CC BY
59
3. Попов В.М., Шендриков М.А., Иванов А.В., Жабин М.А. Влияние магнитного и электрического полей на прочность клееной древесины // Вестник МГУЛ. «Лесной вестник», 2009. № 4. С. 122-126.
4. Кестельман В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов. М.: Химия, 1980. 224 с.
5. Пат. 2298574 МПК C0975/00. Спо-
соб склеивания древесных материалов // Попов В.М., Иванов А.В., Мурзин В.С., Новиков А.П., Латынин А.В.; заяв. и па-тентообл. ВГЛТА.- №2006117673/04; заяв. 22.05.2006; опубл. 10.05.2007. Бюл. № 13. 3 с.
6. Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. М.: Химия, 1981. 272 с.
УДК 004.09:684.04
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ В ПОДСИСТЕМЕ РЕИНЖИНИРИНГА КОРПУСНОЙ МЕБЕЛИ А. А. Щекалёва
Группа компаний DSR, ООО «Софт» (г. Воронеж) [email protected]
Одной из важных задач, решаемых при проектировании изделий корпусной мебели, является расчет прочности разрабатываемых мебельных конструкций. В настоящее время актуальность подобных расчетов существенно возросла, что обусловлено переходом большинства предприятий к позаказному проектированию и производству изделий корпусной мебели.
Согласно новой парадигме автоматизированного проектирования корпусной мебели в условиях позаказного промышленного производства [1, 2], разработка мебельных изделий представляется двумя стадиями - инжинирингом и реинжинирингом. На стадии инжиниринга формируется объектная структурно-атрибутивная модель прототипного изделия (более коротко - прототипная модель), которая затем, на стадии реинжиниринга, может
быть доопределена и/или переопределена в соответствии с конкретными требованиями заказчиков.
Обычно в процесс реинжиниринга, выполняемый дизайнером по интерьеру при приеме заказа на изготовление корпусной мебели, вовлекается заказчик (потребитель мебели), инициирующий изменение ряда свойств проектируемых изделий. Именно это обстоятельство обусловливает, главным образом, необходимость разработки специальных методов и средств поддержки реинжиниринга, в том числе и методики прочностных расчетов мебельных изделий.
При автоматизированном приеме заказов на изготовление корпусной мебели к оценке прочности мебельной конструкции следует прибегать в случаях, когда у выбранного прототипного изделия изменя-
ются габаритные размеры или его внутреннее наполнение, а также происходит замена одного типа используемого конструкционного материала другим. На стадии реинжиниринга предпочтение следует отдавать достаточно простым расчетным схемам, не требующим длительных подготовительных операций, но обеспечивающим приемлемые для практического использования оценочные результаты. Полученные результаты расчетов должны учитываться дизайнером по интерьеру при решении вопроса о допустимых предельных нагрузках для конкретного изделия корпусной мебели и анализе возможностей усиления его конструкции.
Таким образом, в условиях позаказ-ного проектирования и производства, помимо CAE-подсистемы, применяемой в составе конструкторской САПР, целесообразно использовать специализированный программный модуль для оценки прочности и устойчивости мебельных конструкций при автоматизированном приеме индивидуальных заказов на изготовление корпусной мебели [2, 3]. Данный модуль должен входить в состав подсистемы реинжиниринга изделий корпусной мебели и обеспечивать поддержку выполнения следующих основных функций:
• сравнение заданных при приеме заказа габаритных размеров изделия с размерами, представленными в прототипной модели изделия, а также с номинальными значениями размеров для данного типа изделий;
• сравнение заданных при приеме заказа конструкционных материалов с материалами, представленными в
прототипной модели изделия, по их механико-прочностным характеристикам;
• анализ изменения внутреннего наполнения конструкции мебельного изделия (например, увеличение или уменьшение количества полок, выдвижных ящиков или лотков и т.п.);
• определение значений предельных нагрузок для различных элементов изделия с использованием упрощенных расчетных схем и их сравнение с номинальными значениями;
• работа в режиме «советчика», подсказывающего дизайнеру по интерьеру дальнейший ход действий по модификации изделия и предотвращающего принятие им неверных проектных решений.
Таким образом, алгоритм расчета прочностных характеристик для элементов изделия корпусной мебели на стадии реинжиниринга должен включать ряд последовательных проверок, позволяющих:
1) идентифицировать конструктивные элементы изделия, для которых необходимо произвести оценку прочности при изменении габаритных размеров изделия (например, при изменении ширины и/или глубины изделия потребуется рассчитать предельные нагрузки для его полок и боковых стенок, а также подсадных ножек, если они имеются);
2) сравнить рассчитанные предельные значения прочностных характеристик со значениями, рассчитанными на этапе инжиниринга мебельного
изделия, а при их отсутствии - с номинальными табличными значениями для соответствующих элементов изделия;
3) выдать рекомендации для дизайнера по внесению изменений в конструкцию изделия, обеспечивающих усиление конструкции при необходимости (например, использование панелей усиления для полок или выбор конструкционных материалов с более высокими механико-прочностными свойствами);
4) сформировать рекомендации для потребителя по нагружению изделия с целью включения их в качестве дополнения к инструкции (руководству) по эксплуатации мебельного изделия.
На стадии реинжиниринга предлагается использовать два последовательно выполняемых этапа проверок и прочностных расчетов для изделий корпусной мебели, включаемых в заказ:
1) проверка изменения габаритных размеров изделия, идентификация элементов изделия, на прочностные характеристики которых влияют эти изменения, расчет прочностных характеристик данных элементов и сравнение их с номинальными значениями показателей прочности (табличными или представленными в прототипной модели изделия);
2) проверка замены конструкционного материала в модели изделия, сравнение механико-прочностных характеристик нового материала с аналогичными показателями заменяемого
материала, идентификация элементов изделия, для которых был изменен материал, расчет прочностных характеристик данных элементов и сравнение их с номинальными значениями.
Укрупненные структурные схемы алгоритмов, реализующих данные этапы, представлены ниже.
Первый этап прочностных расчетов реализуется с помощью алгоритма, представленного восемью укрупненными блоками (рис. 1).
Ниже приведено краткое описание укрупненных блоков структурной схемы алгоритма.
1. «Начало» - точка входа в данный алгоритм.
2. «Габаритные размеры прототипной модели и модели в заказе» - блок чтения (ввода) исходной информации для первичного анализа: габаритных размеров изделия, представленных в прототипной модели, разработанной на стадии инжиниринга, и габаритных размеров изделия, заданных при приеме заказа на стадии реинжиниринга.
3. «Размеры различаются?» - блок сравнения габаритных размеров. Если габаритные размеры изделия, представленные в прототипной модели, при приеме заказа не изменялись, то выполнить переход к блоку 8 - «Конец»; иначе - переход к блоку 4.
4. «Идентифицировать элементы в модели изделия, прочностные характеристики которых зависят от габаритных размеров изделия» - блок формирования спи-
ска элементов изделия, для которых необходимо выполнить расчет прочности в связи с изменением габаритных размеров изделия, приводящим к изменению габаритных размеров элемента. Например, при увеличении ширины шкафа с полками потребуется заново рассчитать прочностные характеристики полок, поскольку возможная нагрузка на них возрастает. Такой же расчет потребуется при увеличении высоты и глубины шкафа с полками. В прото-типной модели изделия, формируемой на стадии инжиниринга, подобные элементы могут быть заранее помечены соответствующими «тегами» (признаками), что позволит легко отыскивать их на стадии реинжиниринга.
5. «Рассчитать прочностные характеристики элементов модели» - блок, представляющий расчет показателей прочности элементов изделий в соответствии с формулами, представленными в [3].
6. «В пределах номинальных значений?» - блок сравнения рассчитанных и номинальных значений прочностных характеристик. Если рассчитанные значения находятся в пределах номинальных значений показателей прочности, то выполнить переход к блоку 8 - «Конец»; иначе - переход к блоку 7.
7. «Сформировать рекомендации по усилению элементов модели изделия» -блок подготовки списка рекомендаций по усилению элементов мебельной конструкции, для которых значения показателей прочности ниже номинальных значений.
8. «Конец» - окончание вычислений по данному алгоритму.
Нет
Идентифицировать элементы в модели изделия, прочностные характеристики которых зависят от габаритных размеров изделия
I
Рассчитать прочностные характеристики элементов модели
5
Да
6
В пределах номинальных значений?
Нет
7
Сформировать
рекомендации по
усилению элементов
модели изделия
1
£
^ Конец
Рис. 1. Укрупненная структурная схема алгоритма прочностных расчетов при изменении габаритных размеров изделия
Более подробное описание функциональности трех основных блоков, пред-
ставленных на структурной схеме алгоритма, приведено ниже.
Блок 4 «Идентифицировать элементы в модели изделия, прочностные характеристики которых зависят от габаритных размеров» предполагает выполнение следующих действий:
1. Определить элементы модели изделия, для которых необходимо произвести расчеты показателей прочности (например, по тегам в прототипной модели).
2. Классифицировать элементы, для которых необходимо произвести прочностные расчеты: боковая стенка, горизонтальный щит, полка, задняя стенка, выдвижной ящик, дверка и т.д. При классификации используется главным образом вид (тип) панели (горизонтальная, вертикальная, фронтальная, дверь), указанный при моделировании данного элемента изделия на стадии инжиниринга.
3. Для каждого типа элементов модели изделия сформировать блок параметров, необходимых для расчета показателей прочности по соответствующей формуле.
Блок 5 «Рассчитать прочностные характеристики элементов модели» предполагает циклическое выполнение следующих действий: пока не исчерпан список элементов, для которых требуется выполнить прочностные расчеты, выбрать очередной элемент и, основываясь на типе элемента и блоке параметров, подготовленных блоком 4, рассчитать значения показателей прочности для элемента (например, максимально возможную нагрузку, коэффициент запаса прочности). В блоке расчета прочностных характеристик элементов изделия (боковых и задних стенок,
полок, перегородок и т.д.) используются аналитические зависимости для предельных нагрузок, полученные отечественными и зарубежными исследователями (В.Н. Королев, О.Е. Поташев, Ю.Г. Лапшин, Г.М. Фишман, С.В. Гайда и др.).
Блок 7 «Сформировать рекомендации по усилению элементов модели изделия» предполагает выбор элементов из списка, для которых показатели прочности имеют меньшие значения, чем требуемые номинальные значения (табличные или расчетные), отыскание в информационной базе соответствующих предопределенных рекомендаций и отображения их на экране монитора, информируя дизайнера по интерьеру о необходимости модификации прототипной модели изделия.
Например, использование в изделии полки, расчетная прочность которой оказалась меньше требуемой номинальной, может вызвать ее остаточную деформируемость или даже разрушение. В качестве рекомендаций по усилению конструкции изделия в данном случае можно предложить использование материала с более высокими механико-физическими свойствами (что не всегда возможно), увеличения толщины материала полки (также не всегда возможно) или использовать вертикальный щит, выполняющий функцию перегородки-подпорки и усиливающий, таким образом, мебельную конструкцию.
Если элементами изделия, требующими усиления, являются боковые стенки, то в качестве рекомендации может быть предложено использование панели усиления, обеспечивающей дополнительную жесткость мебельной конструкции. При
этом дизайнеру по интерьеру, возможно, потребуется модифицировать заднюю стенку изделия (например, сделать ее состоящей из двух частей, чтобы обеспечить расположение панели усиления заподлицо с задними кромками боковых стенок изделия). Если элементом изделия, требующим усиления, является верхний горизонтальный щит изделия, то в качестве рекомендации может быть предложено использование материала с большей толщиной или усиление конструкции вертикальной перегородкой, подпирающей данный горизонтальный щит.
В любом случае дизайнеру по интерьеру должен быть предложен ряд рекомендаций по усилению элементов модели изделия, из которых он может выбрать наиболее подходящую для данной проблемной ситуации, не нарушая дизайнерских и конструкторских решений, принятых на более ранних стадиях проектирования.
Второй этап прочностных расчетов реализуется с помощью алгоритма, представленного восемью укрупненными блоками (рис. 2).
Ниже приведено краткое описание укрупненных блоков структурной схемы алгоритма.
1. «Начало» - точка входа в данный алгоритм.
Рис. 2. Укрупненная структурная схема алгоритма прочностных расчетов при изменении конструкционных материалов элементов изделия
2. «Материалы прототипной модели и модели в заказе» - блок чтения (ввода) исходной информации для первичного анализа: кодов конструкционных материалов изделия, представленных в прототип-ной модели, разработанной на стадии ин-
жиниринга, и кодов материалов изделия, заданных при приеме заказа на стадии реинжиниринга.
3. «Материалы различаются?» - блок сравнения кодов конструкционных материалов. Если типы конструкционных материалов изделия, представленные в прото-типной модели, при приеме заказа не изменялись, то выполнить переход к блоку 8 -«Конец»; иначе - переход к блоку 4. Под типом материала понимается не только его вид (например, ДСтП), но и его толщина (например, ДСтП 12 мм или ДСтП 16 мм).
4. «Идентифицировать элементы в модели изделия, для которых необходимо рассчитать прочностные характеристики» - блок формирования списка конструктивных элементов изделия, для которых необходимо выполнить расчет прочности в связи с изменением типа конструкционного материала, используемого для их изготовления. Например, при использовании ДСтП толщиной 12 мм в качестве материала для полок шкафа вместо ДСтП 16 мм, как определено в прототипной модели изделия, потребуется заново рассчитать прочностные характеристики полок.
5. «Рассчитать прочностные характеристики элементов модели» - блок, представляющий расчет показателей прочности элементов изделий в соответствии с формулами, представленными в [3].
6. «В пределах номинальных значений?» - блок сравнения рассчитанных и номинальных значений прочностных характеристик. Если рассчитанные значения находятся в пределах номинальных значений показателей прочности, то выполнить
переход к блоку 8 - «Конец»; иначе - переход к блоку 7.
7. «Сформировать рекомендации по усилению элементов модели изделия» -блок подготовки списка рекомендаций по усилению элементов мебельной конструкции, для которых значения показателей прочности ниже номинальных значений.
8. «Конец» - окончание вычислений по данному алгоритму.
Приведенные выше укрупненные алгоритмы положены в основу разработки математического обеспечения программного модуля для расчета прочностных характеристик различных конструктивных элементов изделий корпусной мебели.
Библиографический список
1. Бунаков П.Ю., Стариков А.В., Старикова А.А., Харин В.Н. Новая парадигма проектирования САПР сложной корпусной мебели для позаказного промышленного производства: монография. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. 319 с
2. Бунаков П.Ю., Стариков А.В., Ха-рин В.Н., Гусев С.Я., Старикова А.А. Перспективная САПР сложной корпусной мебели: концептуальные основы, парадигма проектирования, особенности реализации // Известия вузов. Лесной журнал, 2009. № 1. С. 100-107.
3. Старикова А.А., Стариков А.В., Зольников В.К. Оценка прочности и устойчивости изделий корпусной мебели при автоматизированном приёме индивидуальных заказов на их изготовление // Моделирование систем и процессов. Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГЛТА, 2011. № 4. С. 76-80.
