CC BY
39
УДК 630.377
Хвойные бореальной зоны. 2020. Т. XXXVIII, № 1-2. С. 60-65
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРОВ ЛЕСНЫХ МАШИН МЕТОДАМИ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
С. Н. Долматов, П. Г. Колесников
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: pipinaskus@mail.ru
Гидроманипуляторы лесозаготовительных машин получили широкое распространение и используются в разнообразных конструкциях валочных, трелевочных и погрузочных машин. При проектировании гидроманипуляторов лесозаготовительных машин важно обеспечить высокую прочность, эксплуатационную надежность при воздействии широкого диапазона нагрузок, высоких и низких температур окружающей среды. При этом требуется получить конструкцию с минимально возможной массой, но достаточным запасом прочности. Применение топологической оптимизации в программном пакете Altair Inspire позволяет реализовать эти требования.
В ходе исследований топологической оптимизации в CAD-пакете Altair Inspire 2018.3 подвергался телескопический элемент гидравлического шарнирно-сочлененного гидроманипулятора лесопогрузочной машины. Метод конечных элементов и средства топологической оптимизации Altair Inspire позволили снизить массу проектируемого конструктивного элемента на 35 %. При таком существенном снижении массы проектного изделия полностью сохранены нормативные величины предела прочности, деформации, необходимые коэффициенты запаса прочности конструкции.
Ключевые слова: лесозаготовительная машина, гидроманипулятор, топологическая оптимизация, Altair Inspire, коэффициент запаса прочности.
Conifers of the boreal area. 2020, Vol. XXXVIII, No. 1-2, P. 60-65
IMPROVEMENT OF THE DESIGN OF FOREST HYDRAULIC MANIPULATORS BY METHODS OF TOPOLOGICAL OPTIMIZATION
S. N. Dolmatov, P.G. Kolesnikov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: pipinaskus@mail.ru
Hydraulic manipulators of forestry machines are widespread and are used in various designs of felling, skidding and loading machines. When designing hydraulic manipulators of forestry machines, it is important to ensure high strength, operational reliability under the influence of a wide range of loads, high and low ambient temperatures. In this case, it is required to obtain a structure with the smallest possible mass, but a sufficient margin of safety. The use of topological optimization in the Altair Inspire software package allows you to implement these requirements.
During the research of topological optimization in the Altair Inspire 2018.3 CAD package, a telescopic element of a hydraulic articulated hydraulic manipulator of a timber loading machine was exposed. The finite element method and topological optimization tools Altair Inspire allowed to reduce the mass of the designed structural element by 35 %. With such a significant reduction in the mass of the design product, the standard values of the tensile strength, deformation, and necessary safety factors of the structure are completely preserved.
Keywords: forestry machine, hydraulic manipulator, topological optimization, Altair Inspire, safety factor.
ВВЕДЕНИЕ
Российская Федерация располагает значительными (более 80 млрд м3) лесными ресурсами [1]. В настоящее время на территории РФ заготавливается 214 млн м3 древесины. При этом потенциальные объемы лесозаготовки составляют более 500 млн м3 в год [2]. Расчетная лесосека используется недостаточно, не более чем на 25 %. Это приводит к недополучению доходов и снижению качества древостоев из-за пере-
хода лесных массивов из категории спелых - в перестойные. Лесозаготовительная промышленность РФ, несмотря на наличие внушительных объемов лесных ресурсов, обеспечивает всего 1,2 % валового внутреннего продукта [3].
Недостаточные темпы роста объемов и качества заготовки древесины во многом обусловлены неудовлетворительным состоянием базовой - лесозаготовительной отрасли и лесного машиностроения России.
Состояние действующего лесозаготовительного оборудования характеризуется значительным износом, время эксплуатации лесозаготовительных машин составляет 15-25 лет. Только 5-10 % техники являются современными образцами, соответствующими современным требованиям. Как правило, эти образцы представлены техникой зарубежного производства [4]. Значительная доля лесозаготовительных предприятий является объектами малого и среднего бизнеса, для которых приобретение дорогостоящих лесозаготовительных комплексов зарубежного производства является неподъемной задачей.
В этих условиях одним из способов преодоления кризисных явлений будет организация производства отечественных лесозаготовительных машин. Разработка таких машин, как и модернизация существующих, должна соответствовать новейшим достижениям науки и техники. Только тогда возможно получить конкурентоспособный продукт, способный занять определенную нишу на рынке.
Современная лесозаготовительная техника, как правило, конструируется, опираясь на принципы минимизации ручного труда, высокой степени автоматизации технологических операций, выполняемых машиной. Практически каждая лесозаготовительная машина содержит в составе своей конструкции гидроманипулятор или его элементы. Применение современных конструкций гидроманипуляторов позволяет машинизировать переместительные операции, связанные с технологией заготовки, обработки и погрузки лесоматериалов. Вопросы расчета и проектирования манипуляторов являются приоритетными при разработке лесозаготовительных машин [5]. Основными показателями гидравлического манипулятора являются грузовой момент, момент поворота, высота подъема груза, максимальный и минимальный вылет, скорость работы. Наряду с этими показателями, важнейшее качество конструкции - это ее масса. Поскольку от массы технологического оборудования будет зависеть технологические и эксплуатационные качества проектируемой машины в целом. От массы машины (валочной, харвестера или форвардера) зависит применимость и соответствие техники лесово-дственным требованиям, допускаемой величине дав-
ления на грунт, степень сохранения хозяйственно-ценного подроста.
Конструктивно гидравлический манипулятор лесозаготовительной машины состоит из конструктивных элементов, соединенных пальцами, гидроцилиндров привода. На рис. 1 изображен лесной погрузчик, оснащенный шарнирно-сочлененным гидроманипулятором с телескопической рукоятью. В базовой конструкции погрузчика рукоять манипулятора не имеет телескопической вставки, что ограничивает рабочий вылет манипулятора и снижает технологические возможности погрузчика. Проектная грузоподъемность погрузчика составляет 3 000 кг.
Цель работы: провести топологическую оптимизацию проектного элемента конструкции - телескопической вставки рукояти гидроманипулятора на основе инженерного пакета Altair Inspire SolidThinking, Inc с конечной целью - снижения массы конструкции.
Традиционные графо-аналитические методы топологической оптимизации, без применения компьютерных инженерных систем, являются достаточно трудоемкими [6]. В основе принципа Altair Inspire SolidThinking, Inc лежит метод конечных элементов и математические методы моделирования [7-9] .
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Altair Inspire - это технология топологической оптимизации, разработанная компанией SolidThinking, Inc., входящей в Altair Group [10; 11]. Технология позволяет разрабатывать конструкции опираясь на заданные параметры нагружения силовыми факторами и условия закрепления. Основные возможности Altair Inspire позволяют проводить оптимизацию конструкции по критерию минимальной массы, максимальной жесткости, с учетом геометрических и производственных факторов.
Программа использует геометрические модели деталей и сборок, выполненные в стандартных форматах stp(AP 203, 242), а также имеется возможность проектирования моделей внутри самого пакета. Фиксация граничных условий и условий нагружения осуществляется с привязкой к геометрии конкретной 3Б-модели.
Рис. 1. Лесной погрузчик:
1 - силовой модуль; 2 - стрела; 3 - рукоять; 4 - телескопическая вставка рукояти; 5 - клещевой захват
До начала проведения топологической оптимизации в программе Altair Inspire, требуется выполнить расчетную кинематическую схему и определить пространственное положение частей конструкции, при которых возникают максимальные нагрузки на ее элементы. Очевидно, что максимальные величины крутящих моментов и действующих нагрузок возникают при работе манипулятора на максимальном вылете стрелы. В проектном варианте - это 8 м. Поскольку стрела и рукоять гидроманипулятора являются готовыми изделиями промышленного изготовления, предметом разработки и оптимизации являлась телескопическая вставка рукояти, которая собственно и проектировалась.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Телескопическая вставка рукояти гидравлического манипулятора конструктивно представляет сварной элемент коробчатого сечения, состоящий из двух боковин, верхней и нижней обечаек. Для навески грейферного захвата к боковинам приварены две проуши-
ны с соосными отверстиями диаметром 60 мм. Для крепления телескопической вставки к штоку гидроцилиндра внутри коробчатого сечения рукояти приварены две накладки с отверстием под палец крепления штока, диаметром 60 мм. В области крепления штока гидроцилиндра выдвижения в боковинах телескопической вставки выполнены отверстия диаметром 100 мм, для обеспечения возможности установки и крепления пальца штока гидроцилиндра выдвижения телескопической вставки.
Затем в программном пакете Компас 3D 17 была выполнена модель телескопического элемента гидроманипулятора и сконвертирована в формат stp AP 203 для переноса в пакет Altair Inspire 2018.3.
В пакете Altair Inspire 2018.3 запускается модуль нового исследования и устанавливаются базовые точки закрепления и нагружения. На проушину крепления грейферного захвата была приложения нагрузка 30 кН, в виде двух векторов симметричной нагрузки по 15 кН на каждую проушину. Далее запускается модуль Analyze, результаты расчетов представлены на рис. 3.
Рис. 2. Модель объекта проектирования, выполненная в Компас 3D17
Рис. 3. Результаты расчетов модуля Analyze Altair Inspire 2018.3 на коэффициент запаса прочности, деформацию и действующие напряжения
Расчетная масса объекта составила 124,59 кг. По результатам расчета видно, что минимальный коэффициент запаса прочности равен 1,6, максимальная деформация под нагрузкой 7,5 мм, максимальное напряжение 75 МПа, что существенно меньше допустимых значений. Следовательно, имеются резервы снижения металлоемкости конструкции без ущерба функциональности. Предметом оптимизации послужил конечный элемент манипулятора сечением 150^200 мм, выполненный из стального проката S 235 J2 G3 (аналог стали ВСтЗСП) толщиной 12 мм. Цель оптимизации - снижение массы при сохранении прочностных свойств конструкции.
Был задействован инструмент Altair Inspire Run Optimization с целевой функцией минимизации массы.
Технология топологической оптимизации Altair Inspire позволяет в результате решения получить форму изделия, в точности соответствующую заданным нагрузкам и ограничениям. Однако, ввиду особенностей работы оптимизационных алгоритмов, может потребоваться увеличить количество материала в детали вручную, чтобы сделать оптимизированный узел, более технологичным. При топологической оптимизации получается трехмерное тело с оптимизированным размещением плотности материала. Существуют определенные проблемы адаптации полученной топологической модели к реальным технологическим возможностям изготовления изделия [12]. Это объясняется тем, что наиболее распространенная в настоящее время технология обработки металлов
(subtractive), подразумевает механообработку с удалением материала из массива заготовки. Современные CAD оптимизаторы позволяют получать модели в расчете на (additive) изготовление, т. е. производство путем «добавление», материалов, т. е. реализация классической (не аддитивной) технологии изготовления накладывает определенные ограничения на возможность оптимизации формы и размеров проектного изделия [13].
Поскольку оптимизируемая конструкция телескопической вставки гидроманипулятора предусматривает сварку конструкции из листового проката были предусмотрены вырезы в соответствии с силовыми линиями оптимизированного тела на рис. 4. В пакете Компас 3D17 была произведена корректировка проектного решения, результат представлен на рис. 5.
Для проверки корректности проектных решений в пакете Altair Inspire 2018.3 в модуле Apply Pressures было проведено новое закрепление базовых точек тела элемента после оптимизации и приложены соответствующие нагрузки, равные нагрузкам для тела до оптимизации. Результаты расчетов оптимизированной модели приведены на рис. 6.
Расчетная масса оптимизированного объекта составила 88,144 кг. Минимальный коэффициент запаса прочности равен 1,3, максимальная деформация под нагрузкой 9 мм, максимальное напряжение 94 МПа, что существенно меньше допустимых значений. Снижение массы телескопической вставки при проведении оптимизации составило 36,4 кг или 35 %.
Рис. 4. Результаты работы оптимизатора Altair Inspire Optimization
Рис. 5. Оптимизированная 3D-модель в пакете Компас 3D17
Рис. 6. Результаты расчетов модуля Analyze Altair Inspire 2018.3 для оптимизированной модели на коэффициент запаса прочности, деформацию и действующие напряжения
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Применение традиционных методов инженерных расчетов при проектировании элементов манипуляторов лесозаготовительных машин, позволяет получить проектные решения, которые не являются оптимальными. И имеют существенные резервы для снижения металлоемкости изделия без потери потребительских качеств. Изыскание таких резервов успешно решается применением современных методов CAD оптимизации, в частности метода конечных элементов.
2. Реализация методов топологической оптимизации инженерного прикладного пакета Altair Inspire 2018.3 позволяет получить трехмерное тело с оптимизированным размещением плотности материала. При этом было обеспечено снижение массы оптимизируемой детали с 124,59 кг до 88,144 кг или на 35 %. Снижение массы изделия более чем на треть не приводит к ухудшению потребительских качеств изделия. В полной мере обеспечиваются допустимые показатели предела прочности, деформации, нормативные коэффициенты запаса.
3. Уменьшение массы конструктивных элементов манипуляторов лесных машин положительно сказывается на технологических показателях лесных комплектов, снижает нагрузку на грунт, повышает проходимость.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современные средства автоматизированного проектирования позволяют упростить и оптимизировать труд проектировщика, повысить качество и производительность труда. Средства твердотельного модели-
рования и оптимизации позволяют сократить время на разработку и выпуск продукции, избежать ошибок при проектировании. Оптимизация величины коэффициент запаса прочности до величин позволяющих обеспечить безопасную эксплуатацию изделия, но без чрезмерного увеличения массы, размеров, стоимости изготовления, позволяет повысить конкурентоспособность проектируемого изделия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Yearbook of Forest products. FAOU N. Rome, 2012. 358 p.
2. Обзор лесопромышленного комплекса России 2018 год. М. : EY, АСБО, 2018. 40 с.
3. Круглый стол: Перспективы лесопромышленного комплекса [Электронный ресурс] // Рейтинговое агентство «Эксперт РА». URL: http://www.lesis.ru (дата обращения: 15.12.2019).
4. Одлис Д. Б. Пути развития машиностроения в Республике Карелия: региональный и федеральный аспекты // Инженерный вестник Дона. 2012. Т. 20, № 2. С. 508-513.
5. Колесников П. Г., Моисеев Г. Д. Проектирование технологического оборудования харвестеров с применением CAD/CAE систем // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2017. № 50. С. 9-11.
6. Моисеев Г. Д., Колесников П. Г., Петрунин Н. Е. Оптимизация массы стержневых элементов конструкции коробчатого сечения с накладками // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2018. № 11. С. 41-43.
7. Bendsoe M. P., Sigmund O. Topology Optimization. Theory, Methods, and Applications. Springer Berlin Heidelberg, 2014. 370 р.
8. Chen J. et al. Shape optimization with topological changes and parametric control // English. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2007. №. 71.3. Р. 313-346.
9. Robin Larsson. Methodology for topology and shape optimization: application to a rear lower control arm / Chalmers University оf Technology. Goteborg, Sweden, 2016. 53 р.
10. Сайт разработчика программной системы Altair Inspire - компании Altair Engineering. URL: www.altair.com.
11. Сайт семейства программных систем Altair solidThinking, включающего в себя Altair Inspire. URL: www.solidthinking.com.
12. Максимов П. В., Фетисов К. В. Анализ методов доработки конечно-элементной модели после топологической оптимизации // Междунар. науч.-исслед. журн. 2016. № 9(51), ч. 2. С. 58-60.
13. Зленко М. А., Попович А. А., Мутылина И. Н. Аддитивные технологии в машиностроении. СПб. : Изд-во политехнич. ун-та, 2013. 221 с.
REFERENCES
1. Yearbook of Forest products. FAOU N. Rome, 2012, 358 s.
2. Obzor lesopromyshlennogo kompleksa Rossii 2018 god. Moskva, EY, ASBO, 2018, 40 s.
3. Kruglyy stol: Perspektivy lesopromyshlennogo kompleksa [Elektronnyy resurs] // Reytingovoye agentstvo "Ekspert RA". URL: http://www.lesis.ru (data obrashcheniya: 15.12.2019).
4. Odlis D. B. Puti razvitiya mashinostroyeniya v Respublike Kareliya: regional'nyy i federal'nyy aspekty // Inzhenernyy vestnik Dona. 2012. T. 20, № 2, S. 508-513.
5. Kolesnikov P. G., Moiseyev G. D. Proyektirovaniye tekhnologicheskogo oborudovaniya kharvesterov s primeneniyem CAD/CAE sistem // Aktual'nyye problemy lesnogo kompleksa. 2017, № 50, S. 9-11.
6. Moiseyev G. D., Kolesnikov P. G., Petrunin N. E. Optimizatsiya massy sterzhnevykh elementov konstruktsii korobchatogo secheniya s nakladkami // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2018. № 11. S. 41-43.
7. Bendsoe M. P., Sigmund O. Topology Optimization. Theory, Methods, and Applications. Springer Berlin Heidelberg, 2014, 370 s.
8. Chen J. et al. Shape optimization with topological changes and parametric control // English. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2007, No. 71.3, S. 313-346.
9. Robin Larsson. Methodology for topology and shape optimization: application to a rear lower control arm / Chalmers University of Technology. Goteborg, Sweden, 2016, 53 s.
10. Sayt razrabotchika programmnoy sistemy Altair Inspire - kompanii Altair Engineering. URL: www. altair.com.
11. Sayt semeystva programmnykh sistem Altair solidThinking, vklyuchayushchego v sebya Altair Inspire. URL: www.solidthinking.com.
12. Maksimov P. V., Fetisov K. V. Analiz metodov dorabotki konechno-elementnoy modeli posle topolog-icheskoy optimizatsii // Mezhdunar. nauch.-issled. zhurn. 2016, №. 9(51), ch. 2, S. 58-60.
13. Zlenko M. A., Popovich A. A., Mutylina I. N. Additivnyye tekhnologii v mashinostroyenii. Sankt-Peter-burg, Izd-vo politekhnich. un-ta, 2013, 221 s.
© Долматов С. Н., Колесников П. Г., 2020
Поступила в редакцию 20.03.2020 Принята к печати 05.09.2020
