CC BY
25
УДК 621.001.63(075.8)
А. Л. АХТУЛОВ О. М. КИРАСИРОВ Е. В. КОМЕРЗАН
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ____
В статье показаны направления исследования многокритериальных динамических систем способами и технологиями компьютерного моделирования. Определены направления решения некоторых задач анализа динамических систем возможностями современных САПР, включающих высокую скорость разработки модели, создание опытного образца, испытание использованием программных комплексов моделирующих динамическое поведение механической системы. В статье представлены некоторые результаты машинного эксперимента. Данное исследование было выполнено в приложении COSMOS Motion программы Solid Works.
Сложность задач исследования современных технических устройств, представляющих собой чаще всего комплекс различных механизмов, находится в прямой зависимост и отфункционального назначения этих устройств. При этом важное значение приобретает планирование имитационных экспериментов при исследовании многокритериальных динамических систем. Многокритериальное™ в этом случае обуславливается тем, что к исследуемой модели или устройству, предназначенному для выполнения одной или несколькихтехнологаческих операций, всегда предъявляется комплекс таких механических требований, как точность, быстродействие, надежность и т.д. Реализация такого комплекса требований возможна при использовании ЭВМ для выбора варианта или вариантов устройств с заданными параме трами на основе выбора планируемых имитационных экспериментов, что значи тельно упрощает процесс принятия решений [4].
Важными в практическом исследовании динамических систем являются современные технологии компьютерного моделирования. В последнее время значительно возрос интерес в различных отраслях промышленности к созданию автоматизированных систем проектирования, конструирования и технологической подготовки производства. Это вызвано, прежде всето, необходимостью обеспечивать качественный ростсвойсгв и характеристик разрабатываемых образцов новой техники по сравнению с зарубежными и отечественными прототипами при одновременном сокращении затрат, необходимых для их серийного производства и эксплуатации. Для достижения этих целей необходимо повышать степень обоснованности принимаемых технических решений, особенно на ранних стадиях проектирования, когда цена ошибок велика, проводить всестороннюю обработку всех элементов конструкции, что реально осуществимо лишь на основе сквозной автоматизации и рое ктно-конструкторских и технологических работ (2).
Современные предприятия занятые производством высокотехнологичной наукоемкой продукции машиностроительной отрасли производства, в настоящее время все чаще сталкиваются с задачей необходимости обеспечения качественного роста свойств и характеристик выпускаемых изделий, машин при одновременном сокращении затрат, необходимых для их производства и эксплуатации. Для выполнения таких требований необходимо повышать степень обоснованности принимаемых технических решений. Особенно это актуально на ранних стадиях проектирования, когда цена ошибок велика, следует производить тщательную всес тороннюю о тработ ку всех элементов конструкции, используя возможности технологии автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем. Данная технология представляе т собой одно из передовых направлений современного инженерного анализа и используется при проектировании, отработке, испытаниях и доводке изделий, а также при проведении научных и прикладных исследований.
Использование программных комплексов моделирующих динамическое поведение системы, основанных на технологии автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем, позволяет на ранних стадиях проектирования получить достоверную информацию о динамическом поведении и силовом нагружении создаваемых механизмов и машин.
В последнее время интенсивное развитое получила технология автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем. Применение данной технологии позволяет оператив-но решать широкий спектр различных задач, возникающих при создании различных машин, и устранять недостатки характерные при использовании специальных программ. Суть этой технологии состоит в следующем. Математическая модель формируется на основании инженерно-технического описания исследуемой механической системы. Уравнения мате-
магической модели формируются автоматически и точно соответствуют законам классической механики. Вычислительное быстродействие такой модели ниже, чем у хорошей специализированной программы (программа, которая разрабатывается и используется под определенные динамические процессы, агрегаты и системы), но общее время решения задачи от момента ее постановки до получения результатов несоизмеримо меньше. Объектом исследования для таких программных комплексов является многокомпонентная механическая система, которая представляется совокупностью многозвенных пространственных механизмов. Эти механизмы состоят из множества тел звеньев, связанных кинематическими связями, упруго деформируемыми элементами (пружины, амортизаторы, демпферы) и приводами, атак же из элементов систем контроля и управления (датчиков, логических преобразователей, исполнительных органов управления ит.д). Описание многокомпонентной механической системы возможно обычными инженерными терминами. По инженерному описанию механической системы автоматически формируется математическая модель ее динамического движения. Базовые формулировки уравнений в данной технологии строятся паточных закона классической механики и не имеютограничений на локальность перемещений, которые принимаются, например, в методе конечных элементов. Таким образом, достоверность формируемых математических моделей обеспечивается использованием точных законов классической механики с учетом больших перемещений частей механической системы и нелинейных харак теристик взаимодействий.
Применение единой технологии динамического анализа для моделирования различных элементов, агрегатов, систем и изделий в целом на различных этапах создания (проектирование, изготовление, экспериментальная отработка, натурные испытания и анализ возникающих в процессе эксплуатации нештатных ситуаций) позволяет упрощать и ускорять решение задач по ма тематическому моделированию. При этом расширяется круг задач, решаемых с помощью математического моделирования и, как следствие, уменьшается необходимый объем натурных испытаний.
Одним из наиболее мощных средств исследования сложных динамических систем является имитационное моделирование на цифровых вычислительных машинах. Как и любое компьютерное моделирование, оно дает возможность проводить вычислительные эксперименты с еще только проектируемыми системами и изучать системы, натурные эксперименты, с которыми из-за соображения безопасности или дороговизны нецелесообразны. В то же время благодаря своей близости по форме к физическому моделированию этот метод исследования доступен более широкому кру1-у пользователей.
Имитационную модель рассматривают как специальную форму математической модели, в которой:
— декомпозиция системы на компоненты производится с учетом структуры проектируемого или изучаемого объекта;
— в качестве законов поведения могут использоваться экспериментальные данные, полученные в результате натурных экспериментов;
— поведение системы во времени иллюстрируется заданными динамическими образами
Современные системы визуального моделирования дают возможность пользователю вводить описание моделируемой системы в графической форме.
Например, в буквальном смысле рисовать функциональную схему, размещать на ней блоки и соединять их связями, а так же представлять результаты моделирования в наглядной форме в виде диаграмм и анимационных кар тинок. Современные инструменты визуального моделирования представляют проектировщику виртуальный испытательный стенд, на котором проводятся эксперименты при использовании той же технологии, что и на обычном испытательном стенде, но при этом значительно быстрее.
Одним из главных достоинств сис тем визуального моделирования является то, что они позволяют пользователю не заботи ться о программной реализации модели, как о последовательности исполняемых операций, и таким образом создают на компьютере некоторую удобную среду, в которой можно создавать виртуальные параллельно функционирующие системы и проводить с ними эксперименты. При этом графическая среда является похожей на физический испытательный стенд, только вместо кабелей и реальных измерительных приборов и осциллографов пользователь имеет дело с их образами на экране дисплея. Образцы можно перемещать, соединять и разъединять с помощью мыши. А самое главное, позволяет пользователю видеть и оценива ть результат!»! моделирования по ходу эксперимента и при необходимости активно в нее вмешиваться. Еще одной важной особенностью современных пакетов автоматизации моделирования является использование технологии объектно-ориентированного моделирования, что позволяет резко расширить границы применимости и повторного использования уже созданных и подтвердивших свою работоспособность моделей.
В настоящее время успешно используется программы для математического моделирования динамических систем. К ним относятся мощные калькуляторы д\я статических вычислений (Matead, Mathe-matica, Maple). Вторую группу составляют специализированные решатели для моделирования динамических процессов (Dynast, Multisim, Visssim, Simulink). Использование программ- калькуляторов позволяет обходиться лишь расчетами однократного вычисления запрограммированной им последовательности функций. Использование динамических решателей позволяет использовать возможности повторных вычислений при исследовании системы |3|.
Для проведения экспериментальных исследований динамических процессов грузоподъемных кранов мостового типа и для оптимального подбора динамических характеристик, т.е. для проектирования динамической системы в нашей работе будет использовано приложение COSMOS Motion программы Solid Works.
COSMOS Motion — это усеченный вариант программы MSC. ADAMS. Это один из наиболее популярных продуктов, предназначенных для расчета кинематики и динамики. Программа анализирует сборку Solid Works, транслируя ее в условную модель механизма с учетом массово-инерционных харак теристик деталей. При этом инерционные параметры заимствуются из геометрии деталей Solid Works, а плотность (масса) можетбыть назначена независимо от геометрической оболочки. Далее, уже для математической модели сгроится система дифференциальных уравнений движения. которая затем решается посредством разностных (в настоящее время в программе имеется три тина решателя) схем. После этого программа преобразует численные результаты в вид, пригодный для отображения. На этом шаге система вновь взаимодействует с реальной геометрией. Отображение рас-
Гдооя» ь '■ V if»:*» Bh'X'B-irj >s ^ng^o+iiд-cnggaaw iLVL w " 4 " * I
Л.
lagi'fh'.;_i—
Рис. I. Разработанная твердотельная трехмерная модель концсиой балки мостового крана
■а
Рис. 2. Разработанная трехмерная модель мостового крана грузоподъемностью 20/5 т. пролетом 28.5 м
четной модели производится на фоне модели сборки Solid Works |11. Как имя всех программ численного анализа, рекомендуется расчленять проблему на элементарные составляющие, решать эти задачи, сравнивать с экспериментом или апробированным расчетом. настраивая при этом соответствующие параметры вычислительного процесса. И только убедившись в адекватности «тривиальных» моделей, рассчитывать объект с учетом всех эффектов.
Программа включает следующие возможности: — создавать расчетные модели на базе сборок Solid Works с чтением из нее геометрии, массово-
инерционных характеристикдеталей и взаимосвязей в сборке;
— создавать соединения различных типов с предопределенной границей;
— имитировать контактные соединения с возможностью входа и выхода из контакта с уче том контактной податливости и демпфирования;
— назначал,движения и двигатели различЕгыхгипов с использованием библиотеки функции MSC.ADAMS;
— осуществлять визуализацию кинематики механизма с одновременным отображением результатов в виде графиков, векторов, пиктограмм;
Рис. 3. Разработанная 3D модель мостового крана в среде приложения COSMOS Motion с результатами исследования
— записывать результаты в разнообразных графических форматах, а также импортировать результаты динамического расчета в COSMOS Works.
Подготовка машинного эксперимента включает ряд этапов:
1)создание трехмерных моделей деталей в Solid Works;
2) создание сборки мостового крана с определением взаимосвязей п сборке;
3) реализация визуализации кинематики мостового крана с отображением результатов динамического расчета
Программа Solid Works имеет несколько режимов работы.
11а этане подготовки эксперимента производится создание трехмерных моделей деталей, по геометрическим параметрам реальных деталей крана.
В режиме «деталь», которая представляет собой параметрическую элементно-ориентированную среду, строятся твердотельные модели деталей крана. При этом программа обладает возможностями анализа модели па различные напряжения, возникающие при эксплуатации проектируемой конструкции в реальных условиях. В режиме «детали» пакет Solid Works предусматривает работу со сварными конструкциями путем обозначения кромок и сварочных швов.
На втором этапе, в режиме «сборка», с помощью соответствующих инструментов выполняем объединение компонентов в сборку. После того как компоненты сборки (детали) размещены в докумен те сборки. необходимо собрать их. Сборка компонентов осуществляется при помощи сопряжений, ко торые ограничивают их степень свободы. Благодаря поддержке динамических свойств конструкции в программе Solid Works, получаем анимационную модель функционирующей сборки. При этом имитация движения механизма мосгового крана осуществляется с учетом воздействия электродвигателей, сил упругости, сил тяжести и т.д.
Для получения адекватной расчетной модели мос-I тового крана необходимо выпол! шть ряд условий. Для
визуализации движения крана по рельсам должно выполняться условие контакта между колесом и рельсом. Возможности программы позволяют задавать 3D контакт, а так же выбирать материал поверхности трения. Задается генератор движения, т.е. приложение нагрузки или задание движения. Для представленной модели задаем крутящий момент на два приводных колеса. Особенно актуальным для нашего исследования является то, что закон изменения крутящего момента может быть задан полюбому закону. Запуск расчета осуществляется нажатием кнопки Play simulation, расположенной на панели инструментов. На основе вышеизложенного приложение COSMOS Motion осуществляет расчет основных динамических характеристик при разгоне крана, а также дает наглядные результаты в виде графиков на фоне модели сборки Solid Works.
Результа том данного машинного эксперимента является исследование динамики мостового крана тяжелого режима работы с раздельным приводом механизма передвижения грузоподъемностью 20/5 г и пролетом 28.5 м.
При экспериментальном исследовании крана рассчитывались следующие динамические характеристики:
— скоростей и ускорений середин обеих концевых балок моста;
— путь, проходимый концевыми балками в период разгона;
— скоростей ускорений главных балок в середине пролета;
— скорост ь движения крана и груза;
— углы отклонения грузовых канатов от вертикали.
Библиографический список
1. АлямовскиЙ A.A. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Алямовский A.A.. Собачюш А А, Одинцов E.Ü. - СПб.: БВХ-Петербург. 2006. - 800 с.
2. Ахтулов A.A. Методология построения и практическое применение системы автоматизации проектирования транс-
портных машин / А.Л. Лхтулон. // Вестник Сибирской государственной автомобильнодорожной академии (СнбАДИ). - Омск : Издательский дом «ЛЕО». 2005. - Вып.З. - С. M-29.
3. Клиначев Н.В. Введение в технологию моделирования на основе направленных графов. - Челябинск. 2003. Website: htlp:/ www.vissim.nm.ru
•t. Полозов В.С Автоматизированное проектирование. Геометрические и графические змачн / B.C. Полозов. О.А Вуденов, С-И. Ротков. Л.В. Широкова - М. : Машиностроение, 1983. -280 с.
АХТУЛОВ Алексей Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой управле-
ния качеством и сертификации Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).
КИРАСИРОВ Олег Михайлович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии машиностроения и ремонта машин Омского государственного аграрного университета. КОМЕРЗАН Евгений Владиславович, аспирант кафедры управления качеством и сертификации СибАДИ.
Статья поступила в редакцию 10.09.08 г. © А. Л. Лхтулов, О. М. Кирасиров, Е. В. Комсрзан
Ь
УДК 621.87 Р. Ю. СУХАРЕВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ РАБОЧЕГО ОРГАНА ЦЕПНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА_
Предложена методика, состоящая из двух этапов: условной и безусловной оптимизации, которая базируется на функциональных зависимостях среднеквадратического отклонения вертикальной координаты дна траншеи от ширины зоны нечувствительности порогового элемента системы управления и подачи гидронасоса, полученных в результате решения задачи анализа математической модели рабочего процесса цепного траншейного экскаватора. Применение данной методики позволит повысить эффективность использования цепных траншейных экскаваторов при выполнении земляных работ.
Оптимизация параметров системы управления (СУ), т.е. нахождение оптимального решения, соответствующего критерию эффективности, произведено путем сопоставления различных вариантов СУ. Такое сопоставление стало возможным благодаря применению аппарата математического моделирования. Сравнение производилось в ходе теоретических исследований на ПЭВМ разработанной математической модели СУ, в результате было определено оптимальное решение, соответствующее принятому критерию эффективности.
Алгоритм оптимизационного синтеза параметров СУ в общем виде заключается в следующем:
1. Постановка задачи оптимизации:
— выбор целевых функций;
— задание ограничений.
2. Аппроксимация функциональных зависимостей, полученных при решении задачи анализа математической модели рабочего процесса цепного траншейного экскаватора (ЦТЭ), оснащенного СУ рабочим органом (РО):
— обоснование метода аппроксимации;
— определение уравнений регрессии.
3. Решение задачи условной оптимизации:
— обзор методов поиска решения в задачах условной оптимизации;
— алгоритм перехода к задаче безусловной оптимизации,
4. Решение задачи безусловной оптимизации:
— описание выбранного метода поиска решения в задачах безусловной оптимизации;
— получение рациональных значений анализируемых параметров как результата решения задачи безусловной оптимизации.
Постановка задачи оптимизации
Задачи нелинейной оптимизации, сточки зрения методов решения, делятся па два класса (11:
— задачи безусловной оптимизации;
— задачи условной оптимизации.
Задача безусловной oin-имизации представляет собой поиск оптимума целевой функции f(x) без всяких дополнительных условий 111:
f(x)—min(max). (1)
Такие задачи на практике встречаются крайне редко, но метод их решения служит основой для решения практических задач оптимизации.
Задача условной оптимизации в общем виде имеет вид |1):
F = ffxj—min;
(Jjx^b;
i = 1 ...m; j= 1..Л.
