58

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.