МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Кафедра ТММ і САПР

Розрахункова пояснювальна записка до курсового проекту

по дисципліні:

«Розрахунок напружено-деформованого стану управляючого підвісу

тролейбусу ЮМЗ Т2»

Виконав:

ст. гр. ТМ-88-Б Золотарьов О.В.

Перевірив:

Старший викладач Васильєв А.Ю.

Харків 2013

2

ЗМІСТ

Вступ 3

1. Літературний огляд 4

2. Постанова завдання 6

3. Опис конструкції ресори 7

4. Огляд програмного забезпечення 13

5. Теоретичні відомості 15

6. Побудова геометричної та фізичної моделі 19

7. Розрахунок ресори 22

8. Аналіз результатів 26

Висновки 27

Список використаної літератури 28

3

ВСТУП

В даній роботі вирішується задача числового моделювання

управляючого підвісу тролейбусу. Для підготовки і проведення розрахунків

даної задачі було використано декілька програмних продуктів, а саме:

SolidWorks 2010, для створення твердотільної моделі ресори, ANSYS

WorkBench 14 для вирішування задачі із числовим моделюванням

контактного тиску, переміщень та напружено-деформованого стану балки.

В наш час економія сировини та часу для створення продукції досить

популярна тема. В даній постановці використано підхід числового

моделювання, оскільки це суттєво зменшує фінансові та часові затрати на

підготовку деталей для їх виготовлення. Підбір матеріалу, його якісні та інші

показники швидше присвоювати в CAE-системах, так як і проводити

розрахунки в залежності від виду навантаження. Використання САПР в наш

час, практично незамінна методика для вирішення задач в машинобудівній

промисловості.

Основною причиною моїх досліджень е ниска однакових технічних

недоліків модельного ряду тролейбусу ЮМЗ Т2. (Тролейбус ЮМЗ Т2

вважаеться найкращім високо-підлоговим, що випускався в Україні, роки

випуску з 1993-2008 роки). За ці п'ятнадцять років з конвеєру зійшло понад

550 машин Т2 і понад 500 Т1, і всі вони мають спільні дефекти виявлени при

експлуатації.

4

1 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

Метод скінченних елементів (МСЕ) - чисельний метод рішення

диференціальних рівнянь з приватними похідними, а також інтегральних

рівнянь, що виникають при вирішенні завдань прикладної фізики. Метод

широко використовується для вирішення задач механіки деформованого

твердого тіла, теплообміну, гідродинаміки і електродинаміки.

Ідея методу

Суть методу випливає з його назви. Область, в якій шукається рішення

диференціальних рівнянь, розбивається на кінцеве кількість під областей

(елементів). У кожному з елементів довільно вибирається вид апроксимуючої

функції. У найпростішому випадку це поліном першого ступеня. Поза свого

елемента апроксимуюча функція дорівнює нулю. Значення функцій на

кордонах елементів (вузлах) є вирішенням завдання і заздалегідь невідомі.

Коефіцієнти апроксимуючих функцій зазвичай шукаються з умови рівності

значення сусідніх функцій на кордонах між елементами (у вузлах). Потім ці

коефіцієнти виражаються через значення функцій у вузлах елементів.

Складається система лінійних алгебраїчних рівнянь. Кількість рівнянь

дорівнює кількості невідомих значень у вузлах, на яких шукається рішення

вихідної системи, прямо пропорційно кількості елементів і обмежується

тільки можливостями ЕОМ. Так як кожен з елементів пов'язаний з

обмеженою кількістю сусідніх, система лінійних алгебраїчних рівнянь має

розріджений вигляд, що істотно спрощує її рішення.

З точки зору обчислювальної математики, ідея методу скінченних

елементів полягає в тому, що мінімізація функціоналу варіаційної задачі

здійснюється на сукупності функцій, кожна з яких визначена на своїй під

області, для чисельного аналізу системи дозволяє розглядати його як одну з

конкретних гілок диакоптики - загального методу дослідження систем

шляхом їх розчленування.

5

Переваги та недоліки

Метод кінцевих елементів складніше методу кінцевих різниць в

реалізації. У МСЕ, однак, є ряд переваг, що виявляються на реальних

завданнях: довільна форма оброблюваної області; сітку можна зробити більш

рідкісної в тих місцях, де особлива точність не потрібна.

Довгий час широкому поширенню МСЕ заважала відсутність

алгоритмів автоматичного розбиття області на «майже рівносторонні»

трикутники (похибка, залежно від варіації методу, обернено пропорційна

синусу або самого гострого, або самого тупого кута в розбитті). Втім, це

завдання вдалося успішно вирішити (алгоритми засновані на тріангуляції

Делоне), що дало можливість створювати повністю автоматичні кінцево

елементні САПР.

Історія розвитку методу

Виникнення методу скінченних елементів пов'язано з вирішенням

завдань космічних досліджень в 1950-х роках. Ідея МСЕ була розроблена в

СРСР ще в 1936 році, але через нерозвиненість обчислювальної техніки

метод не отримав розвитку, тому вперше був застосований на ЕОМ лише в

1944 році Аргіріса. Цей метод виник з будівельної механіки і теорії

пружності, а вже потім було отримано його математичне обґрунтування.

Істотний поштовх у своєму розвитку МСЕ отримав в 1963 році після того, як

було доведено те, що його можна розглядати як один з варіантів поширеного

в будівельній механіці методу Релея - Рітца, який шляхом мінімізації

потенційної енергії зводить задачу до системи лінійних рівнянь рівноваги.

Після того, як було встановлено зв'язок МСЕ з процедурою мінімізації, він

став застосовуватися до завдань, описуваних рівняннями Лапласа або

Пуассона. Область застосування МКЕ значно розширилася, коли було

встановлено (у 1968 році), що рівняння, що визначають елементи в задачах,

можуть бути легко отримані за допомогою варіантів методу зважених не

в'язок, таких як метод Гальоркіна або метод найменших квадратів. Це зіграло

важливу роль у теоретичному обґрунтуванні МСЕ, тому що дозволило

6

застосовувати його при вирішенні багатьох типів диференціальних рівнянь.

Таким чином, метод кінцевих елементів перетворився на загальний метод

чисельного рішення диференціальних рівнянь або систем диференціальних

рівнянь.

З розвитком обчислювальних засобів можливості методу постійно

розширюються, також розширюється і клас вирішуваних завдань. Практично

всі сучасні розрахунки на міцність проводять, використовуючи МСЕ.

Книга «SolidWorks 2009 в примерах» являє собою актуальний

практичний посібник для новачків, який допоможе в стислі терміни освоїти

роботу в пакеті тривимірного моделювання SolidWorks 2009. Книга базується

на різних машинобудівних прикладах. Практичне керівництво дає

можливість самостійно вивчити всі основні важливі точки проектування

об'єктів машинобудування. Покроково описано формування ескізу,

організація об'ємної моделі, креслення зварних деталей, деталей з листового

матеріалу, формування збірок та оформлення креслень, згідно ЄСКД. У книзі

наведені приклади реалізації різних конфігурацій деталей, деталей, які

базуються на поверхнях. Дане видання орієнтоване на студентів, інженерів і

викладачів, широку аудиторію читачів.

Після побудови геометрії у програмі SolidWorks її було імпортовано

для подальших розрахунків у ANSYS. Корисним джерелом інформації для

роботи у цій системі виявився посібник «ANSYS для инженеров». Метою

книги є навчання користувача основам використання ANSYS для вирішення

інженерних завдань. У книзі даний опис застосування засобів графічного

інтерфейсу програми для створення твердотільних моделей, їх розбиття,

вибору фізичної моделі поведінки матеріалу, виконання та візуалізації

результатів. Це, на думку авторів має суттєво полегшити навчання студентів,

інженерів н науковців використання ANSYS.

Для ілюстрації матеріалу наведено ряд прикладів вирішення задач

розрахунку на міцність з використанням пружних і пластичних матеріалів, а

7

також найпростіша задача теплообміну. Докладно розглянуті всі важливі

етапи підготовки завдання, її рішення та відображення результатів. Приклади

супроводжуються докладними поясненнями використання пунктів головного

меню, і де це можливо, текст відповідних команд.

Книга орієнтована на читача, що має певне уявлення про принципи

роботи різних пакетів САПР, а також базові знання в галузі механіки

твердого тіла і теплообміну. Може бути використана в якості довідкового

посібника студентами старших курсів технічних вузів та інженерами при

проведенні проектно-конструкторських робіт.

8

2 ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ

У курсовій роботі потрібно було побудувати 3D модель переднього

підвісу тролейбусу ЮМЗ моделі Т2, та розрахувати навантаження, за

допомогою програмного забезпечення Workbench.

У роботі розглядаються наступні пункти:

побудова тривимірної моделі управляючого підвісу, міського

тролейбуса ЮМЗ Т2 в програмі SolidWorks для імпорту в CAE

пакет;

створення розрахункової скінченно-елементної моделі у

програмному комплексі ANSYS WorkBench;

прикладення навантажень та закріплень;

рішення лінійної задачі;

розрахувати конструкцію;

проаналізувати отримані результати;

дослідити вплив сили на напруженно-деформований стан.

До складу управляючого підвісу вхоть такі елементи:

– балка опора;

– ресори;

– основна балка;

– кріплення амортизаторів;

– стяжні бовти;

– обмеження.

На основі отриманих результатів розрахунків можна робити певні

висновки щодо достовірності розрахунків, проведених в системі ANSYS

WorkBench 14 і про можливість вирішення завдань цього класу.

9

3 ОПИС КОНСТРУКЦІЇ УПРАВЛЯЮЧОГО ПІДВІСУ

Конструктивно передні мости і кермові тяги всіх модифікацій тролейбуса

ЮМЗ виконані однаково.

При технічному обслуговуванні переднього моста і рульових ЮМЗ

необхідно:

• звертати увагу на ступінь затяжки конусного з'єднання шкворня і на

стан наполегливої підшипника. При зносі наполегливої підшипника

збільшується зазор між верхнім вушком поворотної цапфи і балкою, який не

повинен перевищувати 0,4 мм. При необхідності слід ставити металеві

прокладки;

• звертати увагу на величину зносу шкворня і втулок поворотної цапфи.

Зношені бронзові втулки цапфи замінюють новими;

•регулярно перевіряти кріплення пальців кульових зчленувань

поздовжньої і поперечної тяг, кріплення важелів рульової трапеції до

поворотної цапфи. При огляді деталей кульових зчленувань слід перевірити,

чи немає тріщин на пружинах і сухарях. Пальці з вм'ятинами, сухарі і

пружини з тріщинами слід замінювати новими;

• регулярно перевіряти правильність кутів установки передніх коліс, так

як внаслідок зносу і деформації деталей кути можуть змінюватися.

10

4 ОГЛЯД ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

4.1 SolidWorks.

Програмний комплекс САПР для автоматизації робіт промислового

підприємства на етапах конструкторської та технологічної підготовки

виробництва. Забезпечує розробку виробів будь-якого ступеня складності і

призначення. Працює в середовищі Microsoft Windows. Розроблений

компанією SolidWorks Corporation, нині є незалежним підрозділом

компанііDassault Systemes (Франція). Програма з'явилася в 1993 році і склала

конкуренцію таким продуктам, як AutoCAD і Autodesk Mechanical Desktop,

SDRC I-DEAS і Pro / ENGINEER.

Вирішуються завдання:

- 3D проектування виробів (деталей і зборок) будь-якого ступеня

складності з урахуванням специфіки виготовлення;

- Створення конструкторської документації в строгій відповідності з

ГОСТ;

- Промисловий дизайн;

- Реверсивний інжиніринг;

- Проектування комунікацій (електроджгутів, трубопроводи тощо) ;

- Інженерний аналіз (міцність, стійкість, теплопередача, частотний

аналіз, динаміка механізмів, газо / гідродинаміка, оптика та

світлотехніка, електромагнітні розрахунки, аналіз розмірних ланцюгів і

пр.) ;

- Експрес-аналіз технологічності на етапі проектування;

- Підготовка даних для ІЕТР;

- Управління даними та процесами на етапі КПП;

Технологическая подготовка производства (ТПП):

- Проектування оснащення та інших засобів технологічного оснащення;

- Аналіз технологічності конструкції виробу;

- Аналіз технологічності процесів виготовлення (лиття пластмас, аналіз

процесів штампування, витяжки, гнучкі і пр.) ;

11

4.2 ANSYS Workbench

Програмна платформа, яка дозволяє в єдиному інформаційному

просторі інтегрувати модулі для проведення пов'язаного міждисциплінарного

аналізу.

Відмінними рисами модулів, що працюють на програмній платформі ANSYS

Workbench, є:

Графічний інтерфейс, побудований на основі об'єктно-орієнтованого

принципу управління процесом роботи з модулями. Під цим розуміється

структурне уявлення етапів роботи в конкретному модулі у вигляді

структурної схеми, в якій кожному етапу відповідає розділ, що містить

об'єкти розрахункової моделі. Для кожного об'єкта можливий ввід і

редагування властивостей. Двонаправлена асоціативний зв'язок з

геометричними моделями, створеними в CAD-системах.

Загальне інформаційний простір управління проектом інженерного

аналізу, можливість використання декількох альтернативних способів

препроцессінга і розрахунку для однієї і тієї ж вихідної геометричної моделі,

можливість інтеграції з системами управління базами даних вироби і з

системами технічного документообігу (Teamcenter).

Можливість передачі СЕ-моделі для подальшого розрахунку в

класичну середу ANSYS.

5. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

В

В

А

R

срP

P

1F

12

5.1 Напружено-деформований стан

5.1.1. Напружений стан у точці

Тіло, що знаходиться під дією системи врівноважених сил

представлено на рисунку 5.1.

Рисунок 5.1 – Тіло під дією врівноважених сил.

Щоб дослідити внутрішні сили в малій області навколо точки В ,

необхідно провести через дану точку перетин, розсікаючий тіло на дві

частини, і відкинути одну з них, а дія відкинутої частини замінюється

внутрішніми силами (Рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Перетин, що розсікає тіло

Необхідно виділити малу площадку Δ А , що містить точку В . Зовнішня

нормаль цієї площадки позначається ν .

F2

F1

13

Результуюча внутрішніх сил, що діють на площадку Δ А , позначається

ΔR . Ділячи результуючуΔ

R на Δ Аотримуємо величину середньої напруги

по площадці.

Pν

ср=

Δ RΔA

.

(5.1)

Величина Pν

ср

залежить від розмірів площадки. Щоб позбавитись від

впливу розмірів площадки Δ А , необхідно перейти до границі та почати

стягати площадку до точкиВ .

Pν= limΔ A→0

Δ RΔA

.

(5.2)

Величина Pν називається повною напругою в точціВ по площадці з

зовнішньою нормаллю ν .

Очевидно, що якщо вибрати іншу площадку, що проходить через точку

В , але орієнтовану іншим чином, то в загальному випадку вектор повної

напруги опиниться іншим.

Сукупність всіх векторів повної напруги по всім площадкам, що

проходять через дану точку, складає напружений стан в даній точці.

Напружений стан в даній точці відомо, якщо відомі напруження по

трьом взаємно перпендикулярним площадкам, що проходять через дану

точку.

Необхідно визначити напружений стан в точціВ . Для цього необхідно

виділити в околиці цієї точки малий прямокутний паралелепіпед (Рис. 5.3).

Розміри паралелепіпеда настільки малі, що напружений стан в межах

паралелепіпеда можна вважати однорідним, та що грані паралелепіпеда є

X Y

Z

x

z

y

xy

xz

zx

zy

yx

yz

14

площадками, що проходять через точку В та мають зовнішніми нормалями

осіX , Y , Z .

Рисунок 5.3 – Малий прямокутний паралелепіпед в околиці точки

Повну напруженість можна розкласти на три складові, що направлені

по координатним осям. Всього буде 9 компонент напруженого стану: три

нормальних та шість дотичних напружень. Нормальні напруження

позначаютьсяσ з індексом, що вказує зовнішню нормаль.

Наприклад, σ x — нормальна напруженість по площадці з зовнішньою

нормаллю X .

Дотичні напруження позначаються τ з двома індексами. Перший

індекс вказує площадку, другий – направлення напруженості.

Наприклад, τ xy — дотична напруженість по площадці з зовнішньою

нормаллю X , паралельне осі Y.

Нормальна напруженість вважається додатною, якщо вона направлена

по зовнішній нормалі, тобто є такою, що розтягує.

Дотичні напруження вважаються додатними, якщо при додатній

зовнішній нормалі вони направлені в бік додатніх координатних осей.

15

Очевидно, що по протилежним граням паралелепіпеда діють рівні по

величині та протилежні по направленню напруження.

Необхідно відмітити, що хоча на Рисунок 5.3 компоненти напруженого

стану показані у вигляді векторі, вони є величинами скалярними.

5.2 Головні напруження

В околиці будь-якої точки існують три взаємно перпендикулярні

площадки, дотичні напруження по яким рівні нулю. Ці площадки

називаються головними, а напруження, що діють на них головними

напруженнями.

16

6. ПОБУДОВА ГЕОМЕТРИЧНОЇ ТА ФІЗИЧНОЇ МОДЕЛІ

Геометрична модель будувалась у програмному комплексі Solid Works.

Рисунок 6.1 - Побудова комплектуючих мосту

Для цього треба створити 3D модель управляючого підвісу в

SolidWorks після чого експортувати в середовище Workbanch, щоб

розрахувати навантаження, які діють на балку під час експлуатації.

17

Рисунок 6.2 – Додані амортизатори, та їх кріплення

В процесі підготовки моделі до розрахунку неможливо обійтись без модулю

ANSYS Workbench – ANSYS DesignModeler. DesignModeler – універсальний

CAD-редактор з широким набором інструментів для створення нової

геометрії, а також для розбиття і спрощення імпортованої геометрії. Даний

модуль в своїй основі має ядро Parasolid ®, володіє надійності,

відмовостійкості генератором геометрії і відповідає виробничим стандартам.

ANSYS DesignModeler дозволяє створювати, параметризованих геометрію на

основі двовимірних ескізів або вбудованих примітивів, а також виконувати

наступні операції редагування. Весь хід моделювання відображається в

деревоподібної історії проекту, що дозволяє змінювати початкові параметри

в будь-який момент створення геометрії. Модель в даному модулі зображена

на рисунку 6.2.

18

Рисунок 6.3 - Геометрія експортована в Workbench, та задані навантаження

6.1 Створення розрахункової скінченно-елементної моделі у

програмному комплексі ANSYS WorkBench

Дана конфігурація включає в себе модуль ANSYS Structural, а також і

модуль ANSYS Thermal, що дозволяє визначати поля температур з рішення

задач стаціонарної і нестаціонарної теплопровідності, конвекції, теплообміну

випромінюванням. Рішення ANSYS для задач механіки деформованих

твердих тіл в своїй основі мають потужну технологію елементів і матеріалів.

19

Рисунок 6.4 - Фіксація

Рисунок 6.5 – Фіксація по осі z

Рисунок 6.6. – Результат реакції

20

7 РОЗРАХУНОК БАЛКИ

Об'єктом дослідження стала передня частина управляючого підвісу,

тролейбусу, а саме балка. Такий підвіс широко використовуеться в машино

будуванні. Але в зв’язку з економіею сировини на виробництво, балки

стають дедалі хрупкими. Під час експлуатації на балку тролейбусу ЮМЗ Т2

діють різні чинники такі, як нерівність дорожнього покриття, відсутність (за

браком коштів) амортизаторів, лювтів в ступеці, та своєчасної заміни ресор.

21

Рисунок 7.1 – Результат переміщень

Рисунок 7.2 – Результат напружень

22

Рисунок 7.3 – Саме надійне місце

Рисунок 7.4 – Більш детальне зображення самої хрумкої частини

Сума навантажень, безпосередньо до самої хрумкої частини балки, по

єтапно:

23

Рисунок 7.5 – Прикладання навантаження 6т

Рисунок 7.6 – Результат навантаження 6т

24

Рисунок 7.7 – Прикладання навантаження по осі х

Рисунок 7.8 – Результат навантаження

25

Рисунок 7.9 – Прикладання навантаження по осі z

Рисунок 7.10 – Результат навантаження

26

Рисунок 7.11 – Задання зв’язків

8 АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ

Розподіл еквівалентних напружень і перших головних деформацій при

різних значеннях змодельованого управляючого підвісу тролейбуса

переходить до згину балки в місці утоншення. Зона концентрації напружень

зміщується до об’єднуючих частин, що зображено на рисунку 7.4. При цьому

положення точки максимуму позитивних деформацій з деякого моменту

залишається практично незмінним. Цю область можна вказати як найбільш

вірогідне місце початку руйнування, оскільки із зростанням навантаження

саме там вперше будуть досягнуті граничні деформації, та облами кріплення

ступеці.

27

РЕНДЕР

28

ВИСНОВОК

Під час виконання курсового проекту були розглянуті та вивчені

матеріали різних джерел інформації. Всі отримані знання були втілені в

даний проект.

Використовуючи ці данні можна зменшити ймовірність псування, та

повного виходу зі строю управляючого підвісу.

Балка забезпечує плавність руху, компенсацію нерівних ділянок

дорожного покриття, та пасажиро вмісткість тролейбусу.

Данні дослідження допоможуть при експлуатації, та обслуговування

міського тролейбусу ЮМЗ, моделі Т2.

29

Створені розрахунки будуть допомогою як для початківців так і для

користувачів. В подальшому будуть створені 3D моделі інших частин

управляючого підвісу, та дослідження їх під дією різних навантажень.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1 Службова література технічного відділу

«КП Полтаваелектроавтотранс»

2 Альбом рисунків «Троллейбусов ЮМЗ Т2 ТО 1998год»

3 Зінкевич О. Метод кінцевих елементів в техніці - М.: Мир, 1975.

4 Алямовский А. А., Собачкин А. А., Одинцов Е. В., Харитонович А. И.,

Пономарев Н. Б. «SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моде-

лирование в инженерной практике»: БХВ Петербург, 2008 – 1040 с.

5 «http://www.solidworks.ru» - офіційний сайт solidworks в Росії

6 http://www.cae-expert.ru/product/ansys-workbench