CC BY
69
УДК 621.735.06; 621.97
ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОДХОД И ЕГО КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ В ЗАДАЧАХ АНАЛИЗА
ДИНАМИКИ МАШИН
© 2010 В В. Телегин
Липецкий государственный технический университет
Поступила в редакцию 15.11.2010
В статье рассматриваются вопросы применения методов компонентного моделирования и объектно-ориентированных технологий при автоматизированном построении динамических моделей механизмов и их программной реализации.
Ключевые слова: механизм, моделирование, объект, коэффициент демпфирования, функция положения
Методика расчёта динамических процессов, протекающих в механизмах и машинах, широко известна [1-3]. Её суть - подмена реального механизма системой сосредоточенных масс, соединённых безынерционными, упруго-диссипа-тивными и кинематическими связями. Однако широкого распространения на практике эта методика не получила. Основные причины этого следующие:
- низкая степень точности и большая трудоёмкость расчёта параметров модели, в первую очередь, упруго-инерционных характеристик;
- большая трудоёмкость работ, связанных с разработкой динамической и математической моделей механизма, и её программной реализации;
- невозможность оценки достоверности полученных результатов без проведения экспериментальных исследований уже готового механизма.
Система компьютерного моделирования динамических процессов в механизмах (dam) разработана с целью снижения трудоёмкости динамических исследований механизмов и повышение их достоверности. В её основе лежат методы твёрдотельного моделирования [3, 4], методы компонентного моделирования и объектно-ориентированных технологий [2-4]. Любой механизм можно рассматривать как совокупность некоторых элементов, соединённых между собой различного рода связями. Посредством этих связей элементы механизма взаимодействуют друг с другом, обеспечивая, таким образом, его функционирование. Термином элемент будем обозначать отдельно
Телегин Виктор Валериевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Инженерная графика». E-mail: vivt@lipetsk.ru
взятую деталь механизма, какой-то её фрагмент или, наоборот, сразу несколько деталей. Такое определение элемента соответствует понятию объект, - одному из базовых в теории компонентного моделирования сложных динамических систем и объектно-ориентированных технологий [2-4].
Рис. 1. Главный исполнительный механизм ХША АВ1818
Сопоставим каждый элемент какого-либо механизма, например, главного исполнительного (высадочного) механизма холодноштам-повочного автомата (ХША) АВ1818 (рис. 1), с объектом, согласно данному выше определению. Любые процессы в таком объекте могут моделироваться каким угодно образом и, в соответствии с принципами инкапсуляции и полиморфизма объектно-ориентированных технологий, на данном этапе их природа и описание - математическое, программное или физическое не рассматривается. Такой подход представляет интерес как при решении задач, связанных с разработкой динамических и математических моделей механизмов [3, 4], так и, что особенно существенно, их программных
реализацией при дальнейшей компьютерной обработке [3]. Представим реальный механизм в виде соединённых между собой передаточными функциями объектов. В качестве таких объектов могут выступать, как отдельные звенья, так и совокупности звеньев, образующих простейшие механизмы. С каждым объектом свяжем пять наборов характеристик (рис. 2а):
1. Свойства, в том числе массы, моменты инерции, жесткости, коэффициенты диссипации,
Входном параметр:
ф,: или X!-! ^
Отклик:
<>-( Н,+К Ь.) V,'
Выходной параметр:
ч>. или ,У1 ^
Возмущение: И.,=(Я,,+Я Ь,-
параметры передаточных функций и другие, определяющие объект как замкнутую систему.
2. Отклики на возмущения со стороны других объектов.
3. Силовые возмущения со стороны других объектов.
4. Входные параметры, среди которых могут быть кинематические и силовые.
5. Выходные параметры (кинематические, силовые и значения критериев оценки различного рода процессов, протекающих в объекте).
Динамическая модель объема "Крив0щнпн0-п0л3>»1ньй механизм"
П,|
Шатун Ползун !
IV/ IV: И7.; IV, №5
111 О С: Сз т С* С.<
¿)j х,< })3 х2 ь? Хз Ь-> Ь>
1 ^иг^^иничв*^«,, Фун-^го^тч» 1 ймццццрщт
17373Э8Э003 10.173» 1в"" 1 -игг |пг И »1-
с1р- ЗЬ?37ВВ377 |о»«7 И'*!
с2 • 1ШЖ7Ш |вИ23№ '1> '" | яг?. II ltt.ll 04
с1 ' 1НЗДО«ЗЗг 1013535 1®'" | 13 0 1
ЖАспкостм м ряпаии и «—р— О
Ползун -Дфюс
с1с 2236709671 |Ш367 1Р ■1- т 1 озво •1- 0 4
е»р- Э765ШВ? |йЗКИ Ю4®
с2 - 2377В95Б2 | 0 23773 Ю*® тг- л« | 0 200 »г- 1.1
Пяшпмн-и □ (И г» И* стч ш*
| Поной* I Т«1 Лв-ию 1 ИГЫ «аАд I
Описание оемг.га пжжпш»«Л1)11
чип Ш*» 1(И
Цеяадтиоеть структуры данных..
Геометрия »веньев мех«нн»ыв ...
Опрмиигищмтр« крцтщм« раечид: К - »Ж О:
I А: ГИБ В ¡ГШ С: 0 101 Менриап - сюп» *срие_ _
| © 1Ди*нмАр ПриЯнл Рммгиь
щ ■ .0.
Динамически* и стггически»
Втаджн »имо (КрнМвмА) I V ОлИНОЧ!-
(Г
I ач - 1-м - г-а*^ Попэуи - Ьо» ?-а<
Г! Усгойимеосгь оеъияга :
□ Кин*па1икп и нл> р^лкн
р р;киои»иш») от ягта прврррю крмчм...
□
б
а
в г
Рис. 2. Объект кривошипно-ползунный механизм: а - параметры и свойства объекта, б - динамическая модель, в - окно ввода данных упруго-инерционных характеристик, г - окно тестирования объекта
Свойства и отклики (пункты 1 и 2), - это величины, целиком зависящие от объекта, причём первые постоянные не зависят от внешних условий, вторые - зависимые от той среды, в которую помещен объект. Силовые возмущения и входные параметры (пункты 3 и 4) - окружающая объект среда. Выходные параметры (пункт 5) - это набор результирующих данных, позволяющих оценить процессы, протекающие в объекте после размещения его в конкретной среде. Следует особо отметить, что набор объектов, представляющих механизм (объектное представление) и сам механизм
полностью адекватны друг другу. Подмена реальности моделью осуществляется только на уровне объекта, т. е. точность результатов динамических исследований определяется в решающей степени «доброкачественностью» тех объектов, которые в этих исследованиях используются. Объект и модель объекта, как следует из выше изложенного, понятия различные, однако при изложении дальнейшего материала термином объект будем обозначать его модель.
Объект, моделирующий механическую систему, которая приводится в движение через
одно единственное входное звено и имеющее только одно выходное звено, изображён на рис. 2а. В данном конкретном случае это кри-вошипно-ползунный механизм, состоящий из двух звеньев: шатуна и ползуна (без кривошипа). Его динамическая модель (рис. 2б) представляет собой системы сосредоточенных масс (шатун - от 1-ой до 3-х и ползун - от 1-ой до 2-х), соединённых безынерционными упруго-диссипативными связями. В соединениях шатун-кривошип и кривошип-ползун возможен зазор.
Входными параметрами объекта являются функция перемещения (углового или линейного) предшествующего ему объекта (<р1-г) и внешние нагрузки W на этот объект (например,
Решение задач, связанных с построением объектно-ориентированных моделей, расчётом её параметров и проведением динамических исследований, автоматизировано. Комплекс программ, объединённый в единую систему (dam - динамический анализ механизмов), включает ряд модулей. Основные из которых следующие:
1. Создание и открытие проекта. Проект -это определённым образом организованный набор различного типа файлов, в которых хранится информация об объектах, связях между ними и их параметрах, а также описание исследуемого механизма.
2. Построение объектно-ориентированного представления механизма. На рисунке 3 а показана основное окно этого модуля, в котором из уже готовых объектов осуществляется сборка объектного представления механизма или его редактирование. Для отображения объектной модели (рис. 3б) и информации обо все составляющих её объектах достаточно щёлкнуть по кнопке <Объектная модель>. Из
силы и моменты сил трения, конструкционные и технологические). Выходной параметр, соответственно функция перемещения выходного звена. Свойства - набор констант, определяющих количественные характеристики модели, соответствующей данному объекту. Среди них параметры функций положения и передаточных функций (для входного звена это V и V/), упруго-инерционные и диссипативные характеристики. Отклик, по существу выходной параметр, это воздействие сил упругости Я и диссипации Яы в первом фрагменте входного звена на объект предшествующий. Возмущение - это отклик со стороны следующего объекта (или следующих, если их несколько) на воздействие объекта данного.
окна «Объектная модель механизма» можно загрузить модуль ввода, редактирования и тестирования параметров выбранного объекта.
3. Модули ввода, редактирования и тестирования параметров объекта. Характерными особенностями данных модулей (их количество равно числу объектов) являются:
- Определение числа масс (сложности) модели и массы выходной. Уже на стадии определения параметров объекта могут быть определены его динамические характеристики, как в зависимости от сложности модели, так и при различных значениях её упруго-инерционных параметров в области их допустимых значений. По существу такая процедура позволяет заменить натурный эксперимент численным и, таким образом, «экспериментально» проверять каждый из объектов объектного представления механизма на «доброкачественность» [3], что в известной степени позволяет снять вопрос о достоверности результатов динамических исследований, выполняемых с помощью системы dam.
J^J-J
Номер объакгл Базовые объекты и механизмы:
Кодобмма: Олисани* otfvoma
I —-
I <—
| »"ЦкОж | | t-Ц.ПЛ |
А
ш
1_1 * *
и'. и*,- W/
^ОЕЮЕЮ- „
ь, й- ь, J&J " | л
чиНЭОН
6. х* ь,
«ПОЛНЫЙ MCWrtOM
Mri^-rpfwecCTMautbjniip-aywteccteflilHecQ - ■
Ml Hi*. HJXF.M. . o/Yi« над« lb ОТС/ПЛ&УЕТ
twi Ш!
П.. !!_„ 11„„,
I г
г
t»„ П..Ш, п.
□ООО
tw„
Г
□ с
Рис. 3. Конструктор объектного представления механизма (а) и его объектная модель (б)
б
а
- Ввод упруго-инерционных и диссипатив-ных параметров модели. Значения этих параметров могут быть определены с достаточной точностью при минимальной трудоёмкости, если проектирование механизма осуществляется в одной из систем твёрдотельного моделирования.
- Наличие библиотеки типовых функций положения, позволяющей в различных вариантах реализовать следующую схему идеального перемещения входного звена объекта: подъём (прямой ход) - верхний выстой - опускание (обратный ход) - нижний выстой.
- Ввод данных о зазорах и погрешностях изготовления.
- Широкие возможности для определения функций внешних нагрузок для каждой из
Следует отметить широкие возможности, связанные с управлением данными объекта. Основные из них следующие: - Управление производительностью механизма.
масс динамической модели объекта и их разделение на три группы: силы трения, конструкционные и технологические нагрузки.
- Сохранение различных вариантов данных отдельно по упруго-инерционным характеристикам, функциям положения, зазорам, погрешностям изготовления и внешним нагрузкам для каждого объекта.
- Возможность выполнения тестирования введённых данных (рис. 2г).
4. Динамический анализ механизма (рис. 4). Данное приложение совокупность динамических моделей, соответствующих объектному представлению механизма, преобразует в математическую модель - системы дифференциальных уравнений, выполняет их решение и вывод результатов.
- Возможность исключения из расчётной модели (и изменения в определённых пределах) в процессе выполнения вычислений различных видов нагрузок, диссипативных сил, зазоров в кинематических парах и погрешности изготовления высших пар (дорожек кулачков).
Рис. 4. Окно приложения «Динамический анализ механизма» в режиме расчёт динамики механизма. Результаты расчёта динамической (1) и статической (2) нагрузок на 1-ой массе ползуна
- Широкий спектр выходной графической информации. Управление её представлением и сохранением.
- Определение надёжности и работоспособности механизма (или отдельного его объекта) по
Динамический анализ механизма - это не только расчёт его кинематических параметров, нагрузок и обобщённых критериев качества, но и задачи, связанные с прогнозированием динамических характеристик в зависимости от изменения внешних и внутренних воздействий и условий [3, 4]. Реализация подобных задач (рис. 5) возможна в том же окне («Динамический анализ механизма») с помощью кнопки-переключателя: <Определить схему динамического анализа>. Система динамического анализа механизма предлагает пользователю определить один из 18-ти видов исследования. Каждое из которых, автоматизация построения зависимостей вида критерий (ось ординат) - 1-ый изменяемый параметр (ось абсцисс) - 2-ой
пятнадцати критериям и ряду графических зависимостей (Рис. 4).
- Возможность сохранения результатов с целью их дальнейшего сопоставления при выборе наиболее рационального конструктивного решения на этапе проектирования механизма.
изменяемый параметр. После вычислений можно определить любой из десяти критериев качества и построить соответствующие зависимости. На рис. 5 представлены результаты подобных исследований, выполненных по схеме критерий (ускорение ползуна) - скорость вращения входного звена (шкив электродвигателя) - зазор в кинематической паре шатун-ползун.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Вульфсон, И.И. Колебания машин с механизмами циклового действия. - Л.: Машиностроение, 1990. 592 с.
2. Rumbaugh, J. Object-Oriented Modeling and Design / J. Rumbaugh et al. - Prentice Hall, 1991. 500 p.
Рис. 5. Комплексный анализ динамики: максимальное ускорение ползуна главного исполнительного механизма в зависимости от скорости работы автомата при зазоре в соединении шатун-ползун: 1 - 0 мкм, 2 - 50 мкм, 3 - 100 мкм, 4 - 150 мкм, 5 - 200 мкм
3. Телегин, В. В. Динамика механизмов многопозиционных холодноштамповочных автоматов: монография / В.В. Телегин. - Липецк: ЛГТУ, 2006. 204 с.
4. Телегин, В.В. Анализ динамики быстроходных машин-автоматов прессового производства на ос-
нове их твёрдотельных моделей // Известия Тул-ГУ. Серия. Механика деформируемого твёрдого тела и обработка металлов давлением. - Тула: ТулГУ, 2004. Вып. 1. С. 197-206.
THE OBJECT-ORIENTED APPROACH AND ITS COMPUTER IMPLEMENTATION IN PROBLEMS OF THE MACHINES DYNAMIC ANALYSIS
© 2010 V.V. Telegin Lipetsk State Technical University
In paper questions of application the methods of componental modelling and object-oriented technologies at the automated construction of mechanisms dynamic models and their programm implementation are observed .
Key words: mechanism, modelling, object, damping coefficient, position function
Viktor Telegin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Engineering Drawing Department. E-mail: vivt@lipetsk.ru
