52

ТИТУЛЬНИК

ЗАДАНИЕ

РЕФЕРАТ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все большее распространение на производстве получают системы, использующие конечно-элементный анализ (FEA) для моделирования сложных физических задач. Для разработки в сжатые сроки конкурентоспособных машин и механизмов требуется современный подход, а именно применение компьютерной техники и специализированных программных продуктов для проведения целого комплекса расчетов, важнейшими из которых являются прочностные. Для этих целей предназначены современные конечно-элементные вычислительные комплексы. В отличие от ручного расчета, использование таких комплексов позволяет выполнить прочностные расчеты весьма сложной металлоконструкции и получить исчерпывающие данные по напряженно-деформированному состоянию каждого ее элемента. Применение конечно-элементных программных комплексов дает предприятию важное преимущество – уже на этапе проработки технического задания анализ конечно-элементной модели позволяет определить, какие технические изменения необходимо внести в конструкцию для полного удовлетворения требований заказчика. Все это возможно сделать, не прибегая к достаточно дорогим услугам специализированных проектно-конструкторских бюро, ведь зачастую речь идет не о принципиальном изменении конструкции, а лишь о ее модернизации.

Метод конечных элементов (МКЭ), конечно, является приближенным численным методом, и тем самым имеет некоторую степень погрешности. Однако, в нем заложено большое количество параметров, с помощью которых можно управлять степенью точности получаемых результатов (размер сетки, параметры нагружения и методы получения решения). Отдельным вопросом является степень адекватности решаемой математической модели ее физическому прототипу. Все это возлагается на плечи инженера-расчетчика, ответственность за результат несет только он. Но следует сказать, что МКЭ позволяет исследовать конструкции почти неограниченной степени сложности. В то время как это объективно невозможно с использованием аналитических методов.

В условиях возрастающей конкуренции важными показателями являются также время выполнения расчета и количество занятых этим специалистов. Программа позволяет выполнить расчет в сжатые сроки. Среди средств CAE (средств обеспечения исследований) важное место занимают комплексы метода конечных элементов (МКЭ, FEA), позволяет проводить имитационное моделирование работы исследуемой конструкции на основе подробного описания ее геометрии, физики моделируемых процессов, свойств применяемых материалов, эксплуатационных характеристик и иных указываемых пользователем исходных и начальных данных. Среди комплексов МКЭ можно указать такие продукты, как ANSYS, COSMOS, MSC/NASTRAN, и другие.

Развитие и широкое использование вышеперечисленных продуктов стало возможным благодаря развитию компьютерной техники и ее вычислительных способностей. Использование систем конечно-элементного анализа делает возможным исследование объектов без создания их материального прототипа, путем создания и решения адекватной математической модели. Что позволяет в несколько раз уменьшить период создания продукции, материальные расходы и оптимизировать конструкцию в соответствии с основными критериями. Однако применение МКЭ требует больших знаний о самом методе, опыта работы и инженерного таланта. Все это делает труд инженера-расчетчика достаточно дорогим, который при этом во много раз окупается.

Комплекс МКЭ ANSYS применительно к прочности позволяет решать задачи статические (линейные, а также физически и геометрически нелинейные), определять собственные частоты модели (собственные колебания), исследовать поведение модели при воздействии гармонически изменяющихся нагрузок (вынужденные колебания), задачи линейной и нелинейной устойчивости, а также линейные и нелинейные динамические переходные процессы и т.д.

1 ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1. Обоснование выбора конечно-элементной системы

Аналитические методы оценки отклика конструкций на внешние воздействия различной физической природы без натурного моделирования возникли довольно давно. Появление и развитие вычислительной техники дало новый толчок совершенствованию численных методов анализа, которые являются сегодня основным инструментом расчетчика. Средства автоматизации инженерного анализа, основанные на численных методах, стали неотъемлемой частью процесса проектирования изделия. Для успешного применения каждый расчетный пакет должен соответствовать двум требованиям:

1. Воплощать самые эффективные численные алгоритмы;

2. Предоставлять пользователю развитый набор сервисных функций по подготовке исходных данных и обработке результатов расчета.

В зависимости от степени соответствия данным критериям все программные средства автоматизации подразделяются на легкие, средние и тяжелые. Степень “тяжести” в данном случае является показателем мощности и эффективности. Наиболее мощным расчетным комплексом является ANSYS (ANSYS, Inc., см. Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Логотип ANSYS, Inc.

ANSYS уже более 25 лет входит в число лидирующих тяжелых конечно-элементных расчетных комплексов. Начинавшийся как система для внутреннего использования фирмы Westinghouse Electric, ANSYS проник из своей “материнской” области, ядерной энергетики, во все области промышленности, завоевав доверие многих тысяч пользователей по всему миру. Такой успех достигнут на основании следующих важнейших отличительных особенностей:

1. ANSYS – единственная конечно-элементная система с полным охватом явлений различной физической природы: прочность, теплофизика, гидрогазодинамика и электромагнетизм с возможностью решения связанных задач, объединяющих все перечисленные виды;

2. Широчайшая интеграция и двухсторонний обмен данными со всеми CAD / CAE / CAM – системами;

3. Открытость (то есть модифицируемость и дополняемость продукта);

4. Самый высокий показатель “эффективность/стоимость”;

5. Среди множества конечно-элементных программных комплексов ANSYS – первый и единственный, разработанный и сертифицированный согласно международным стандартам ISO 9000 и ISO 9001;

6. ANSYS предоставляет уникальную по полноте и самую обширную по содержанию современную систему справки и поддержки (help) на основе гипертекстового представления, доступ к которой осуществляется в интерактивном режиме online.

Так как геометрия конструкции представляет сложную графическую модель, для которой необходимо выполнить различного рода расчеты (собственных частот, drop-test), то для решения данной задачи будем использовать ANSYS.

Препроцессор ANSYS позволяет не только создавать геометрические модели собственными средствами, но импортировать уже готовые, созданные средствами CAD-систем. Надо отметить, что геометрическая модель в дальнейшем может быть модифицирована любым образом, поскольку при импорте осуществляется перетрансляция данных в геометрический формат ANSYS, и деталь не подменяется “неприкасаемой” конечно-элементной сеткой. Пользователь может удалять несущественные мелкие подробности, достраивать определенные детали, проводить сгущение/разрежение сетки и другие важнейшие операции, без которых дальнейшее решение может быть совершенно некорректно или вообще окажется недостижимым. Построение поверхностей, твердотельной и каркасной геометрии и внесение изменений осуществляется средствами собственного геометрического моделера.

Рисунок 1.2. Графические возможности ANSYS

Как уже отмечалось, ANSYS позволяет решать проблемы прочности, теплофизики, гидрогазодинамики, электромагнетизма совместно с расчетом усталостных характеристик и процедурами оптимизации. Единая система команд и единая база данных полностью исключают проблемы интеграции и взаимного обмена между указанными сферами. Более того, в программе использованы специализированные конечные элементы, имеющие, помимо перемещений и поворотов в узлах, степени свободы по температуре, напряжению и др., а также переключения типа элемента, например электромагнитного на прочностной. Благодаря этому, в программе реализованы уникальные возможности проведения связанного анализа. Оптимизация конструкции, таким образом, может вестись с учетом всего многообразия физических воздействий на нее.

2. Особенности компрессорно-конденсаторных агрегатов и их применение

В качестве расчетной модели была выбрана рама компрессорно-кондиционерного агрегата. Для того чтобы оценить и рассчитать модель, необходимо знать, каким нагрузкам подвержена конструкция и каков характер воздействия на несущую раму во время работы агрегата.

Компрессорно-конденсаторный агрегат позволяет осуществлять подготовку жидкого хладагента, который затем подается во внутренний блок кондиционера, то есть в его теплообменник. Схема компрессорно-конденсаторного блока состоит из компрессора, отделителя жидкости, ресивера, теплообменника, предохранительных элементов и деталей управленческой системы. Компрессорно-конденсаторные агрегаты используются и как самостоятельные устройства, которые обеспечивают функциональность кондиционеров центрального типа, и в качестве составной части систем кондиционирования воздуха сложной структуры.

Компрессорно-конденсаторные агрегаты по типу конденсатора можно разделить на два типа. Первый - это специализированные аппараты, изготовленные на основе чиллеров (компрессорно-конденсаторные блоки с водяным охлаждением). Второй - фактически обыкновенные внешние блоки мощных «сплит-систем» (компрессорно-конденсаторные блоки с воздушным охлаждением, приводится на рисунке 1.3).

Рисунок 1.3 Охладительная установка на основе компрессорно-кондиционерного агрегата

Монтаж компрессорно-конденсаторного блока с воздушным типом охлаждения должен производиться с обязательным учетом того, что такой агрегат будет «сбрасывать» при охлаждении огромное количество тепла в окружающий воздух, следовательно, необходимо учесть тепловое воздействие на конструкцию. Схема компрессорно-конденсаторного блока с воздушным охлаждением достаточно сложная, в отличие от агрегата с жидкостным охлаждением, который имеет, как правило, более простую конструкцию. Но при этом компрессорно-конденсаторный агрегат с охлаждением жидкостного типа требует использования специальной жидкости, которая является незамерзающей, либо проточной воды, что зачастую ограничивает их использование. 

Агрегаты подразделяют по типу компрессора на:

• открытые, в состав которых входит компрессор с внешним приводом и сальниковым уплотнением вала;

• бессальниковые, состоящие из компрессора и электропривода, находящихся в одном корпусе;

• герметичные, в которых компрессор и электродвигатель заключены в общий герметичный кожух.

Компрессорно-конденсаторный агрегат объединяет на общей несущей раме компрессор, ресивер, конденсатор, маслоотделитель и т.д. Сам агрегат можно размещать как на улице, так и в помещение. Для нормального функционирования воздушного конденсатора необходимо беспрепятственное поступление «свежего» воздуха, для решения данной проблемы самый простой способ установить конденсатор на улице, демонтировав его с общей несущей рамы, конденсатор устанавливается на фасаде либо крыше здания или непосредственно на крыше машинного отделения.

Анализируя конструкцию агрегата, необходимо учесть тот факт, что его рама подвержена различного рода нагрузкам и вибрациям. Особенно в случае размещения охладительной установки на движущихся механизмах. Следовательно, при разработке модели необходимо оценить прочностные характеристики рамы с целью ее оптимизации.

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью данного проекта является разработка полной геометрии и последующие частотный и прочностной расчеты рациональной конструкции рамы компрессорно-конденсаторного агрегата для систем кондиционирования, соответствующей заданным техническим условиям (по БМСЕ.632389.001ТУ):

1. Компрессорно-конденсаторный агрегат не должен иметь резонансов в диапазоне частот до 50 Гц, вызывающих нарушение его функциональности, разрушение конструкции;

2. Система должна быть прочной к воздействию ударных нагрузок с пиковым ударным ускорением 150 м/с² (15g) длительностью действия ударного ускорения 5-15 мс;

3. Система должна быть прочной и устойчивой к воздействию одиночных ударных нагрузок с пиковым ударным ускорением 196 м/с² (20g) (по ГОСТ РВ 20.39.304-98 750 м/с² (75g)) с длительностью действия ударного ускорения 1-5 мс;

4. Система должна сохранять работоспособность при воздействии пиковых ударных ускорений 147 м/с² (15g) с длительностью действия 5-10 мс, свойственных условиям транспортирования в составе объекта.

Так же габариты компрессорно-конденсаторного агрегата должны соответствовать размерам, установленным в соответствии с параметрами соответствующей системы охлаждения.

Для достижения данной цели необходимо решить следующий перечень задач:

1. Разработка полной трехмерной твердотельной модели компрессорно-конденсаторного агрегата;

2. Определение элементов конструкции, не влияющих существенно на распределение частот собственных колебаний компрессорно-конденсаторного агрегата. Разработка упрощенной геометрической трехмерной модели компрессорно-конденсаторного агрегата, соответствующей реальным параметрам конструкции;

3. Разработка спектра конечно-элементных моделей и выполнение расчетов собственных частот колебаний на их основе;

4. Выбор конструкции компрессорно-конденсаторного агрегата с частотными характеристиками, удовлетворяющими заданным техническим условиям, на основании полученных результатов расчета собственных частот конструкции;

5. Определение воздействия ударных нагрузок различного характера на выбранную конструкцию;

6. Рекомендации по выбору конструкции рамы компрессорно-конденсаторного агрегата с оптимальными показателями на основе проведенных расчетов;

3 РАЗРАБОТКА ТРЕХМЕРНОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ

Геометрия модели была разработана в пакете трехмерного моделирования COSMOS DesignSTAR 4.5. Следовательно, предварительно модель необходимо импортировать в среду ANSYS Workbench, где и будут производиться дальнейшие расчеты конструкции c помощью специализированных модулей (например, Frequency Finder, Fatigue Tool, Stress Tool). Особую важность представляет тот факт, что ANSYS позволяет экспортировать не только жестко заданную геометрию, разработанную в других средах трехмерного моделирования, но также дает возможность передавать уже заданные пользователем характеристики материала, из которого изготавливается модель. Кроме того, экспортируемая геометрия конструкции может быть изменена и дополнена, параметры разбиения на конечные элементы могут определяться и корректироваться уже в среде ANSYS.

3.1 Экспорт геометрии из COSMOS DesignSTAR 4.5

Одним из условий, накладываемых на раму, являются ее габариты. Разработанная трехмерная геометрия имеет ограничения пространством, в котором должен находиться компрессорно-конденсаторный агрегат в системе охлаждения. Предварительно, весь спектр исследуемых моделей был разработан в пакете трехмерного проектирования COSMOS DesignSTAR (Приводится на рисунке 3.1).

При построении трехмерной модели компрессорно-конденсаторного агрегата были использованы следующие виды элементов:

• Вытягивание (Элемент построения вытягивание применялся, когда для получения твердого тела необходимо вытянуть эскиз на определенное расстояние);

• Вращение (Элемент построения вращение применялся, когда для построения твердого тела необходимо вращать эскиз на заданный угол);

• Заметать вдоль направляющей (Элемент построения применялся при построении гидравлических шлангов, электрических жгутов и получения кривых форм);

• Отверстие (Элемент построения бобышка применялся при создании в твердых телах отверстий различных видов);

• Бобышка (Элемент построения бобышка применялся при построении шпилек ввариваемых в профиля рамы компрессорно-конденсаторного агрегата);

• Выделение (При необходимости произвести операции с гранью твердого тела применялась операция выделение);

• Блок (Операции блок применялись при построении призматических твердых тел с известными длинами сторон);

• Цилиндр (Операции цилиндр применялись при построении цилиндрических твердых тел с известной длины);

• Конус;

• Сфера.

Рисунок 3.1. Построение геометрии в COSMOSDesignSTAR 4.5

Т. к. подготовка трехмерной геометрии для дальнейшего расчета методом конечных элементов будет произведена в пакете трехмерного моделирования ANSYS Workbench, необходимо произвести экспорт полученной геометрии из COSMOSDesignSTAR 4.5. Для этого необходимо произвести следующие действия:

1. Открыть геометрию в COSMOSDesignSTAR 4.5;

2. Для экспорта геометрии в формат, который можно импортировать в ANSYS Workbench, необходимо выбрать в меню пункт Файл Сохранить как…(Рисунок 3.2);

Рисунок 3.2. Диалоговое окно «Сохранить как»

3. В раскрывающемся списке Save as Type выберем либо тип Parasolid Text(*.x_t), либо тип Parasolid Binary (*.x_b), как указано на рисунке 3.3;

Рисунок 3.3. Выбор типа файла для экспорта модели

4. Сохраним файл.

Экспорт геометрии из COSMOSDesignSTAR 4.5 закончен.

3.2 Импорт геометрии в ANSYS Workbench

Следующий этап – импорт геометрии в ANSYS Workbench. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

1. Загрузим ANSYS Workbench и создадим новый файл геометрии, зададим настройки измерения, как указано на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Создание геометрии и настройки единиц измерения

2. В пункте меню укажем File Import External Geometry File… (Рисунок 3.5);

Рисунок 3.5. Импорт файла в ANSYS Workbench

3. В появившемся диалоговом окне «Открыть» файл с типом Parasolid Binary (Рисунок 3.6) выберем экспортированный файл из COSMOSDesignSTAR 4.5 и загрузим его.

Рисунок 3.6. Диалоговое окно импорта

4. Сгенерируем импортированную геометрию в рабочей области (Рисунок 3.7 и 3.8):

Рисунок 3.7. Генерация импортированной модели

Рисунок 3.8. Полученная геометрия упрощенной конструкции компрессорно-конденсаторного агрегата

4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ

1. Требования, предъявляемые к конструкции рамы

Одним из важных требований представленных заказчиком – это покрытие конструкции рамы. Рама компрессорно-конденсаторного агрегата должна иметь следующее покрытие: Грунтовка ВЛ-02(1), Грунтовка АК-070(2), Эмаль ХС-5146.

Конструкция рамы должна быть изготовлена из профилей прочных как на изгиб, так и на кручение.

В качестве конструктивных элементов были выбраны:

1. Уголки стальные горячекатаные [30];

2. Швеллеры стальные горячекатаные [31].

Конструкция рамы компрессорно-конденсаторного агрегата сваривается сваркой по ГОСТ 5264-80 [33].

При изготовлении рамы необходимо учесть возможность натяжения ремня привода компрессора. Для этого в раму компрессорно-конденсаторного агрегата дополнительно ввариваются четыре шпильки, на которых крепится подвижная рама компрессора.

Натяжение ремня происходит по следующей схеме:

1. Необходимо отжать гайки крепления подвижной рамы компрессора;

2. Специальным винтом для натяжения рамы компрессора переместить раму в необходимое положения, чтобы обеспечить натяжение ремня;

3. Зажать гайки шпилек рамы компрессора.

Также в конструкции предусмотрены четыре рым-болта для удобного монтажа компрессорно-конденсаторного агрегата. Три рым-болта использованы стандартного исполнения, четвертый организован в виде оси вваренной в швеллер. Расположение рым-болтов в крайних точках компрессорно-конденсаторного агрегата.

2. Выбор расчетной схемы

В процессе разработки геометрической модели был получен полный вид компрессорно-конденсаторного агрегата (Рисунок 4.1).

Рисунок 4.1. Пространственная модель компрессорно-конденсаторного агрегата

Для создания конечно-элементной модели необходимо было геометрию, полученную в пакете трехмерного моделирования, экспортировать из COSMOSDesignStar в Ansys Workbench.

Для облегчения создания конечно-элементной модели на основе созданной геометрической модели произведены следующие упрощения:

1. Гидравлические и электрические элементы типа жгутов и шлангов исключены из расчетной схемы (Рисунок 4.2);

Рисунок 4.2. Вид компрессорно-конденсаторного агрегата без шлангов и жгутов

2. В ходе анализа конструкции было замечено, что расположение мест крепления конденсатора находится непосредственно над местами крепления самой рамы компрессорно-конденсаторного агрегата. Таким образом, конденсатор не будет влиять на распределение частот собственных колебаний всей конструкции. Решено конденсатор исключить из расчетной схемы (Рисунок 4.3).

При задании граничных условий будем учитывать, что места крепления для разного вида конструкции имеют различные расположения, поэтому в процессе расчета будет необходимо производить построение новых мест крепления.

Рисунок 4.3. Готовая упрощенная модель для экспорта из COSMOSDesignStar в Ansys Workbench

5 РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ И ФОРМ КОЛЕБАНИЙ КОНСТРУКЦИИ

5.1 Целесообразность определения собственных частот

Необходимость в расчете собственных частот и соответствующих им форм колебаний нередко возникает при анализе динамического поведения конструкции под действием переменных нагрузок. Наиболее распространена ситуация, когда при проектировании требуется убедиться в малой вероятности возникновения в условиях эксплуатации такого механического явления, как резонанс. Как известно, суть резонанса за­ключается в значительном (в десятки раз и более) усилении амплитуд вынужденных колебаний на определенных частотах внешних воздействий — так называемых резонансных частотах. В большинстве случаев возникновение резонанса является крайне нежелательным в плане обеспечения надежности изделия явлением. Многократное увеличение амплитуд колебаний при резонансе и вызываемые этим высокие уровни напряжений — одна из основных причин выхода из строя изделий, эксплуатируемых в усло­виях вибрационных нагрузок. Для защиты от резонансных воздействий можно использовать различные механические устройства, которые принципиально меняют спектральные характеристики конструкции и поглощают энергию колебаний (например, виброизоляторы). Однако есть и другой эффективный способ противодействия резонансам. Известно, что резонансы наблюдаются на частотах, близких к частотам собственных колебаний конструкции. Если при проектировании изделия имеется возможность оценить спектр собственных частот конструкции, то можно со значительной долей вероятности прогнозировать риск возникновения резонансов в известном диапазоне частот внешних воздействий. Во избежание или для значительного уменьшения вероятности появления резонансов необходимо, чтобы большая часть нижних собственных частот конструкции не лежала в диапазоне частот внешних воздействий. В этом случае можно обойтись без применения специальных виброизолирующих систем. Но для оптимизации спектра собственных частот конструкции прежде всего необходимо оценить эти частоты на этапе проектирования изделия. Именно эту функцию и выполняет модуль частотного анализа системы ANSYS Workbench – Frequency Finder. Модуль позволяет на этапе проектирования оценить спектр собственных частот конструкции. Далее разработчик может оптимизировать конструктивные параметры изделия таким образом, чтобы вывести большую часть собственных частот из рабочего диапазона вибровоздействий.

В данном проекте произведен частотный анализ конструкции рамы компрессорно-конденсаторного агрегата. Если собственные частоты рамы не попадут в рабочий диапазон частот вращения, обеспечиваемый приводом, то можно быть уверенным в отсутствии резонансных явлений в работе механизма. Конструкция, на примере которой мы иллюстрируем работу с модулем частотного анализа, представляет собой сборочную трехмерную модель и состоит из нескольких отдельных твердотельных деталей.

Рассмотрим общий порядок выполнения расчета собственных частот в системе конечно-элементного моделирования ANSYS Workbench.