розм1рнють задач1 складала близько 400 000 ступешв вшьностг Викорис-тання в цьому випадку 20-вузлового просторо-вого сюнченного елементу, безумовно, шдви-щуе точшсть обчислень, проте в 3-4 рази зб1-льшуе розм1ри задачу що для складних конс-трукцш е досить проблематичним.
Основною складшстю при застосувант ПК SCAD е практично повна вщсутшсть шструме-нтальноl бази для роботи з просторовими скш-ченними елементами. Найпршим е те, що всю скшченно-елементну с1тку необхщно моделю-вати вручну (!) за вщсутносп засоб1в ll автома-тизованоl генераци. Цей надзвичайно суттевий недолш практично унеможливлюе використан-ня ПК SCAD для просторових задач значного обсягу. Наприклад, на побудову та налаго-дження модел1 букси було витрачено майже мюяць кроштко! пращ.
Зауважимо, що у випадку задач невеликого обсягу - розробки кронштейну 6-осного думпкара (рис. 3, б) - застосування ПК SCAD е цш-ком прийнятним.
1.6. Таке становище речей примусило шука-ти rnmi шляхи моделювання, зокрема, поеднан-ня просторових сюнчених елемент1в 1з плоскими. Прикладом може служити модель (половина) буферного бруса електровоза ДЕ1, яка включае близько 70 000 елеменпв i 65 000 вуз-л1в - рис. 4.
Передня стшка та система внутршшх ребер жорсткост моделювались пластинчастими скшченними елементами, ус шш1 частини брусу - просторовими елементами. Таке ршення було обумовлено ще й необхщшстю задавати навантаження на поверхню. Ця опщя в ПК SCAD передбачена тшьки для плоских скш-ченних елеменлв.
Основною складшстю такого «подвшного» моделювання е спотворення результат1в у м1с-
цях контакту ск1нченних елементш р1зних ти-тв. Адже у вузлах плоского елементу вщшу-куються 6 невщомих перемщень, а у вузлах просторового - лише 3. Частина зусиль начебто «зникае» при передач! вщ елемента одного типу до шшого. Тому таку комбшащю сюнчен-них елеменп р1зних розм1рностей слщ викори-стовувати дуже обережно, щоб не отримати хибний результат.
а - а
Рис. 3. Скшченно-елементш модел з просторових сшнченних елеменпв:
а - букса електровоза ДС3; б - кронштейн 6-осного думпкара
Fig. 3. Finite element models of spatial finite elements:
a - electric locomotive DS3 box; b - bracket of the 6-axis dumpcar
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
Рис. 4. Сшнченно-елементна модель буферного бруса електровоза ДЕ1 Fig. 4. Finite element model of buffer beam in electric locomotive DE1
2. Задача руху в 4aci. Ще одним проблем-ним конструктивним елементом електровоза ДС3 був струмоприймач. За характером роботи це е рухомий елемент, який може складати-ся/розкладатися тд час експлуатацп машини, а також дещо змшювати свое просторове поло-ження в залежностi вщ натягу дротiв.
Для аналiзу тако! ситуацii у ПК SCAD вщ-сутнi будь-якi засоби, якi дозволяли б моделю-вати задачi руху в чаш, оскшьки в будiвельних конструкцiях робота елементiв передбачаеться як статична, без змши !х геометричного поло-ження. Тому була розроблена спещальна методика, яка передбачала побудову ряду скшчен-но-елементних моделей iз рiзною геометрiею. Так, струмоприймач моделювався для повшстю складеного положення (кут 10 °), повнiстю роз-критого положення (кут 50 °) i низки промiж-них положень (кути 12, 15, 25, 35 i 45 °) -рис. 5, а-г.
Модель являла собою стержневу систему з 75-и скшчених елементiв. Найбiльшi зусилля за результатами обчислень спостер^ались при кутi тдйому 14,5 °, для чого будувалась апрок-симацiйна крива.
Використання стержневих елементiв у данiй задачi обумовлено формою поперечного пере-рiзу самих елеменпв - кругла труба. У випадку
моделювання такого перерiзу пластинчастими елементами необxiдна досить дрiбна розбивка на скшченш елементи по довжиш кола. Як св> дчать даш тестових моделей, спецiально побу-дованих та проаналiзованиx для цього випадку, достатшм слiд вважати таку кшьюсть елемен-тiв, за якоï утворюеться кут не бiльше 5 ° мiж окремими скiнченими елементами. При цьому не створюеться викривлення поля напружень, описане, наприклад, у [19].
На практищ, виходячи з необхщност мати форму сюнченого елементу, що наближена до квадратноï, це приводить до значно].' кiлькостi скшчених елеменпв по довжинi конструктивного елементу. За тдрахунками автора в ситу-аци, що розглядаеться, модель струмоприймача мала б мiстити близько 500 000 вузлiв, що ста-новить порядку 3 млн. ступешв вiльностi. На-вiть для сучасних комп'ютерiв можливiсть фо-рмування та аналiзу подiбноï моделi мае бути спещально обгрунтована.
У зв'язку з останшм необxiдно також вiд-значити, що питання створення дрiбноï скш-ченно-елементноï сiтки та, вiдповiдно, моделей значноï розмiрностi, залишаеться все ще доста-тньо актуальним, адже як вiдмiчено, наприклад, в роботi [5], все ж таки збертаеться небезпека втрати точносп рiшення пiд час математичних операцiй iз наближеними числами.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
а - а
б - b
г - d
Рис. 5. Сшнченно-елементш модел струмоприймача електровоза ДС3 в положеннях:
10°; б - 15°
■ 35°; г - 50°
Fig. 5. Finite-element models of the current collector in the electric locomotive DS3 in the positions:
a - 10°; b - 15°; с - 35°; d - 50°
3. Контактна задача. Така задача е найпо-ширешшою для машинобущвних конструкцш. Проте для цього випадку ПК SCAD передбачае лише досить простий шструментарш для розг-ляду найпростшого випадку контакту двох площин. Однак, як показали результати тестового моделювання, нав1ть у цьому випадку ге-ометрично-нелшшна задача примушуе викону-вати значну кшьюсть ¡терацш, що само по соб1 тдвищуе час пошуку ршення. До того ж дуже часто на одному з кроюв ршення задачу просто «вибивае» через внутршню помилку, обумов-лену, як правило, високою нев'язкою м1ж 1те-рацшними кроками.
Одним ¡з можливих виход1в е використання стержневих елеменпв у зош контакту. Так було змодельовано взаемод1ю ступищ колеса електровоза ДС3 з несучим валом - рис. 6. Рис. 6. Ск1нченно-елементна мОДель колеса
електровоза ДС3
Fig. 6. Finite element model of the wheel in the electric locomotive DS3
в — с
а
в
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
Застосування стержнiв передбачае виконан-ня по^бних iтерацiй «вручну». Сутнiсть тако! методики полягае в тому, що на першому кроцi вирiшуеться звичайна лшшна задача з усiма змодельованими стержнями. По результатах першого кроку тi стержнi, в яких наявнi зусил-ля розтягу, видаляються з модель Знов виршу-еться звичайна лшшна задача, i знов розтягнуп стержнi видаляються з модель Так продовжу-еться до тих шр, доки пiсля чергового розраху-нкового кроку не залишаться тшьки розтягнутi стержнi. Звiсно, що тип скшченного стержневого елементу мае бути таким, що забезпечуе роботу тiльки на стиск-розтяг.
Аналопчним шляхом вирiшувалися рiзнома-нiтнi «контакты» задачi за допомогою ПК SCAD, проте достовiрнiсть отримуваних результатiв у жодному випадку точно встановити не вдалося -через вiдсутнiсть даних для порiвняння.
4. Задача розвитку трiщини. Такi задачi, в яких потрiбно вiдслiдкувати процес руйну-вання матерiалу конструкцii, вважаються одними з найскладшших. Проте вирiшити !х за-
собами ПК SCAD безпосередньо неможливо, через вiдсутнiсть необидного шструментарда. Тому в цьому випадку може бути застосована методика «ручних» iтерацiй, аналогiчна до ви-падку контактно! задачi.
Ii сутнiсть полягае в тому, що в мюцях екст-ремальних напруг, яю перевищують межi мщ-ност матерiалу, пiсля звичайного лiнiйного розрахунку вирiзаеться певна дiлянка конструкций яка моделюе утворення трiщини. Дат ви-конуеться повторний розрахунок, тсля чого оцiнюеться рiвень напруг у зош, що розгляда-еться, - якщо вiн перевищуе межу мщносп ма-терiалу, то розмiр «трщини» збiльшуеться. Таким чином виконуеться ряд розрахункiв, доки напруження не перевищуватимуть встановлену межу. При цьому розвиток «трщини» може як призупинитися, так i продовжитися.
Така методика була апробована на моделi пресу для штампування залiзничних колю -рис. 7. Трщина досягла величини близько 1 м i зупинилася.
Рис. 7. Сшнченно-елементна модель пресу для штампування зал1зничних колю Fig. 7. Finite-element model of press for railway wheels stamping
5. Фiзична нелшшшсть. Окремим рiзнови-дом задач, що притаманш сферi машинобуду-вання, е задачi транспортування рiзноманiтних вантажiв. Для цього можуть бути спещально сконструйованi та виконаш додатковi констру-кцii з демпфуючими елементами, якi утримува-ли б вантаж у проектному положенш.
Так, одшею з подiбних задач буда задача транспортування залiзницею 6-осного думпкара. При цьому вiзки транспортувались окремо,
а сам корпус насаджувався на спещально скон-струйоваш балки з опорними конусами у верх-нiй частинi (рис. 8). На поверхню цього конусу укладався шар спещального полiмеру, який ви-конував функцiю демпфера.
Моделювання такого прошарку передбачае можливiсть завдання нелшшно! дiаграми роботи матерiалу та ршення вiдповiдноi фiзично-нелiнiйноi задачi. Проте в ПК SCAD така мож-ливють повнiстю вiдсутня, i для полiмерного
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
прошарку в модел1 прийшлося задавати усеред-нен1 л1н1йн1 ф1зичн1 характеристики. Наск1льки це викривило результат - встановити не вдалося.
6. Посадка з натягом. Ще одн1ею розпо-всюдженою задачею галуз1 машинобудування е з'еднання елемент1в 1з натягом. Наприклад, таким чином встановлюються в отвори шпл1нти, передбачеш в спец1альному пристро! для виго-товлення заклепок холодним способом (рис. 9).
Даний клас задач фактично поеднуе в соб1 два окрем1 р1зновиди задач - контактну 1 задачу попереднього напруження (до реч1, в1дому в буд1вництв1). Кожна з цих задач сама по соб1 е геометрично-нел1н1йною, а !х поеднання е ге-ометричною нел1н1йн1стю «в квадрат1». Зв1сно ж, !х р1шення являе собою довол1 складну й не-однозначну проблему, нав1ть для спец1ал1зова-них програмних продукт1в типу ANSYS або SolidWorks.
В ПК SCAD, на жаль, под1бн1 машинобуд1в-Hi задачi виршити та, нав1ть, змоделювати
a - a
в тепер1шн1й час виявляеться практично немо-жливим. Тому в практиц1 доводиться розгляда-ти конструктивний елемент 1з отворами зам1сть моделювання, наприклад, шпл1нт1в, вважаючи таке р1шення «йдучим в запас».
Наукова новизна та практична значимкть
Оск1льки в наявн1й фахов1й л1тератур1 по проектуванню засоб1в транспорту практично повн1стю в1дсутня 1нформац1я стосовно вико-ристання буд1вельно-ор1ентованих програмних продукт1в на баз1 МСЕ, то узагальнений автором досв1д дещо зменшуе цей проб1л.
Також, на думку автора, фах1вц1, що пра-цюють у сфер1 використання скшченно-елементного моделювання, безумовно, мають знайти для себе в дан1й публ1каци нов1 практи-чн1 прийоми чи п1дходи до вир1шення р1знома-н1тних задач у машинобуд1вн1й галуз1.
б - b
Рис. 8. Ск1нченно-елементна модель а - опорное' балки та б - опорного конуса для транспортування 6-осного думпкара
Fig. 8. Finite element model a - the supporting beam and b - the supporting cone for transportation of 6-axle dumpcar
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
Рис. 9. Сшнченно-елементна модель пристрою для виготовлення заклепок холодним способом Fig. 9. Finite-element model of the device for cold rivets making
Висновки
Пщсумовуючи все вищевикладене в данш публшацп, слiд узагальнити накопичений дос-вiд використання будiвельно-орiентованого ПК SCAD для машинобудiвноi галузь
1. У цiлому ПК SCAD дозволяе виршувати досить значне коло машинобудiвних задач, схожих на задачi оцiнки несучоi здатностi в будiвництвi. При цьому слiд окремо зважати на проблему збiжностi результатiв у концентраторах.
2. Основними особливостями використання ПК SCAD при цьому е:
- розрахунковi сполучення навантажень мають визначатись вручну, а комбшацп навантажень - задаватися при спещальному заванта-женнi;
- можливють «субмоделювання» мае реал> зовуватися побудовою окремо! моделi для дос-лщжувано! частини конструкцii. При цьому необхщно залишати «на запас» приблизно по-двiйний розмiр перерiзу;
- для моделювання задач невеликое' розмiр-носп, у тому числi й для зварних швiв, най-бiльш високу точшсть забезпечуе просторовий
iзопараметричний 20-вузловий скiнчений еле-мент;
- для моделювання задач конструкцш знач-но! розмiрностi необхiдно використовувати звичайний 8-вузловий просторовий iзопарамет-ричний скiнчений елемент. Причому поеднання в однiй моделi такого елементу разом iз плас-тинчастим призводить до втрати точностi р> шення.
3. Моделювання задачi руху конструктивного елемента в чаш може бути реалiзовано за допомогою побудови сери моделей iз рiзним просторовим положенням рухомих елементiв та подальшим вiдшукуванням найгiршого по-ложення.
4. Для моделювання контактно! задачi слщ використовувати описану в публiкацii методику «ручних» терацш. Аналогiчна за змютом методика може бути використана й для прогно-зування розвитку трiщин.
5. Вщ моделювання фiзично-нелiнiйних задач та задач попереднього натягу в ПК SCAD краще вiдмовитись та використовувати для цього бшьш потужнi закордоннi програмнi продукти.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Алямовский, А. А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации / А. А. Алямовский. - Москва : ДМК Пресс, 2015. - 562 с.
2. Банников, Д. О. Корректировка результатов расчета напряжений по МКЭ методом HSS / Д. О. Банников, А. Э. Гуслистая // Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Дншропет-ровськ, 2011. - Вип. 38. - С. 134-141.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
3. Баншков, Д. О. Оцшка практично! зб1жност1 результапв анал1зу пластинчастих моделей в метод1 сшн-чених елеменпв / Д. О. Баншков // Нов1 технологи в буд1вництв1. - 2017. - № 32. - С. 26-31.
4. Водопьянов, Р. Ю. Программный комплекс Лира-САПР 2014. Руководство пользователя. Обучающие примеры / Р. Ю. Водопьянов, В. П. Титок, А. Е. Артамонова ; под ред. А. С. Городецкого. - Москва : Электрон. изд., 2014. - 394 с.
5. Гуслиста, Г. Е. Оцшка важливосп врахування нелшшних властивостей системи "споруда - грунтовий масив" при визначенш !! напружено-деформованого стану / Г. Е. Гуслиста, Д. О. Баншков // Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Дншропетровськ, 2011. - Вип. 37. -С. 155-160.
6. Жилкин, В. А. Моделирование и статический расчет элементов конструкций в MSC Patran-Nastran-Marc : учеб. пособие / В. А. Жилкин. - Москва : Проспект науки, 2016. - 240 с.
7. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике : [пер. с англ.] / под ред. Б. Е. Победри. - Москва : Мир, 1975. - 542 с.
8. Каплун, А. Б. ANSYS в руках инженера : практ. рук. / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Шамраева. -Москва : Либроком, 2015. - 270 с.
9. Качуренко, В. В. Конструктивные решения стальных емкостей для сыпучих материалов / В. В. Качу-ренко, Д. О. Банников. - Днепропетровск : Новая идеология, 2016. - 168 с.
10. Нормы для расчета и оценка прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. - Москва : МПС РФ : ВНИИЖТ, 1998. - 145 с.
11. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС РФ колеи 1520 (несамоходных). -Москва : ГосНИИВ : ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.
12. SCAD Office. Версия 21. Вычислительный комплекс SCAD++ / В. С. Карпиловский, Э. З. Криксунов, А. А. Маляренко, С. Ю. Фиалко. А. В. Перельмутер, М. А. Перельмутер. - Москва : СКАД СОФТ, 2015. - 848 с.
13. Dow, J. O. A Concise Overview of the Finite Element Method / J. O. Dow. - New York : Momentum Press, 2015. - 220 p.
14. Finite Element Analysis-New trends and Developments / Edited by Farzad Ebrahimi. - London : InTech, 2012. - 410 p. doi: 10.5772/3352.
15. Gatica, G. N. A Simple Introduction to the Mixed Finite Element Method: Theory and Application / G. N. Gatica. - Cham : Springer, 2014. - 132 p. doi: 10.1007/978-3-319-03695-3.
16. Liu, G. R. The Finite Element Method. A Practical Course / G. R. Liu, S. S. Quek. - Amsterdam : Elsevier LTD, 2014. - 433 p. doi: 10.1016/b978-0-08-098356-1.00014-x.
17. Onwubolu, G. Front matter / G. Onwubolu // Applied Mechanics with SolidWorks. - London, 2015. -P. i-xvii. doi: 10.1142/9781783263813_fmatter.
18. Overview of Extended Finite Element / Z. Zhuang, Z. Liu, B. Cheng, J. Liao // Extended Finite Element Method. - Amsterdam, 2014. - Chap. 1. - P. 6-12. doi: 10.1016/b978-0-12-407717-1.00001-7.
19. Thompson, M. K. Interacting with ANSYS / M. K. Thompson, J. M. Thompson // ANSYS Mechanical APDL for Finite Element Analysis. - Amsterdam, 2017. - Chap. 1. - P. 11-30. doi: 10.1016/B978-0-12-812981-4.00002-2.
Д. О. БАННИКОВ1*
1 Каф. «Строительное производство и геодезия», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 57, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-9019-9679
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПК SCAD ДЛЯ АНАЛИЗА РАБОТЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Цель. В случае анализа работы машиностроительных конструкций непосредственное использование строительно-ориентированных программных разработок является невозможным, поскольку идеология и методика решения разнообразных задач в строительстве и машиностроении различаются. Поэтому при
Наука та прогрес транспорту. В1сник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
проведении практических расчетов возникает необходимость в определенной корректировке заложенных в программные комплексы подходов и их адаптации к машиностроительной отрасли. Изложение авторского опыта использования строительно-ориентированного программного комплекса SCAD for Windows для анализа работы разнообразных машиностроительных конструкций, их узлов, агрегатов и является непосредственной целью публикации. Методика. На протяжении значительного периода времени автор занимался анализом работы строительных, преимущественно тонкостенных, стальных конструкций с помощью метода конечных элементов (МКЭ) на базе программного комплекса SCAD for Windows. Параллельно с этим было рассмотрено значительное количество машиностроительных конструкций, в том числе единиц подвижного состава железной дороги. Большинство из таких задач перерастали в научно-поисковую проблему, которую необходимо было всесторонне исследовать и проанализировать перед тем, как приводить конструкторские рекомендации. Результаты. В публикации представлены более десятка разнообразных задач, характерных для отрасли машиностроения, с которыми автору пришлось иметь дело. Среди них статическая и квазистатическая задачи, задача движения во времени, контактная задача, задача развития трещин, физическая и геометрическая нелинейности. Соответственно для каждой из этих задач приведены основные проблемы, особенности и практические приемы, наработанные во время исследования, а также в качестве иллюстрации представлены построенные конечно-элементные модели. Научная новизна. Обобщен опыт использования строительно-ориентированного программного продукта на базе метода конечных элементов для анализа работы машиностроительных конструкций. Изложен ряд практических приемов и подходов к решению разнообразных задач в машиностроительной сфере. Практическая значимость. Применение приведенной информации, методов и подходов позволяет не только решить конкретные практические задачи машиностроительной сферы, но и получить корректные и практически приемлемые решения.
Ключевые слова: метод конечных элементов; ПК SCAD for Windows; машиностроение; конструкция
D. О. BANNIKOV1*
1 Dep. «Construction Production and Geodesy», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (097) 532 54 46, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-9019-9679
USAGE OF CONSTRUCTION-ORIENTED SOFTWARE SCAD FOR ANALYSIS OF WORK OF MACHINE-BUILDING STRUCTURES
Purpose. In the case of analysis of work of the machine-building structures, the direct usage of construction-oriented software developments is impossible, since ideology and methodology for solving various tasks in construction and machine-building are different. Therefore, in the conducting of practical calculations, there is a need for a certain adjustment of the approaches put in the program complexes and their adaptation to the engineering industry. The presentation of the author's experience of the construction-oriented software SCAD usage for Windows for analyzing the work of various machine-building structures, their components and assemblies is the immediate purpose of the publication. Methodology. During a long period of time the author was engaged in analyzing the work of building, mainly thin-walled, steel structures using the Finite Element Method based on the SCAD for Windows software package. At the same time, a considerable number of machine-building structures were considered, including railroad rolling stock units. Most of these tasks grew into a scientific and research problem that needed to be thoroughly researched and analyzed before giving design recommendations. Findings. The publication presents more than a dozen different tasks, typical for the machine-building industry, which the author had to deal with. Static and quasi-static problems, the problem of motion in time, the contact problem, the problem of the cracks development, the physical and geometric non-linearity are among them. Accordingly, for each of these problems the main challenges, features and practical techniques developed during the work are presented, as well as the constructed finite element models are presented as an illustration. Originality. The experience of construction-oriented software product usage on the basis of the Finite Element Method for analyzing of the work of machine-building structures is generalized. A number of practical methods and approaches to the solution of various problems in the machine-building sphere are set forth. Practical value. The application of the given information, methods and approaches allows not only to solve concrete practical problems of the machine-building sphere, but also to obtain correct and practically acceptable solutions.
Keywords: Finite Element Method; SCAD software package for Windows; machine-building; structure
Наука та прогрес транспорту. В1сник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту, 2018, № 1 (73)
REFERENCES
1. Alyamovsky, A. A. (2015). SolidWorks Simulation. Inzhenernyy analiz dlya professionalov: zadachi, metody, rekomendatsii. Moscow: DMK Press. (in Russian)
2. Bannikov, D. O., & Guslistaja, A. E. (2011). Correction of results of stress calculation with FEM by HSS method. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 38, 134-141. (in Russian)
3. Bannikov, D. O. (2017). Otsinka praktychnoi zbizhnosti rezultativ analizu plastynchastykh modelei v metodi skinchenykh elementiv. Novi tekhnolohii v budivnytstvi, 32, 26-31. (in Ukranian)
4. Vodopyanov, R. Y., Titok V. P., & Artamonova, A. E. (2014). Programmnyy kompleks Lira-SAPR 2014. Rukovodstvo polzovatelya. Obuchayushchie primery. Moscow: Elektronnoe izdanie (in Russian)
5. Guslistaja, A. E., & Bannikov, D. O. (2011). Estimation of the importance of taking into account the nonlinear properties of the system "structure-soil array" in determining its stress-strain state. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 37, 155-160. (in Ukranian)
6. Zhilkin, V. A. (2016). Modelirovanie i staticheskiy raschet elementov konstruktsiy v MSC Patran-Nastran-Marc: Uchebnoe posobie. Moskow: Prospekt nauki. (in Russian)
7. Zenkevitch, O., & Pobedrya, B. Y. (Ed). (1975). Metod konechnykh elementov v tekhnike: Perevod s an-gliyskogo. Moscow: Mir. (in Russian)
8. Kaplun, A. B., Morozov, E. M., & Shamraeva M. A. (2015). ANSYS v rukakh inzhenera: Prakticheskoe rukovodstvo. Moscow: Librocom. (in Russian)
9. Kachurenko, V. V., & Bannikov, D. O. (2016). Konstruktivnye resheniya stalnykh emkostey dlya sypuchikh materialov. Dnipropetrovs: Novaja ideologia. (in Russian)
10. Normy dlya rascheta i otsenka prochnosti nesushchikh elementov, dinamicheskikh kachestv i vozdeystviya na put ekipazhnoy chasti lokomotivov zheleznykh dorog MPS RF kolei 1520 mm. (1998). Moscow: MPS RF: VNIIZhT. (in Russian)
11. Normy rascheta i proektirovaniya vagonov zheleznykh dorog MPS RF kolei 1520 (nesamokhodnykh). (1996). Moscow: GosNIIV: VNIIZhT. (in Russian)
12. Karpilovsky, V. S., Kriksunov, E. Z., Maljarenko, A. A., Fialko, S. Y., Perelmuter, A. V., & Perelmuter, M. A. (2015). SCAD Office. Versiya 21. Vychislitelnyy kompleks SCAD++. Moscow: SKAD SOFT. (in Russian)
13. Dow, J. O. (2015). A Concise Overview of the Finite Element Method. New York: Momentum Press. (in English)
14. Ebrahimi, F. (Ed). (2012). Finite Element Analysis-New trends and Developments. London: InTech. doi: 10.5772/3352. (in English)
15. Gatica, G. N. (2014). A Simple Introduction to the Mixed Finite Element Method: Theory and Application. Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-319-03695-3. (in English)
16. Liu, G. R., & Quek, S. S. (2014). The Finite Element Method. A Practical Course. Amsterdam: Elsevier LTD. doi: 10.1016/b978-0-08-098356-1.00014-x. (in English)
17. Onwubolu, G. (2015). Front matter. In G. Onwubolu (Ed.), Applied Mechanics with SolidWorks. (pp. i-xvii) London. doi: 10.1142/9781783263813_fmatter. (in English)
18. Zhuang, Z., Liu, Z., Cheng, B., & Liao, J. (2014). Overview of Extended Finite Element. Extended Finite Element Method, 1, 6-12. doi: 10.1016/b978-0-12-407717-1.00001-7. (in English)
19. Thompson, M. K., & Thomson, J. M. (2017). Interacting with ANSYS. ANSYS Mechanical APDL for Finite Element Analysis, 1(11-30). doi: 10.1016/B978-0-12-812981-4.00002-2. (in English)
Статтярекомендована до публ1кацИ'д.т.н., проф. С. В. Ракшою (Украгна)
Над1йшла до редколеги: 02.11.2017
Прийнята до друку: 12.02.2018
