CC BY
57
UNIVERSUM:
, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
• 7universum.com
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Кечемайкин Владимир Николаевич
канд. экон. наук, Мордовский государственный университет,
РФ, г. Саранск E-mail: [email protected]
Чугунов Михаил Владимирович
канд. техн. наук, Мордовский государственный университет,
РФ, г. Саранск, E-mail: [email protected]
Окунев Алексей Анатольевич
технический директор, ООО «Новые композитные материалы», РФ, г. Саранск
E-mail: [email protected]
COMPUTER DESIGN FOR COMPOSITE GLASS-PLASTIC CLUMPING STRUCTURES
Candidate of Economical Sciences, Mordovia State University, Russia, Saransk
Candidate of Technical Sciences, Mordovia State University, Russia, Saransk
Okunev Aleksey
Chief technical officer,
Limited Liability Company “New Composite Materials ", Russia, Saransk
Кечемайкин В.Н., Чугунов М.В., Окунев А.А. Автоматизированное проектирование прижимных устройств на основе композитных стеклопластиковых материалов // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2014. № 3 (4) .
URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1136
Kechemaykin Vladimir
Chugunov Mikhail
АННОТАЦИЯ
Предлагается подход к автоматизированному проектированию четырехраспорочных прижимных устройств из композитных стеклопластиковых материалов, используемых для реализации технологических процессов сжатия. Подход основан на параметрическом 3D-моделировании с учётом напряжённо-деформированного состояния (НДС) конструкции. Параметрическая 3D-модель создается в среде SolidWorks. В качестве параметров проектирования рассматриваются размеры элементов конструкции, значения которых определяются из условия прочности. Процесс проектирования реализуется в два этапа: в аналитической и численной форме.
ABSTRACT
The approach to the computer design of the four-component glass-plastic composite clamping structures for the technology process of compression is offered. The approach is based on parametrical 3D model analysis with stress constraints. The 3D model is created in SolidWorks software. The design parameters of the structure are defined from a condition of strength. Process of designing is realized in two stages: analytical and numerical (by computing).
Ключевые слова: автоматизированное проектирование, прижимные
устройства, 3D-моделирование, параметрические модели, прочность резьбовых соединений, CAD/CAM/CAE-система SolidWorks, стеклопластиковые композиты.
Keywords: clamping structures, computer aided design, CAD/CAE, 3Dmodelling, parametric model, SolidWorks, thread strength, glass-plastic composite materials.
Прижимные конструкции из стеклопластиков широко применяются в различных областях техники с повышенными требованиями к их физикохимическим свойствам (химическая инертность, диэлектрическая проницаемость и др.). Одним из вариантов конструкции прибора в его механической части является четырёхраспорочная сборка, функциональное
назначение которой состоит в сжатии и удержании в сжатом состоянии сопрягаемых элементов разных типов в течение длительного времени (рис. 1). Актуальной при этом является проблема обеспечения необходимой силы сжатия и равномерности распределения давления по контактным поверхностям.
На рис.1 показана BD-модель конструкции, созданная в среде SolidWorks. Модель обладает параметрическими свойствами, которые состоят в сохранении имеющихся симметрий в конструкции при изменении значений параметров, в качестве которых выбраны следующие: диаметр шпилек, размеры в плане оснований верхнего и нижнего, толщины оснований (размеры оснований считаются попарно равными друг другу).
Значения параметров проектирования определяются из условий прочности и жёсткости при заданной силе сжатия. Сжимаемая система при этом моделируется либо твердотельным элементом (рис. 1 а), для которого заданные физико-механические свойства позволяют решать задачу в физически нелинейной постановке, либо соединителем типа «Пружина» (рис. 1 б). Первый вариант актуален в том случае, если сжимаемая система обладает выраженной геометрической и физической нелинейностью (в механическом смысле), а изменение НДС в процессе сжатия подлежит рассмотрению.
(а)
(б)
Рисунок 1. SD-модель конструкции
В качестве первого приближения для значений параметров проектирования удобно взять такие, которые определяются в результате применения инженерных методик расчёта, основанных на аналитических зависимостях. Эту же процедуру будем рассматривать как первый этап анализа проектного решения с точки зрения прочности и жесткости. На втором этапе для созданной параметрической BD-модели создается детализированная конечноэлементная модель в среде SolidWorks Simulation. На рис. 2 представлена электронная таблица, в которой запрограммированы известные аналитические зависимости для анализа прочности резьбовых соединений [2]. В этом качестве таблица используется как инструмент вариантного проектирования из условий прочности в части подбора допускаемого диаметра шпилек.
Аналитический расчёт прочности резьбового соединения
Dm Усилие окатив = 100000 н
fr—ввэффвдненттрения материалов гайки и опорной поверхности = 0,2
S — наружный диаметр опорной поверхности гайки равный размеру пвд клин = 36 мм
doTB—диаметр отверстия пвд стержень болта = 25 мм
d2 -средний диаметр резьбы = 22,051 мм
FaaT—осевое усилие затяжки |впрвделается как 0,25 втусилия сжатия образда| = 25000 н
р—шагрезьбы = 3 мм
L. V «—угвл профили резьбы = 1,0472 рад
L 3
'ч
KJ / Н-7 . / РА dl-янутреннийй диаметр резьбы = 19,102 мм
1 Н- высота гайки = 21,5 мм
V/' -----
Предел прочности = Э,ООВ-О0 Па
УЛ Umi\ к
Предел текучести = Э,ООВ-О0 Па
/А Ч А —^
1 с
f / зат
iiii 1 1
Момеитэавинчивания Т = Tt+Tp = 1,62600153В-О5
Мамеатсил трения на опориомторде гайки Tt = F3af*ft*|p+dBi^/4| = 7,62500000В-04 н*мм
Мамеатсил в резьбе определиется Тр = F3ai*|d2/2|*tg)p5i+fi| = 3,643 S15 35 В-04 н*мм
Угол пвдиёма резьбы psi = arct|p/|n*d2|| = 4,Э2704627Е-О2 рад
Приведенный угвл трения fi = arct|fp/(cos(a/2| = 2,60602392Е-01 рад
Квэффидиеиттрения в резьбе fp = ft/|cBs|0,5*dJI = 2,ЗО94О1О0Е-О1
1111 1 1 ~
Нормальные напряжения вшпилые = 07,23533754 h/|mm*mm|
Касательные напряжения вшпилые = 63,15955602 h/|mm*mm|
Эквивалентные напрвжения вшпилые = 113,4059300 н/|мм*мм| В системе СН = 113 Мпа < 300 Мпа
Условие прочности выполняется
Касастельные напрвжения среза в резьбе = 31,01673001 н/|мм*мм| В системе СН = 31,0 Мпа 45,00 Мпа
Нормальные напрвжения смвтна = 24,39337145 н/|мм*мм| В системе СН = 24, 39 Мпа < 75,00 Мпа
Условие прочности выполняется
Рисунок 2. Анализ прочности резьбовых соединений на основе аналитических зависимостей
На рис. 3 (а) представлена модель и результаты анализа НДС конструкции, выполненного в среде SolidWorks Simulation. Из соображения симметрии конечноэлементная модель сформирована для У всей деформируемой системы. Задача решалась как контактная в геометрически нелинейной постановке. В качестве материала элементов конструкции рассматривался стеклопластик с использованием ортотропной модели. Для учёта усилия затяжки шпилек использовался виртуальный инструмент SolidWorks Simulation «Соединитель — Болт» [1]. На рис. 3 (б) представлены результаты детализированной конечноэлементной модели резьбового соединения с определением напряжений на контакте выступов резьбы.
Результаты. Для заданной конструктивной схемы сжимающего устройства и силы сжатия 100 КН в результате вариантного проектирования был определен необходимый диаметр шпильки d=24 мм. Использовались условия прочности для тела шпильки и условия прочности на срез и смятие резьбы в условиях изотропности.
Анализ конечноэлементной модели, проведенный в двух вариантах (рис. 3 (а) и (б)) в условиях ортотропности, дает значения максимальных напряжений по Мизесу соответственно 265 МПа и 366 МПа. Данные результаты следует рассматривать как адекватные имеющемуся на данный момент теоретическому и практическому опыту решения задач данного класса. Следует отметить также, что концентрация напряжений в варианте рис. 3 (б) носит явно выраженный локальный характер и обусловлена контактным характером напряженного состояния.
Поскольку в качестве материала шпильки и гайки рассматривается стеклопластик, то окончательные выводы о прочности резьбового соединения можно сделать только с учётом типа используемой технологии формирования резьбы (резание, напрессовка, заливка компаунда, формование профиля и др.). В самом неблагоприятном случае нарезания резьбы, при котором происходит нарушение целостности армированной волокнистой структуры, максимальные касательные напряжения среза близки к предельным значениям.
Необходимо отметить ряд особенностей рассматриваемой задачи, связанной с технологическими аспектами. Для обеспечения равномерности распределения давления целесообразно предварительное сжатие системы осуществлять под прессом с последующим поджатием резьбовых компонентов и снятием нагрузки с пресса.
Такой вариант сжатия имеет ещё одно преимущество: практически полностью избавляет тело шпильки от касательных напряжений, связанных с кручением.
von Mises (N/mA2)
264 857 936,0 | [ 242 786 448,0
"" 944,0
. 198 643 456,0 . 176 571 952,0 y. 154 500 464,0 132 428 968,0 110357 472,0 88 285 976,0 66 214 484,0 44142 988,0 22 071 494,0 0.1
Предел текучести: 30
(а)
(б)
Рисунок 3. Анализ НДС конструкции в среде SolidWorks Simulation
Однако следует иметь в виду, что если устройство сжатия не обладает достаточной жёсткостью, то фактическая сила сжатия прессом должна быть несколько больше требуемой.
Из условия совместности деформаций в линейной постановке можно получить простое соотношение, позволяющее оценить допуск на создаваемую силу сжатия в зависимости от жесткостных характеристик:
_ F0 (а — 1) _ F0 = ki = k{
где: 5 — взаимное суммарное перемещение в точках контакта оснований с сжимаемой системой, вызванное снятием пресса при поджатых гайках, F0 —
необходимая сила сжатия (F0=10 кН в рассмотренном случае), Fx = aF0 — фактическая сила сжатия прессом (я>1), к1 и к2 — приведенные к оси сжатия жёсткости: к1 — сжимаемой системы, к2 — сжимающего устройства. Тогда
к1
а = 1 + —.
к2
При этом к1 определяется в результате натурного эксперимента, а к2 — в результате численного эксперимента с предлагаемой моделью.
Список литературы:
1. Алямовский А.А. Инженерные расчёты в SolidWorks Simulation/ А.А. Алямовский. — М.: ДКМ-Пресс, 2013. — 464 с.
2. Биргер И.А. Резьбовые и фланцевые соединения / И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич. — М.: Машиностроение, 1990. — 368 с.
