Розробка автоматичної роторної лінії складання деталей гідрозамка однобічного

Рисунок 2.1 - Загальний вигляд гідрозамка однобічного КГУ 3.020ПР-01

Гідрозамок однобічний складається з таких деталей, як корпус, поршень, штовхальник, втулка і золотник, укомплектованих разом із прокладками і кільцями, також до складу виробу входить дві циліндричні пружини, втулка (без ущільнювального кільця) і гайка. Перед складанням всі деталі необхідно промити, щоб їхня чистота відповідала вимогам. До гідрозамка пред'являються високі вимоги, отже, необхідно дотримувати такі положення, як: гумові і захисні кільця і місце їхньої установки необхідно змазувати вершковою олією И-20А ДСТ 20799-75, не допускається їхнє перекручування й ушкодження; при складанні гайку загортати моментом не менш 50 Н*м до упору.

Вибираючи вид складання, будемо керуватися наступним. Існує 3 види складання виробів: рівнобіжна, послідовна і змішана (паралельно-послідовна). Очевидно, що з погляду максимальної продуктивності, найбільш ефективним складанням є рівнобіжне складання. Однак не всі вироби можуть піддаватися рівнобіжному складанню. Вид складання виробу прямо залежить від конструкції виробу.

Змішане складання є сполученням рівнобіжного і послідовного складання. Цей вид складання найбільш ефективний для застосування до виробів, що складаються з окремих вузлів. Усі вузли збираються паралельно, а потім послідовне складання забезпечує повне складання виробу.

Згідно [42] доведено, що корпус 4 і гумові кільця 17 ефективніше з'єднувати в одне складальне з'єднання одночасне. Їхнє послідовне складання приводить до збільшення кількості переходів, що спричиняє додаткове збільшення часу циклу складання компонентів і як наслідок збільшення часу циклу складання усього виробу.

Отже, складання гідрозамка КГУ провадиться в наступному порядку. У корпус 4, на який одягнені два гумових кільця 17, вставляється попередньо зібраний складальний вузол, що складається з поршня 1 з ущільнювальним кільцем 16 і штовхальник 10 з кільцем; у канавку між корпусом і поршнем уставляється стопорне кільце 2. Далі провадиться вставка в отриману складальну одиницю пружини 1. Втулка 11 разом з кільцем 15 встановлюється в корпус до упору, а потім золотник 6 разом з гумовим кільцем 14 і прокладкою 5 встановлюється в даний складальний вузол до гумового кільця. Потім послідовно уставляється втулка 7, пружина 12 і закручується гайка 9 до упору.

Представимо даний технологічний процес у вигляді технологічної схеми складання. Технологічна схема складання - графічне зображення порядку комплектування (послідовності складання) виробу і складальних одиниць [2,3,20].

На даній схемі кожен елемент виробу (складального вузла) умовно позначений прямокутником, у якому записане найменування елемента на верхній полиці, номер елемента (позиція) у нижньому лівому куті і кількість у нижньому правом. Над горизонтальною лінією, що з'єднує базову деталь і виріб, розташовуються в порядку послідовності складання прямокутники, що умовно позначають деталі, а нижче - складальні одиниці (також у порядку їхнього складання).

Рисунок 2.2 - Технологічна схема складання гідрозамка КГУ 3.020ПР-01

Відомо [2,27], що послідовність складання виробу можна розглянути за допомогою теорії графів.

Теорія графів використовується для рішення багатьох задач у різних галузях науки і техніки. Достоїнство графів полягає в наочності. Теорія графів має гнучкість, що дозволяє враховувати як прямі, так і зворотні зв'язки, визначати дії перешкод, оцінювати вплив однієї перемінної або складової на іншу в будь-якій точці системи. Переваги використання теорії графів тим істотніше, ніж складніше досліджувана система.

Граф G задається непорожньою множиною Х={X1,X2,X3,…,Xp} елементів, що називають вершинами, і множиною U={U1,U2,U3,…Up} зв'язків, названих ребрами. Вершини графічно позначають крапками, ребра - лініями зв'язку. Якщо ж напрямок зв'язків істотно, то його показують на ребрі стрілкою, і таке орієнтоване ребро називають дугою.

Опишемо структуру складання гідрозамка графом, в якому вершинам відповідають деталі або складальні одиниці, а ребрам - зв'язки між ними.

Рисунок 2.3 - Граф технологічної схеми складання гідрозамка (на пер-шому рівні графа знаходяться всі деталі і складальні одиниці, що підлягають складанню)

Отже, якщо множину X розбити на непересічні підмножини Xij різних ієрархічних рівнів і врахувати структуру виробу і реальні зв'язки між компонентами при складанні, то виріб як система описується інформаційною моделлю у формі графа [27]. Такий граф визначає схему потоку інформації в системі від вихідних даних до кінцевого результату.

Сформуємо структуру інформаційного графа, що описує модель складання гідрозамка, що повинна бути автоматизована. Складання даного гідрозамка розчленуємо на дев'ять етапів (рис.2.4), реалізація відповідає виведеним компонентам, тобто кожному етапові відповідає складання корпуса з черговою деталлю або складальною одиницею. Виведені компоненти описують у вигляді окремих вихідних графів Gi (Xi,Ui), де Xi, Ui - множини вершин і дуг цього графа.

На 1-ому етапі на корпус гідрозамка, позначений індексом структурного компонента моделі x1, одягається два гумових кільця x2 і x3, у результаті чого одержують складальний компонент (складальну одиницю) - пакет, що відповідає виведеному структурному компонентові x4*. Граф G1(X1,U1) 1-го етапу характеризується наступними множинами:

X1={x1, x2, x3, x4*}; U1={u4 1, u4 2, u4 3}.

Рисунок 2.4 - Гідрозамок у зборі (а) і його модель (б)

На 2-ому етапі в корпус x4 вставляється складальний компонент x11, що складається зі складальних одиниць x7 і x10. У свою чергу x7* - поршень x5 з одягненим на нього кільцем x6, а x10* - штовхальник x8 з одягненим на нього кільцем x9. У результаті цього утворюються новий складальний компонент і виведений структурний компонент x12*. Граф G2(X2,U2) 2-го етапу включає наступні елементи:

X2={x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x11,x12*}; U2={u7 5, u7 6, u10 8, u10 9, u11 7, u11 10, u12 4, u12 11}.

На 3-ому етапі в попередньо отриманий складальний компонент x12 вставляється металеве стопорне кільце x13, що відповідає виводові нового структурного компонента x14*, описуваного графом G3(X3,U3):

X3={x1 2, x1 3, x1 4*}; U3={u14 12, u14 13}.

По цьому принципі одержуємо інші графи:

G4(X4,U4) : X4={x14,x15,x16*}; U4={u16 14, u16 15}.

G5(X5,U5) : X5={x16,x17,x18,x19,x20*}; U5={u17 18, u19 17, u20 19, u20 16}.

G6(X6,U6) : X6={x20,x21,x22,x23,x24,x25,x26*};

U6={u23 21, u23 22, u25 23, u25 24, u26 25, u26 20}.

G7(X7,U7) : X7={x26,x27,x28*}; U7={u28 26, u28 27}.

G8(X8,U8) : X8={x28,x29,x30*}; U8={u30 28, u30 29}.

G9(X9,U9) : X9={x30,x31,x32*}; U9={u32 30, u32 31}.

Вивід основного (узагальненого) структурного компонента полягає в об'єднанні вихідних графів, тобто графів виведених (по етапах) проміжних структурних компонентів. Тобто:

G(X,U)=G1(X1,U1)G2(X2,U2)G3(X3,U3)G4(X4,U4)G5(X5,U5)

G6(X6,U6)G7(X7,U7)G8(X8,U8)G9(X9,U9).

Дана операція виконується на основі правила: множинами вершин X і дуг U об'єднаного графа G(X,U) є об'єднання відповідно підмножин вершин xi і дуг ui вихідних графів, відкіля

X=X1X2X3X4X5X6X7X8X9={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x11,x12,x13,x14,x15,x16,x17,x18,x19,x20,x21,x22,x23,x24,x25,x26,x27,x28,x29,x30,x31,x32*};

U=U1U2U3U4U5U6U7U8U9={u4 1, u4 2, u4 3, u7 5, u7 6, u10 8, u10 9, u11 7, u11 10, u12 4, u12 11, u14 12, u14 13, u16 14, u16 15, u17 18, u19 17, u20 19, u20 16, u23 21, u23 22, u25 23, u25 24, u26 25, u26 20, u28 26, u28 27, u30 28, u30 29, u32 30, u 32 31}.

Отриманих даних досить для побудови нового (об'єднаного) графа. Побудову графа починають із зображення об'єднаної множини вершин X, після чого наносять дуги об'єднаної множини дуг U з урахуванням числової індексації елементів множини {Uij}. Побудований у такий спосіб граф (рис.2.4) відображає узагальнену інформацію модель, у якій легко простежити всі зв'язки і вплив кожного компонента на загальну характеристику моделі, а, отже, і описуваного моделлю досліджуваного виробу.

2.3 Розробка маршрутного технологічного процесу складання гідрозамка на роторній лінії

У п.2.2 був розроблений технологічний процес складання гідрозамка КГУ3.020ПР-01 і представлений у вигляді технологічної схеми складання, а також обґрунтований за допомогою теорії графів. Відповідно до цього технологічного процесу складання гідрозамка провадиться шляхом послідовної вставки в корпус деталей у комплекті з ущільнювальними кільцями. Відповідно до вимог, пропонованих до гідрозамка, не допускається перекручування й ушкодження ущільнювальних кілець, отже, відразу після вдягання кільця на відповідну деталь необхідно дану складальну одиницю проконтролювати. З урахуванням автоматизації виробництва на базі роторних машин приймаємо, що дана контрольна операція буде провадитися на транспортних роторах, що передають складальні одиниці, що складаються з відповідних деталей з ущільнювальними кільцями, на наступні операції складання.

Маршрутний технологічний процес складання гідрозамка представлений у табл.2.1.

Таблиця 2.1 - Маршрутний технологічний процес складання гідрозамка КГУ3.020ПР-01

2.4 Висновки

Основним результатом проведених у даному розділі досліджень стало вивчення особливостей складальних операцій, умов їхнього здійснення на роторних машинах, синтез структури технологічного процесу складання, яке можна узагальнити наступними висновками:

- вивчений комплекс власне складальних, а також супутніх їм операцій, їхній зміст і переходи, умови їхнього здійснення, необхідне устаткування;

- проаналізовані умови здійснення складальних операцій на роторних машинах;

- досліджена послідовність розробки технологічного процесу збірки, необхідні вихідні дані;

- розроблений власне технологічний процес складання гідрозамка однобічного, складена технологічна схема складання;

- розглянута послідовність складання виробу за допомогою теорії графів, досліджено методику побудови інформаційної моделі на конкретному прикладі аналізу виробу - гідрозамка однобічного типу КГУ. Структура складання даного виробу описана графом, у якому вершинам відповідають деталі або складальні одиниці, а ребрам - зв'язки між ними. Згідно сформованому інформаційному графові складання гідрозамка розчленували на дев'ять етапів, де кожному етапові відповідає складання корпуса з наступною деталлю або складальною одиницею. Виведені компоненти описані в вигляді окремих вихідних графів, що характеризуються множинами елементів і зв'язків. Побудований об'єднаний граф відображає узагальнену інформаційну модель, у якій легко простежуються всі зв'язки і вплив кожної компоненти на загальну характеристику моделі.

3. Дослідницька частина

У даній роботі як приклад автоматизації складальних процесів розглядається автоматизація складання гідрозамка КГУ3.020ПР-01 на автоматичній роторній лінії. У ході досліджень необхідно розробити лінію в цілому і роторну машину для складання стопорного кільця і корпусу гідрозамка зокрема. Тобто задачею даного розділу є розробка нового способу складання зазначених деталей з можливістю його здійснення на машинах безперервної дії. При цьому необхідно врахувати особливості напруженого стану елементів пристосування і деталей, що збираються, у процесі складання. Дану задачу найбільш доцільно вирішувати за допомогою чисельного аналізу, ніж аналітично й експериментально.

3.1 Загальні положення

Надзвичайно широкий діапазон застосування методу кінцевих елементів: будівельна справа і машинобудування, гідро - і аеродинаміка, гірська справа і нова техніка, задачі стійкості і розповсюдження, моделювання і математична фізика.

Метод кінцевих елементів є варіаційним. Це означає, що основні рівняння, що дозволяють, можуть бути отримані безпосередньо з варіаційного принципу Лагранжа, який можна сформулювати так: з множини кінематично припустимих систем переміщень, що відповідають заданим граничним умовам, ті, котрі задовольняють умовам рівноваги, додають потенційної енергії системи стаціонарне значення. У стані стійкої рівноваги повна потенційна енергія П мінімальна:

П = U - W,

де U - потенційна енергія;

W - повна робота зусиль взаємодії між елементами тіла, що виявляються зовнішніми стосовно кожного елементу.

Класичний підхід до задачі про напружено-деформований стан якоїсь області припускає аналіз нескінченно малого елемента цієї області. Метод кінцевих елементів передбачає інший підхід: розглядається елемент кінцевих розмірів, що означає перехід від системи з нескінченним числом параметрів напружено-деформованого стану до системи з кінцевим числом параметрів. Таким чином, область являє собою сукупність кінцевого числа елементів кінцевих розмірів.

Розрахунок відповідно до методу кінцевих елементів починається з дискретизації розрахункової схеми. Об'єкти розчленовуються на кінцеві елементи відповідної статичної природи. Для двовимірних областей найбільш часто застосовують трикутні або прямокутні кінцеві елементи, а для тривимірних тіл - елементи у формі тетраедра або паралелепіпеда. Кожен кінцевий елемент зберігає усі фізичні і геометричні властивості вихідного середовища. На границі області (тіла) задаються граничні умови, тобто компоненти сил або переміщень. Далі для всіх кінцевих елементів будуються матриці коефіцієнтів твердості, визначення яких зводяться до плоскої або тривимірної задачі теорії пружності [46]. Рішення в цьому випадку можуть бути лише наближеними, тому і задачі в цілому вирішуються приблизно.

У загальному випадку можна виділити такі основні етапи рішення задач по методу кінцевих елементів:

1. Побудова функціонала повної потенційної енергії.

Щоб побудувати функціонал, необхідно знати диференціальні оператори, що зв'язують переміщення з напругами і деформаціями. Найбільш загальне вираження мають оператори тривимірного напруженого стану.

2. Розчленовування системи на кінцеві елементи і вибір координатних функцій.

Необхідно намагатися, щоб форма кінцевого елемента була по можливості простою. Крім того, потрібно задовольнити двом суперечливим вимогам: точності розрахунку, що вимагає великої кількості розрахункових вузлів (більшої густоти розрахункової сітки), і практичного рішення задачі, що накладає обмеження на кількість розрахункових вузлів. Координатні функції ж повинні забезпечувати існування всіх похідних, що входять у функціонала як по області кінцевого елемента, так і по його границях. Як правило, це тригонометричне, експонентне або поліноміальні (одержали найбільше поширення) функції.

3. Побудова матриць твердості і приведення місцевого навантаження до вузлового [46].

4. Побудова канонічних рівнянь [46].

5. Рішення канонічних рівнянь (визначення ступенів волі системи).

Виконується відомими методами рішення лінійних алгебраїчних рівнянь високих порядків (кількість ступенів волі може досягати декількох десятків тисяч). Звичайно використовують методи Гауса, квадратного кореня (Халецького), Зейделя й інші прямі або ітераційні методи.

7.Визначення компонентів напружено-деформованого стану (переміщень, напруги) по області кінцевих елементів, тобто в довільних заздалегідь заданих місцях.

Програмний пакет "ANSYS" широко відомий і користується популярністю серед інженерів-дослідників, що займаються питаннями динаміки і міцності. Засоби методу кінцевих елементів "ANSYS" дозволяють здійснювати розрахунки статичного і динамічного напружено-деформованого стану конструкцій (у тому числі геометрично і фізично нелінійних задач механіки деформованого твердого тіла), форм і частот коливань, аналізу стійкості конструкцій, нелінійних перехідних процесів і ін.

3.2 Розробка способу установки стопорного кільця в корпус

Одним з етапів технологічного процесу складання гідрозамка є складання корпуса з металевим стопорним кільцем (рис. 3.1).

Відповідно до геометричних параметрів кільця і корпусу для здійснення процесу складання стопорне кільце повинне прийняти розмір o 25 мм, тобто зменшитися в діаметрі на 3 мм і стиснутися на 13?.

Зважаючи на те, що даний процес складання необхідно автоматизувати за допомогою систем безперервної дії, стиск кільця і його установка в корпус повинні відбуватися послідовно і безупинно. Стиск кільця будемо робити за допомогою конічної матриці і штовхальника (рис. 3.4), тобто прикладаючи до кільця зусилля, викликаємо його переміщення, а, отже, і стиск (рис. 3.5).

Елементи пристосування - інструментального блоку роторної машини (цанговий пуансон і конічна матриця) приймаємо виготовленими зі сталі 45. Більший діаметр конічної матриці приймаємо o 32 мм, що більше діаметра кільця у вільному стані. Це необхідно для більш надійної фіксації кільця в матриці при його подачі на робочу позицію. Менший діаметр конічної матриці має розмір o 25 мм, тобто розмір кільця в стиснутому стані, якимсь він може потрапити в корпус гідрозамка. Цангові пелюстки пуансона виконані конічними і мають такий же конус, що і матриця для більш плавної роботи механізму, для виключення можливих заклинювань, заїдань і збоїв.

Рисунок 3.4 - Конструкція пристосування для стиску стопорного кільця

1 - цанговий пуансон (штовхальник);

2 - конічна матриця;

3 - корпус інструментального блоку.

Рисунок 3.5 - Процес складання розрізаного металевого кільця і корпусу гідрозамка

Кут нахилу стінок матриці приймаємо ~5?. Таке значення кута обумовлює плавний стиск колечка для запобігання заклинювань, сплесків напруги, поломок.

При влученні кільця в матрицю пуансон опускається, тисне на кільце і переміщає його вниз, при цьому стискаючи кільце до необхідного розміру і проштовхуючи його в корпус, що знаходиться знизу під матрицею. Навантаження на кільце прикладаються рівномірно розподілене.

Таким чином, розроблений новий спосіб складання стопорного кільця і корпусу гідрозамка, що дозволяє використовувати нові можливості цангового механізму (робочими є торцеві поверхні цангових пелюстків).

3.3 Дослідження напруженого стану металевого стопорного кільця

У п.1.3 була поставлена мета дослідження і передбачувані задачі для досягнення даної мети. Тобто при автоматичному складанні корпусу гідрозамка і стопорного металевого кільця з використанням роторної машини необхідно визначити параметри технологічного процесу складання даних елементів виробу. А саме, необхідно визначити величину навантаження (зусилля тиску) з боку цангового штовхальника на розрізане кільце, щоб його проштовхнути з використанням конічної матриці в корпус. А також необхідно досліджувати напружений стан взаємодіючих елементів пристосування і складальних елементів безпосередньо в процесі складання; досліджувати можливість заклинювання стопорного кільця в матриці.

Величину навантаження можна визначити тільки експериментальним шляхом, при проведенні численних досвідів. Аналітично й експериментально задачу дослідження напружених станів вирішити неможливо.

Рішення подібних задач і зокрема даної є дуже тривалим і трудомістким. Подібні незручності рішення задач нових досліджень можна уникнути, використовуючи чисельний аналіз. Так, рішення даних задач можна здійснити за допомогою програми "ANSYS" - стандартного розрахункового комплексу методу кінцевих елементів. При використанні чисельного рішення задачі вирішити задачу і вивести результати в якому завгодно дослідникові виді (у виді таблиць, графіків) можна, побудувавши твердотільну кінцево-елементну модель, задавши граничні умови і базу кінцевих елементів. Отже, об'єктами дослідження є: стопорне розрізане металеве кільце й елементи інструментального блоку роторної машини (цангові пелюстки штовхальника, конічна матриця). При влученні кільця в матрицю пуансон опускається, давить на кільце і переміщає його вниз, при цьому стискаючи кільце до необхідного розміру і проштовхуючи його в корпус, що знаходиться знизу під матрицею. Навантаження на кільце прикладаються рівномірно розподілена. Знаючи переміщення, здійснюване кільцем у матриці, визначимо величину необхідного навантаження, що повинний прикласти пуансон. Визначимо дане навантаження, ґрунтуючись на теорію опору матеріалів [48,49].

На рис.3.3 представлені геометричні параметри кільця і матриці в процесі складання:

dпр=2 мм - діаметр перетину кільця;

d=25 мм - діаметр кільця в стиснутому стані;

dк - діаметр кільця, що змінюється в залежності від місця положення його в матриці;

h=40 мм - висота матриці;

y - положення кільця в матриці;

=5? - кут нахилу стінок матриці;

D - більший діаметр конічної матриці,

D= d + h D=25+40 tg5?=29 мм;

fтр - коефіцієнт тертя, fтр=0,15.

Рисунок 3.3 - Геометричні параметри кільця в процесі складання

Рисунок 3.4 - Схема навантаження кільця в процесі складання

Для того щоб кільце стиснулося, повинний ліквідуватися зазор між гранями торців кільця в 3 мм, що складає ?13?. Таким чином, при стиску кільця кут (y) (рис.3.4,а) змінюється від 60 ( ) при y=22мм (кільце у вільному стані) до 47? при y= h (кільце в стиснутому стані).

Діаметр кільця dк визначається виходячи з діаметра конуса матриці у відповідному перетині, тобто dк= dкон - dпр.

Діаметр конуса матриці визначається в залежності від величини y:

dкон(y)= d + (h-y)tg.

dк = d - dпр+(h-y)tg . (1)

Для ліквідації зазору на кільце повинна діяти розподілене горизонтальне навантаження q, що залежить від величини нормальної відсічі матриці qn при русі кільця під дією сили Р (рис.3.4,б). Тиск на кільце складе:

q = qn - qn . (2)

З умови , одержуємо:

(qnsin + qnfтрcos ) P = 0. (3)

або

qn= . (4)

Згинальний момент від навантаження q (мал.3.4,в) у довільному радіальному перетині [48,49]:

Mp( )= - , (5)

де ds= rк , rк = dк(y)/2.

Виходить,

Рівняння одиничних моментів від дії одиничної сили Р= 1 Н (рис.3.4,в) буде мати вигляд:

.

Переміщення по напрямку одиничної сили (дотичної) (рис.3.4,в) по формулі Мору [48,49]:

, (6)

де Е - модуль пружності матеріалу кільця, Е= 1011Н/м2 = 105Н/мм2;

J - момент інерції,

J=.

Для зручності рішення рівняння визначення величини зазору будемо йти від зворотного, тобто зусилля q прикладене як розтягує (від центра до кільця), тоді межі інтегрування від 0 до ?.

З іншого боку, величина зазору ? по довжині окружності кільця дорівнює:

? = ?·?d, де ?d=3 мм.

У нашому випадку для ліквідації зазору в (коли y= h) навантаження q повинне мати значення:

Величина зазору ? залежить від величини положення кільця в матриці y - ?(y), отже, навантаження також є функцією від y - q(y). Тобто чим нижче колечко в матриці, тим більше зусилля q. У самій нижній крапці, коли обраний весь необхідний зазор, зусилля буде складати:

q = Н/м.

Тоді згідно (2)

qn = = =4157 Н/м.

Виходячи з (4) зусилля Р, яких необхідно прикласти до кільця з боку штовхальника, дорівнює:

Р= =

= .

Визначимо зусилля Р в початковий момент додатка навантаження, тобто коли y=22 мм:

А в момент повного стиску кільця, тобто в нижнім положенні штовхальника (y=h і 2?-?(y)=347?=1,93?), зусилля дорівнює:

Р= Н/м.

Таким чином, при стиску кільця цанговий штовхальник повинний прикласти зусилля в 63,24 Н і збільшувати навантаження в міру його опускання до 68,54 Н.

Зіставимо результати розрахунків, отриманих аналітично по прийнятих формулах і нормам, і отриманих за допомогою чисельного аналізу в середовищі ANSYS.

Порядок рішення задачі в ANSYS наступний:

1) попередній етап (Preference);

2) створення твердотільної моделі (Preprocessor);

3) рішення задачі методом кінцевих елементів (Solution);

4) обробка результатів рішення (General Postprocessor, Time Hist Postprocessor).

Перш, ніж створювати твердотільну кінцево-елементну модель, необхідно вибрати тип аналізу, тип кінцевих елементів, визначити властивості матеріалів.

Вибір типу аналізу, попередня підготовка - Preference. У досліджуваній нами задачі будемо робити міцністний розрахунок Structural.

Перехід до загальних установок (Preference) здійснюється з екранного меню натисканням на кнопку Preference. Після чого з'являється панель Preferences for GUI Filtering, у якій вибираються команди: тип аналізу Structural (структурний) і h-Method (універсальний метод розрахунку). Далі натискається кнопка ОК, і вищеописані установки будуть застосовані до наступного розрахунку.

Далі варто перейти до створення кінцево-елементної моделі розглянутого датчика в препроцесорі методу кінцевих елементів ANSYS. Перехід у препроцесор здійснюється з екранного меню натисканням на кнопку Preprocessor.

Вибір типу кінцевих елементів для рішення задачі здійснимо з бібліотеки стандартних кінцевих елементів Element Type. Тому що об'єктами дослідження є твердотільні об'ємні елементи, то тип кінцевих елементів - Solid.

Визначення типу застосовуваного кінцевого елемента провадиться з екранного меню послідовністю команд Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete... На екрані з'являється панель Element Types. З першою появою цієї панелі жоден з можливих типів елементів ще не заданий. У даному випадку варто натиснути кнопку Add. Після цього на екрані з'являється наступна командна панель Library of Element Types, що дозволяє вибрати тип застосовуваного кінцевого елемента безпосередньо з загального списку доступних.

У цій панелі необхідно зробити наступне:

- у лівому списку вибрати Solid (тверде тіло), у правом вибрати Brick 20node 95;

- натиснути кнопку OK, при цьому даний тип елемента буде обрана і панель закриється.

Material Props - властивості матеріалів можна задавати або вибирати з бібліотеки стандартних матеріалів Material Library.

Визначення застосовуваного матеріалу може провадитися двома способами:

З екранного меню командами Preprocessor > Material Prop > Isotropic, в екранному вікні з'являється панель Isotropic Material Properties, у якій провадиться вказівка характеристик матеріалу. У цій панелі досить указати тільки модуль Юнга Young's modulus EX (рівний 2*1011 Па), коефіцієнт Пуассона Poisson's ratio NUXY (рівний 0,4) і щільність матеріалу деталі Density DENS.

Можна імпортувати готовий матеріал наступними командами Preprocessor > Material Props > Material Library > Import Library, на екрані з'являється панель Import Material Library File, і в ній вибираємо матеріал c необхідними властивостями.

Отже, для рішення нашої задачі задамо:

модуль пружності EX для кільця 2,2е11;

для пуансона і матриці 2е11;

коефіцієнт Пуансона NUXY для кільця 0,4;

для пуансона і матриці 0,3.

Вибір системи одиниць, у якій будуть провадитися розрахунки можна виконати за допомогою послідовності команд Preprocessor > Material Props > Material Library > Select Units, після виконання якої з'явиться панель Select Filtering Units for Material Library, де треба включити перемикач SI (MKS), тобто вибрати міжнародну систему одиниць СІ.

Для подальшого розрахунку обов'язкове створення одного обсягу із сукупності імпортованих поверхонь і ліній, що здійснюється в такий спосіб: Preprocessor > Create > Volumes Arbitrary > By Areas, виникає панель Create Volume by Areas, на якій необхідно натиснути кнопку Pick All. У результаті обсяг буде створений.

Звичайно при створенні моделей засобами CAD усі розміри беруться в міліметрах. Система СІ використовує розміри в метрах, тому вже наявний обсяг треба масштабувати. Дана операція викликається з екранного меню в такий спосіб: Preprocessor > Operate > Scale > Volumes. Після цього на екрані з'являється панель Scale Volumes. У цій панелі в полях RX, RY, RZ Scale factors - in the active coordinate system потрібно вказати коефіцієнти масштабування по осях X, Y і Z (по всіх осях указуємо 0,001). У списку IMOVE Existing volumes will be потрібно вказати Moved (Перенесений).

Після виконання усіх вищенаведених операцій можна створювати сітку кінцевих елементів. Оскільки обсяг має досить складну форму, на ньому краще створювати нерегулярну сітку кінцевих елементів. Такий спосіб створення сіток викликається командами з екранного меню Preprocessor > Meshing > Volumes > Free > Mesh. Далі йде виділення обсягу, натискання кнопки OK і на екрані через якийсь час виникає вид сітки кінцевих елементів.

Вхід у меню рішення задачі здійснюється з екранного меню натисканням на кнопку Solution.

У ньому можна вибрати новий тип аналізу. За замовчуванням мається на увазі стаціонарний аналіз Static - розрахунок статичного напружено - деформованого стану, застосовуваний для міцністних розрахунків. Modal - аналіз власних частот і форм коливань конструкції. Harmonic - гармонійний аналіз, розрахунок змушених коливань. Transient - нестаціонарний аналіз, розрахунок перехідних процесів. Spectrum - спектральний аналіз. Buckling - аналіз стійкості в лінійній постановці. Substrukturing - аналіз підконструкцій (суперелементів).

Додаток закріплень по вказаним користувачем поверхням геометричної моделі здійснюється з екранного меню командами Solution > Loads > Apply > Displacement > On Areas. У, що з'явилася на екрані, панелі Apply U, Rot on Areas потрібно вказати курсором необхідні поверхні і натиснути кнопку ОК. У даній роботі закріплення - накладення реакцій зв'язку у всіх напрямках - провадиться по зовнішній поверхні блоку. Таким чином, деталь позбавляється всіх можливих ступенів волі.

Потім зробити запуск рішення на виконання розрахунку за допомогою команди екранного меню Solution > Solve > Current LS. Ніяких параметрів і опцій ця команда не має. Після появи повідомлення Solution is done! можна вийти з процедури рішення і перейти до перегляду результатів у постпроцесорі (Postprocessor).

Указівка величини переміщення кільця в матриці здійснюється з екранного меню командами Solution > Loads > Apply > Displacement > On Lines. У панелі, що з'явилася на екрані, потрібно вказати курсором необхідну поверхню і натиснути кнопку ОК. Після чого в наступній командній панелі варто вказати напрямок і величину переміщення.

Потім варто натиснути кнопку ОК. Далі зробити запуск рішення на виконання розрахунку напружено-деформованого стану за допомогою команди екранного меню Solution > Solve > Current LS, попередньо виконавши наступні дії: Solution > Analysis Type > New Analysis > Static. Після появи повідомлення Solution is done! можна вийти з процедури рішення і перейти до перегляду результатів у постпроцесорі (Postprocessor).

У препроцесорі можна візуалізіровати і переглянути в спеціальних текстових і графічних вікнах: переміщення, деформації і напруги в елементах конструкції, реакції опор і інші результати.

Найбільше просто здійснюється перегляд розрахованого навантаження, що прикладається до штовхальника. Дана опція доступна з екранного меню General Postprocessor > Plot Results > Deformed Shape..., а також з выпадаючого меню Plot > Results > Deformed Shape...

Перегляд реакцій опор в окремому вікні можна зробити як з екранного меню General Postprocessor > List Results > Reaction Solution..., так і з выпадаючого меню List > Results > Reaction Solution. Після цього на екрані виникає панель List Reaction Solution, у ній можна вказати осі, для яких приводяться реакції опор і моменти реакції в опорах (якщо є). Далі на екрані виникає спеціальна текстова панель, у якій приведені значення реакцій.

Перегляд напружено-деформованого стану виробляється з выпадаючого меню командами Plot > Results > Contour Plot > Nodal Solution або з екранного меню General Postprocessor > Plot Results > Nodal Solution.

Представимо програму рішення задачі мовою APDL. Результати рішення виведемо у виді графіків залежностей виникаючої напруги від положення стопорного кільця в конічній матриці, а також на моделях матриці і кільця вкажемо їхній напружений стан, величини деформацій.

Програма визначення в середовищі "ansys" напружено-деформованого стану кільця і матриці при складанні

/TITLE,KOLCO ! Ім'я роботи - "кільце"

/FILENAME, KOLCO ! Ім'я файлу - "кільце"

/PREP7

ET,2,SOLID95 ! Вибір типу елемента

ET,3,SHELL93

ET,4,PLANE42

R,1,0.001,,,,,,

UIMP,1,ex,,,2e11 ! Модуль пружності матеріалу матриці

UIMP,1,NUXY,,,0.3 ! Коефіцієнт Пуассона матеріалу матриці

UIMP,3,ex,,,2.2e11 ! Модуль пружності матеріалу кільця

UIMP,3,NUXY,,,0.4 ! Коефіцієнт Пуассона матеріалу кільця

UIMP,2,ex,,,2.1e11 ! Модуль пружності матеріалу цанги

UIMP,2,NUXY,,,0.3 ! Коефіцієнт Пуассона матеріалу цанги

UIMP,5,ex,,,2e20 ! Модуль пружності матеріалу матриці

UIMP,5,NUXY,,,0.3 ! Коефіцієнт Пуассона матеріалу матриці

MP,MU,4,0.4

CYL4,0.0129,0.026,0.001 ! Створення перетину стопорного кільця

VDELE,16,30,2,1 ! Видалення проміжних обсягів цанги

DA,11,ALL, ! Закріплення нерухомих поверхонь матриці

DA,21,ALL,

DA,31,ALL,

DA,41,ALL,

SFA,12,,PRES,0 ! Додаток навантаження в початковому положенні 1

SFA,24,,PRES,0

SFA,36,,PRES,0

SFA,48,,PRES,0

SFA,12,,PRES,1.022e6 ! Додаток навантаження в положенні 2

SFA,24,,PRES,1.022e6

SFA,36,,PRES,1.022e6

SFA,48,,PRES,1.022e6

SFA,12,,PRES,2.044e6 ! Додаток навантаження в положенні 3

SFA,24,,PRES,2.044e6

SFA,36,,PRES,2.044e6

SFA,48,,PRES,2.044e6

SFA,12,,PRES,3.065e6 ! Додаток навантаження в положенні 4

SFA,24,,PRES,3.065e6

SFA,36,,PRES,3.065e6

SFA,48,,PRES,3.065e6

SFA,12,,PRES,4.087e6 ! Додаток навантаження в кінцевому положенні 5

SFA,24,,PRES,4.087e6

SFA,36,,PRES,4.087e6

SFA,48,,PRES,4.087e6

SOLVE ! Рішення задачі

При рішенні задачі в середовищі "ANSYS" була побудована модель досліджуваного вузла, і зроблена його розбивка (рис. 3.5). Закріпивши модель і приклавши до неї навантаження, визначили її напружений стан (рис. 3.6, рис.3.7).

Рисунок 3.5 - Розбита на кінцеві елементи модель

При рішенні задачі виявилося, що на конічній поверхні матриці в місцях контакту стінок з кільцем виникають напруги, що зростають від 0,8 МПа до 3,15 МПа в міру опускання кільця, а, виходить, у міру збільшення навантаження. У процесі складання в момент дії найбільшого навантаження уздовж контактуючої поверхні і більше всього в нижньому положенні кільця в матриці виникають пластичні деформації матриці - розтягання металу, що досягає м (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 - Зони деформації металу в процесі складання

У кільці при стиску також виникають напруги, що досягають 2000МПа, що менше припустимого значення, рівного 2300МПа. Якщо стискати кільце повністю, то воно не витримає, поламається, тому що при повному стиску кільця виникають напруги в 4170 МПа (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 - Деформація кільця при повному його стиску

3.4 Висновки

У ході досліджень був розроблений новий спосіб складання двох деталей: корпус і кільце. При цьому найбільш значимим є те, що цангове пристосування раніш використовувалося для закріплення деталей, і при цьому його робочими поверхнями була або зовнішня поверхня (цангові оправлення), або внутрішня (цангові патрони). Тепер же цангу можна використовувати й у процесі складання, при цьому її робочою поверхнею є торець пелюстків. При розробленому способі складання розрізане кільце, потрапляючи в конічну матрицю і переміщаючи вниз (при цьому стискуючись) під дією цангового пуансона, що опускається, здобуває необхідний розмір для влучення в корпус, що знаходиться під матрицею.

При даному проектуванні виникла задача визначення зусилля, що прикладається до кільця для здійснення процесу складання, задача дослідження напруженого стану кільця й елементів інструментального блоку при дії навантаження, дослідження можливості заклинювання стопорного кільця в матриці. Після обґрунтування доцільності рішення даних задач за допомогою чисельного аналізу, ніж аналітично й експериментально, приведене рішення задач за допомогою програми "ANSYS".

Побудувавши твердотільну кінцево-елементну модель, задавши граничні умови і базу кінцевих елементів, склали програму рішення задачі мовою APDL. Результати рішення показали, що величини зусилля, полічені аналітично і за допомогою програмного забезпечення ANSYS, збігаються. При дії навантаження на кільце і на матрицю виникають напруги до 3,15 МПа в матриці і 2000 МПа в кільці, що менше припустимої межі міцності матеріалу, тобто не виникає ніякої небезпеки поломки і деформації як пристосування, так і кільця.

Страницы: 1, 2, 3