CC BY
22
-□ □-
Запропонована конструктивно-технологiч-на модель кесонног конструкци iз полiмерних композицшних матерiалiв в модульному скла-дальному пристосувант. Така модель описуе ефективну технологю складання конструкци, а також дозволяе виконувати аналiз конструкци по вых необхдних перерiзах та складових части-нах, без руйнування загальног структури моделi. Використання таког моделi можливе в ттегро-ваних автоматизованих виробничих системах
Ключовi слова: конструктивно-технологiч-на модель, композицшна конструкция, модульне
складальне пристосування, системний аналiз □-□
Предложена конструктивно-технологическая модель кессонной конструкции из полимерных композиционных материалов в модульном сборочном приспособлении. Такая модель описывает эффективную технологию сборки конструкции, а также позволяет выполнять анализ конструкции по всем необходимым сечениям и составным частям, без разрушения общей структуры модели. Использование такой модели возможно в интегрированных автоматизированных производственных системах
Ключевые слова: конструктивно-технологическая модель, композиционная конструкция, модульное сборочное приспособление, системный анализ
-□ □-
УДК 621.757
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.47348|
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГ1ЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ КОМПОЗИЦ1ЙНИХ КОНСТРУКЦ1Й З ВИКОРИСТАННЯМ СИСТЕМНОГО АНАЛ1ЗУ
В. А. П ас i ч н и к
Доктор техшчних наук, професор, завщувач кафедри E-mail: [email protected] О. О. Хмуренко
Астрант* E-mail: [email protected] *Кафедра штегрованих технолопй машинобудування Механiко-машинобудiвний шститут Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни «Кшвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056
1. Вступ
На сьогодшшнш день полiмернi композицшш мате-рiали (ПКМ) е одними iз найперспективнiших у маши-нобудiвнiй галузi. Окрiм ш^вняно високих параметрiв мiцностi, ПКМ характеризуются вiдносно малою пито-мою вагою, яка досягаеться полiмеризованими зв'язую-чими матерiалами та наповнювачами. Така складна, аш-зотропна структура мае ряд недолМв, якi викликають необхiднiсть виршення додаткових задач, якi усклад-нюють процедури моделювання таких конструкцiй iз зазначеними властивостями, а також, моделювання тех-нологiчних процесiв (ТП) виготовлення та складання.
Для виршення вищезазначено! задачi актуальним залишаеться питання формування щлкно1 системи мо-делi конструкци, що залежить вiд ряду технолопчних параметрiв. Це повинно виконуватись тсля визначення методики формування специфiчних вимог, при моделю-ваннi складових частин (СЧ) та конструкцш iз ПКМ, яка дае змогу врахувати неоднорвдшсть структури матерiалу та конструкцii в щлому [1].
2. Аналiз лггературних даних та постановка проблеми
Системний тдхвд аналiзу та моделювання на сьо-годнi е простим i ефективним шструментом для форма-лiзащi складних o6'eKTÍB складання та представлення ix конструктивно-технологiчних параметрiв у виглядi
©
систем об'ектiв i зв'язюв мiж ними. Такий пiдхiд запро-поновано не тiльки при конструктивно-технолопчному моделюваннi конструкцiй, а й для об'екпв складання, якi розглядаються в розрiзi питання забезпечення точностi геометричних параметрiв, з використанням розмiрного аналiзу (РА) та розмiрних ланцюгiв (РЛ).
В робоп [2] розглянутi питання розширення обласп застосування РА, шляхом представлення його зв'язюв iз життевим циклом виробу.
При цьому, мають мiсце ускладнення при:
-розробщ геометричних та структурних моделей об'екпв;
- автоматизацii побудованих розмiрних схем, при-значеннi технолопчних розмiрних структур, допускiв, припускiв та iх оптимiзацii;
- синтезi розроблених методик РА та сучасних систем автоматизованого проектування (САПР);
- розробщ технологи РА.
Крiм того, значним комплексом не виршених задач е забезпечення ращонального використання шформацп, яка отримуеться в результат РА при розрахунку точнос-п складальних об'ектiв.
Також розглядаеться питання синтезу комплексу методiв рiшень задач шженерного аналiзу, при техно-лопчному проектуваннi в рамках САПР та САЕ-систем на основi РА ТП та конструкцш. Розроблеш в даний час машинобудiвнi САЕ-системи включають програми для виршення наступних завдань: моделювання полiв фiзичних величин, в тому чи^ аналiз мiцностi, який
наичаст1ше виконуеться 1з застосуванням методу юнце-вих елеменйв (МКЕ); розрахунок сташв модельованих об'екпв та перехвдних процеав в них засобами макро-р1вня; 1мггацшне моделювання складних виробничих систем на основ1 моделеИ масового обслуговування, на-приклад, мереж Петр1 [3]. Основш складов1 частини САЕ-систем моделювання 1з застосуванням МКЕ - це бь блютеки юнцевих елеменйв, вихвдш дат, препроцесор, розрахункова частина, постпроцесор, який представляе результати в граф1чному вигляд! Як приклад об'еднан-ня деюлькох моделеИ в рамках едино! системи може бути запропонована САЕ-система шженерного анал1зу, моделювання та оптим1заци проектних ршень, пов'я-зана з виршенням завдань в рамках питань технологи машинобудування 1 базуеться на комплекс! моделеИ 1 програм розм1рного анал1зу конструкцш 1 технолопчних процеав.
В робоп [4] представлена методика побудови РЛ при анал1з1 точносп виробу, використовуючи системниИ тдхвд та теорш граф1в. Представлення виробу у вигляд1 графа модул1в поверхонь деталеИ з вказаними модулями зв'язюв значним чином спрощуе процедури виявлення та побудови РЛ для пор1вняно не складних конструкцш. Для об'екпв складання 1з великою юльюстю СЧ та тд-складань, вищевказана процедура И дос1 залишаеться складною та трудом1сткою.
Розглядаючи питання автоматизованого техноло-пчного моделювання об'екйв складання, з викорис-танням системного тдходу [5-8], необхвдно розробити алгоритми технолопчного псдолу вироб1в на СЧ та алгоритми формування порядку 1х з'ед-нання, що дозволить формал1зувати процедури синтезу технологи складання та створити методичш основи автоматизацп розгляну-тих процеав. Також необхвдно сформувати структури технолопчних операцш, шляхом упорядкування множин переход1в. ДаниИ тдхвд передбачае отримання первинних ва-р1ант1в ТП складання об'екпв, з необхщшстю подальшого доопрацювання.
Детально зв'язки м1ж об'ектами системи розглянуто в робой [9], та запропоновано 1х представлення за допомогою гшерграф1в. Та-киИ тдхвд дозволяе з достатньою точшстю описати характер та параметри зв'язюв м1ж об'ектами модел1 складних вироб1в, проте е складним та трудом1стким для розрахунюв параметр1в точносп системи в щлому.
В робой [10] запропоновано використання систем бшарних ввдношень обмежень рухливост об'ек-т1в складання. Така методолопя математичного опису взаемоди елеменпв СЧ показала необхвдшсть визначен-ня ввдношень для кожно1 пари деталеИ, щодо умов почат-кового положення, можливого перемщення з фжсащею умови забезпечення щл1сност1
В роботах [11, 12] розглянуто питання синтезу та тдвищення ефективност розробки технологш меха-носкладального виробництва шляхом вияву 1 формаль заци, на основ1 семантичного тдходу, шформацшних зв'язюв м1ж даними про СЧ та заготовки, представлен у вигляд1 геометричних моделеИ та таблиць кодування. Для скорочення часу та тдвищення ефективносп проек-тування технолопчних процеав повинна мати мкце па-ралельшсть 1з процесами технолопчного моделювання.
3. Мета та задачi дослщження
Таким чином, поряд 1з достатньо ефективними методиками системного анал1зу для складаних конструкцш вироб1в, залишаються актуальними питання детал1заци систем, в частиш опису об'екпв та зв'язюв, в конструк-тивно-технолопчних моделях конструкцш (кесонних) яю складаються в б1льшш м1р1 з СЧ 1з ПКМ.
Метою дано1 роботи е розробка ефективно1, детал1зо-вано1 конструктивно-технолопчно'! модел1 конструкцй, що складаеться з СЧ 1з ПКМ.
Для досягнення вищезазначено! мети необхвдно вирЬ шити наступш задачк
- проанал1зувати складальну конструкцш в щлому та по окремим СЧ у ввдповвдних перер1зах;
- побудови систему, в якш СЧ конструкцй виступа-тимуть в якост елеменйв;
- проанал1зувати ефектившсть модел1 та при необ-х1дност1, розробити заходи по и тдвищенню.
4. Моделювання кесонно! конструкцй iз композицiйних матерiалiв
Для анал1зу та подальшого конструктивно-техно-лопчного моделювання, з урахуванням результайв роботи [1], приИнята кесонна конструкщя (КК) агрегату лйака 1з ПКМ, та окремими СЧ 1з металевих ма-тер1ал1в (ММ) (рис. 1).
Рис. 1. Приклад кесонноТ конструкцй iз композицiйних та металевих
матерiалiв
З точки зору системного тдходу [6, 7], якщо через А={а1...ап} позначити множину деталеИ СЧ конструкцй, то тдмножина декартового добутку ЯсАхА= =((а^)^еАа|еА) м1ститиме ус1 можлив1 послвдовносп утворення з'еднань м1ж СЧ КК. При цьому, розглядаючи КК 1з ПКМ по вертикальному перер1зу (рис. 1), 11 систему можна представити за допомогою об'екпв другого р1вня декомпозицп - окремих СЧ конструкцй: верхня панель -ВП, яка складаеться з пВП моношар1в - мш; нервюра кесону - НК, яка складаеться 1з стшки - а!, верхнього поясу - а2 та нижнього поясу - а3; нижня панель - НП, яка складаеться з пНП моношар1в; компенсатори - КМП в юлькосп пВП-НК м1ж (ВП-НК) та пНК-НП м1ж (НК-НП). Зовн1шн1 зв'язки м1ж цими об'ектами - зазори - З м1ж (ВП-НК) та (НК-НП), яю виступають «ф1ктивними» об'ектами (рис. 2).
Особлив1сть запропоновано! модел1 полягае в тому, що елементи типу компенсатор, як правило, входять у другиИ р1вень декомпозицГ! КК, проте, м1ра застосуван-
ня таких елеменпв буде залежати ввд мiри «фжтивностЬ» об'ектiв типу зазор. Такий тдхвд дозволить врахувати фактичш параметри кожноi КК, що складаеться та т-дiбрати мiнiмально витратш елементи для компенсацii сумарних похибок при складанш.
Також в запропонованш моделi, при необхiдностi, можливо представити СЧ iз ПКМ (панелi) у виглядi ок-ремих пiдсистем, об'ектами третього рiвня декомпозицii в яких будуть виступати моношари матерiалу - МШ, в кiлькостi п, а внутршшми зв'язками, - зв'язуючий матез рiал мiж ними - ЗВ (рис. 3).
Рис. 2. Формалiзована модель конструкци i3 композицiйних матерiалiв по вертикальному nepepi3y: S — елемент конструкци, нижнш iндекс якого е його позначенням, а верхнш iндекс вказуе на складову частину, до складу яко'| входить даний елемент; приставка F або f свщчить про «фктивнють» об'екту
З рис. 2-4 видно, що мехашчш (болтов^ заклепковi та iншi) з'еднання мiж деталями конструкцiï не входять до системи конструкци в щлому. Це пояснюеться тим, що кожний кршильний елемент (КЕ) е незалежним об'ектом загальноï системи та ^м того, може впливати на величину зазорiв мiж деталями (тшьки мiсцево).
Традицiйно прийнято визначати сггку розмiщення КЕ з урахуванням умов мщносп вузла, проте в дея-ких випадках координати КЕ можуть визначатися за результатами вимiрiв максимальних зазорiв мiж деталями, а сам КЕ виступатиме коригуючим фактором забезпечення hkoctî складання (рис. 5).
Таким чином, питання розмщення КЕ в конструкци потребуе урахування не тшьки мщшсних характеристик, а й мiнiмiзацiï мкцевих зазорiв мiж деталями. При цьому, граничш значення крокiв роз-ташування КЕ (мiнiмальний та максимальний) будуть визначатися iз умов мщносп, в залежностi вiд навантаження на вузол та дiаметрiв КЕ.
Для реалiзацiï вищевказаного необхiдне використання вщповщного спецiалiзованого автоматизова-ного обладнання з ЧПК та СП модульноï конструкци, за алгоритмом, зображеним на рис. 6.
Додатковi операцп (п. 5.1-5.3) не значним чином тдвищать витрати часу, проте забезпечать меншi величини зазорiв мiж сполучених поверхонь СЧ та в деяких випадках, меншу кiлькiсть КЕ, а як наслщок, меншу масу конструкци в щлому.
Одним iз варiантiв вирiшення проблеми недощль-носп використання «класичних» СП для КК iз ПКМ, як вже зазначалося вище, е використання модульних, не жорстких базових елеменпв СП, якi матимуть регульоваш частини для фiксацiï фактичного поло-ження СЧ iз ПКМ (в межах допустимих значень вщ-хилень) (рис. 7).
На сучасних авiабудiвних тдприемствах успiшно апробована технологiя складання АК iз викорис-танням таких установочних модулiв для панелей iз ПКМ, якi складаються iз фермових каркаав та ва-куумних пневматичних систем.
> piBHi декоыпозиш КК
Рис. 3. Фрагмент формалiзованоï моделi конструкци — верхня панель i3 композицiйних матерiалiв по вертикальному перерiзу
Розглядаючи технологiчну складову, а саме вплив на параметри конструкци як системи, наявшсть еле-менпв складальних пристроïв (СП) (рис. 4), в якш, окрiм об'екпв СЧ конструкци, представленi СЧ СП: тВ та тН базових елеменпв - БЕВ та БЕН для верхныл та нижньоï панелi ввдповвдно; безпосередньо СП; фжса-тори - ФКС в юлькосп тфВ та тфН для БЕВ та БЕН ввдповщно, можна зробити висновок, про недощльшсть використання «класичних» конструкцiй СП для КК iз ПКМ. Особливо звернувши увагу на властивостi висо-коï жорсткостi та недеформованостi, як БЕ СП, так i СЧ iз ПКМ, якi унеможливлюють компенсащю мiсцевих зазорiв, що виникають ввд сумарних похибок поверхонь елементiв що ув'язуються.
Рис. 4. Комбiнована формалiзована модель конструкцiï i3 композицiйних матерiалiв в складальному пристроï по вертикальному перерiзу
Рис. 5. Можливе розташування кртильних елеменлв в зонах iз максимальним фактичним зазорам: ТК — теоретичний контур; ФК — фактичний контур; а(1—3) — оа з умов мщносп; Ь(1 —3) — оа з умов компенсaцiТ максимальних фактичних
зазорiв; t — крок мiж крiпильними елементами
1. Базування СЧ п ПКМ в СП модульно! конструкци (б1дносно 0аз0Е01 плошини агрегату)
ВП |
I нп
2. Установка модального СП в сташонарне СП остаточного складання агрегату.
Установ. модуль ВП ^
4| Установ, модуль НП
3. Ув'язка СЧ 13 ПКМ з В1ДП0В1Дними СЧ каркасу
ВП I НК I НП
4. Контроль зазорш шж ув'язуваними СЧ (безконтактними ЗТО — ЛЦВУ) по заданш стн координат.
ВП | НК + НП
5. Робота 13 результатами вим1р1в
5.1 Передача та анал13 даних результата вимфш в спещал130ваном\' ПЗ
5.2 Корегування початково1 С1тки КЕ (по КД) в спещал1зованом\- ПЗ
5.3 Передача скорегованих даних на ПЗ свердлильного чн свердлильно-клепального обладнання з ЧПК.
ВП | НК I НП
6. Виконання отЕор1Е чи зЧднань на обладнант з ЧПК.
Рис. 6. Алгоритм забезпечення атки розташування кртильних елеменлв, з урахуванням вимiрiв мюцевих зазорiв мiж складовими частинами що ув'язуються
Рис. 7. Складальний пристрш модульноТ конструкцiТ для
кесонних конструкцш iз композицiйних матерiалiв: а — остаточного складання; б — установочний модуль; В — вакуумн пневматичн системи фксацп
5. Модель кесонно! конструкци iз композицiйних матерiалiв
Для вищезазначених модульних СП комбшована формал1зована модель КК 1з ПКМ в СП по вертикальному перер1зу (рис. 4) перетворюеться наступним чином (рис. 8).
При цьому:
- на першому р1вш декомпозицп: КК в СП;
- на другому р1вш декомпозицп: ВП в СП, НК в СП та НП в СП, при чому, тут тд СП розум1ються окрем1 модул1 СПВП, СПНК та СПНП ввдповвдно, в яких тдскла-даються вищевказаш СЧ, тсля чого складаються разом (базуються та ув'язуються не СЧ КК, а СЧ СП);
- на третьому р1вш декомпозицп окремо розглядають-ся процеси складання СЧ (базування, ув'язка та компенса-щя зазор1в м1ж СЧ КК та СП, використовуючи фжсатори).
Вищевказана модель е ушверсальною та незалежно структурованою. Це дае змогу змшювати юльюсть та системне наповнення кожного з об'екйв, без руИнуван-ня фшально'! структури. Стае можливим проанал1зу-вати КК 1з ПКМ по вам необхщним перер1зам, а також 1з врахуванням вих необхщних СЧ (в т. ч. лонжерошв, фйинпв, стшок, кронштеИшв, тощо).
З урахуванням вищевказаного, запропонована модель дае можлив1сть розробити одразу формал1зовану структуру технолопчного процесу (ТП) складання КК 1з ПКМ в модульному СП (рис. 9).
• piBHi декомпошцп КК в СП
Рис. 8. Комбiнована формалiзована модель конструкци i3 композицiйних матерiалiв в модульному складальному
пристро! по вертикальному перер1зу
Рис. 9. Формалiзована структура технологи складання конструкци i3 композицшних матерiалiв в модульному складальному пристро!, де Qn={qi...qi} — множина фксованих станiв окремих складових частин i конструкцiï в цiлому
лельно або паралельно-послвдовно, що в свою чергу скорочуе загаль-ний цикл виробництва КК. Така модель ТП дозволяе вносити змши в перелiк СЧ КК не руйнуючи за-гальну структуру, а також без втрат параметрiв якост складання КК iз ПКМ.
Вищезазначена модель зможе дати змогу розробляти, аналiзувати та корегувати конструктивно-тех-нологiчнi данi стосовно об'екта складання в автоматичному ре-жим^ iз застосуванням САПР та САЕ-систем, що знижуе трудомшт-кiсть, а як наслщок собiвартiсть конструктивно-технологiчних про-ектувальних робiт.
7. Висновки
6. Обговорення результаив конструктивно-технологiчного моделювання кесонних конструкцш i3 композицiйних матерiалiв
В запропонованiй конструктивно-технологiчнiй моделi технолопчш операцiï складання КК iз ПКМ на кожному рiвнi декомпозицiï виконуються пара-
На сьогоднiшнiй день, поряд з ефективними методами системного аналiзу при моделюваннi складаних конструкцш та технологш '¿х складання, все ж залишаються актуаль-ними питання деталiзацiï опису об'ектiв та зв'язюв в системах - конструкцш iз ПКМ, з урахуванням вщпо-вщних специфiчних вимог. Аналiз сучасних конструкцш iз ПКМ вказуе на недощльшсть використання «класичних» СП ^з жорсткими БЕ - рубильниками та
ложементами), а як наслщок, - така технологи скла-дання не е ефективною.
Запропонована комбшована формалiзована модель КК iз ПКМ в модульному СП, яка описуе технолопю складання вищевказано! конструкци та дозволяе ана-лiзувати конструкцiю по вах необхiдних перерiзах та СЧ без руйнування загально! структури моделi. Суть ще! моделi полягае в представлен КК iз ПКМ у ви-
глядi системи, або комплексi систем, в яких об'ектами виступають СЧ КК i СП, а зв'язками мiж ними е вщпо-вщш теоретичнi та фактичнi зазори, як також можна представити фiктивними об'ектами.
Попереднш аналiз запропоновано! моделi показав ïï ефективнiсть та унiверсальнiсть. Використання мо-делi можливе у штегрованих автоматизованих вироб-ничих системах.
Лiтература
1. Паачник, В. А. Методика формування специфiчних вимог при моделюваннi кесонних конструкцш ¡з полiмерних композие цiйних матер1ашв [Текст] / В. А. Паачник, О. О. Хмуренко // Вюник НТУУ «КП1». Серiя «Машинобудування». - 2015. -№ 74. - С. 64-66.
2. Масягин, В. Б. Расширение областей теоретического и практического применения размерного анализа в машиностроо ении [Электронный ресурс]: мат. конф. SWorld, 17-26 December 2013 / В. Б. Масягин // Perspective innovations in science, education, production and transport '2013. Технические науки - Машиноведение и машиностроение. - 2013. -Режим доступа: \www/URL: http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/technical-sciences-413/machines-and-mechanical-engineering-413/20796-413-0636
3. Масягин, В. Б. Применение сетей Петри при моделировании схемы сборки [Текст] / В. Б. Масягин, В. Г. Мартынов // Материалы VII Международной научно-технической конференции. Секция № 5. Технологии механической и физико-технической обработки. - 2012. - С. 323-327.
4. Примак, Д. Д. Методика построения размерных цепей с помощью графа модулей поверхностей [Текст] / Д. Д. Примак, И. А. Волков // Научный журнал «Вестник магистратуры». - 2014. - № 6 (33), Т. I. - С. 81-83.
5. Вислоух, С. П. Методика автоматизованого проектування технологи складання виробiв приладобудування [Текст] / С. П. Вислоух, М. В. Фшшпова // Вюник НТУУ «КП1». Сер1я «Машинобудування». - 2006. - № 32. - С. 111-117.
6. Кореньков, В. М. Метод структурного синтезу та оцшки альтернатив при автоматизованому синтезi технолопчних процеав складання виробiв [Текст] / В. М. Кореньков, А. А. Субш // Вюник ЖДТУ. Серiя «Техшчш науки». - 2008. - № 4 (47). -С. 155-160.
7. Кореньков, В. М. Модель автоматизованого синтезу маршрутного технолопчного процесу складання вироб1в [Текст] /
B. М. Кореньков // Вюник технолопчного ушверситету Подшля. - 2003. - № 4, Ч. 2. - С. 228-235.
8. Соломенцев, Ю. М. О проблемах автоматизации этапов жизненного цикла изделия [Текст] / Ю. М. Соломенцев,
C. Е. Чекменев, Е. Б. Фролов, В. В. Крюков // Вестник МГТУ "Станкин". - 2010. - № 4 (12). - С. 122-125.
9. Божко, А. Н. Моделирование механических связей изделия [Электронный ресурс] / А. Н. Божко // Электронное нан учно-техническое издание «Наука и образование». - 2011. - Режим доступа: \www/URL: http://technomag.bmstu.ru/ doc/182518.html
10. Паачник, В. А. Бшарш вщношення обмежень рухливосп - основа математичного опису складальних виробiв [Текст] / В. А. Паачник // Сучасш технологи механо-складального виробництва. - 2014. - № 1. - С. 57-61.
11. Гонсалес-Сабатер, А. Система автоматизированного проектирования технологии инструментального производства [Текст] / А. Гонсалес-Сабатер // Машиностроитель. - 1999. - № 4. - С. 54-59.
12. Масягин, В. Б. Семантический подход к автоматизации кодирования конструкторско-технологической информации [Текст]: матер. науч.-техн. конф. / В. Б. Масягин, Н. В. Волгина // Омский регион - месторождение возможностей. - Омск: ОмГТУ, 2011. - С. 63-65.
