Основы проектирования машин / ВВЕДЕНИЕ_

ВВЕДЕНИЕ

Механической системой называется такая совокупность твердых тел, в которой положение (движение) каждого элемента определяется положением (движением) остальных.

Совокупность механических систем образует бесчисленное множество конструкций, машин, механизмов и различных вспомогательных устройств.

Механическая система геометрически неизменных элементов называется конструкцией. Перемещение отдельных точек конструкции возможно лишь в результате деформации системы.

Машина - устройство, выполняющее преобразование движения, энергии, материалов и информации. В зависимости от функций, которые они выполняют, машины подразделяются на энергетические, транспортные, технологические, информационные и специальные.

Часть машины, преобразующая движение одного или нескольких тел в требуемое движение других тел, называется механизмом. Твердое тело, входящее в состав механизма, носит название звена. Механизм состоит из следующих звеньев: входного, которому сообщается преобразуемое в дальнейшем механизмом движение, промежуточных и выходного, которое и совершает требуемое от механизма движение.

Звенья бывают неподвижные (которые не перемещаются в процессе работы механизма) и подвижные (перемещающиеся). Подвижное соединение звеньев называется кинематической парой. Звенья кинематической пары допускают относительное движение, которое можно характеризовать числом степеней свободы, равным числу возможных независимых перемещений данной механической системы.

Кинематической цепью называется система звеньев, образующих кинематические пары. Кинематические цепи подразделяются на плоские и пространственные. В плоской цепи все звенья совершают движение, параллельное одной и той же неподвижной плоскости.

Элемент механической системы, изготовленный из материала одной марки без применения сборочных операций, называется деталью. Деталь представляет собой общее понятие, которое в каждом конкретном случае можно уточнить соответствующем названием.

Узел (сборочная единица) - комплекс деталей, собранных посредством сборочных операций отдельно от других составных частей и совместно выполняющих определенные функции. Совокупность простейших узлов образует более сложное механическое устройство, такое как сложный узел, механизм, машина и т. д.

Машина, как правило, состоит из сотен, тысяч и даже миллионов отдельных деталей, и выход из строя хотя бы одной из них может привести к прекращению работы машины в целом. Это обстоятельство требует от разработчика глубоких знаний и практического опыта при принятии конструкторских решений. Кроме того, сегодня невозможно создать надежную конкурентоспособную конструкцию машины без использования компьютерных методов анализа, которые позволяют определить ее основные геометрические размеры и сделать выбор материалов.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ И МЕХАНИЗМАМ

Как отдельные детали и узлы любой машины, так и машина в целом должны удовлетворять следующим требованиям: работоспособности, надежности, технологичности, экономичности и эргономичности.

Работоспособными называются детали, выходные параметры которых удовлетворяют условиям, оговоренным при их конструировании.

Надежность - способность детали сохранять свои выходные параметры в установленных пределах в течение заданного промежутка времени.

Технологичными называются детали, затраты средств, времени и труда на изготовление которых минимальны.

Экономичность деталей определяется затратами на ее проектирование, изготовление и последующую эксплуатацию. Для обеспечения экономичности прежде всего следует добиваться снижения материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства.

Наконец, детали должны быть эргономичными, т.е. иметь современные эстетичные формы и отделку, а также обеспечивать удобство в обращении при их эксплуатации и техническом обслуживании.

Оптимальное удовлетворение совокупности описанных выше требований, которые к тому же зачастую противоречат друг другу, и определяет как квалификацию конструктора, так и уровень проектирования в целом.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для практического выполнения указанных требований необходимо перейти от конкретной детали к ее модели. При этом точность определения характеристик детали существенно зависит от ее адекватности модели. Дадим краткое описание моделей, принимаемых при выполнении расчетов.

Модель материала. При выполнении статических расчетов материал (если противное не оговорено особо) представляется как однородная сплошная среда, обладающая изотропными свойствами. Изотропия свойств предполагает постоянство характеристик материала по любому направлению внутри него. Эта модель хорошо

описывают металлические материалы, работающие в упругой зоне, однако для композиционных материалов оказывается неприемлемой.

Важными физическими свойствами материалов с точки зрения машиностроения являются упругость, пластичность и ползучесть.

Упругость - свойство материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки. Пластичность - свойство материала частично сохранять деформацию после снятия нагрузки. Ползучесть - свойство материала увеличивать деформацию со временем при постоянной нагрузке.

Модель формы. В ряде случаев форма детали оказывается сложной, и ее упрощение (без существенной потери степени адекватности реальной детали) может значительно облегчить выполнение необходимых расчетов.

Наиболее часто в качестве моделей формы используют брусья, стержни, балки, пластины, оболочки и т. д. Справедливости ради заметим, что такое упрощение оказывается не всегда оправданным, но в ряде случаев приводит к удовлетворительным результатам.

Брус - твердое тело, один из размеров которого значительно больше двух других. Геометрически брус получается параллельным перемещением плоской геометрической фигуры вдоль одной из осей.

Стержнем называется брус, который нагружается силами растяжения либо сжатия. Совокупность стержней, соединенных шарнирами, образует ферменную конструкцию. Если же брус в процессе нагружения преимущественно изгибается, то он называется балкой. Совокупность балок, жестко соединенных между собой, носит название рамы.

Оболочка - тело, образованное двумя геометрически подобными и близко расположенными поверхностями. Если этими поверхностями являются параллельные плоскости, то мы имеем дело с пластиной.

С математической точки зрения твердое тело при моделировании наиболее строго можно описать как совокупность геометрически подобных элементов, связанных между собой таким образом, что они образуют структуру, близкую по форме к моделируемому объекту. Такой прием составляет основуметода конечных элементов (МКЭ). В этом случае форма детали моделируется достаточно точно. В качестве конечных элементов при решении плоских конечно-элементных задач обычно используются стержни, треугольники, квадраты и т. д., а в случае моделирования объемов - кубы, тетраэдры, призматические элементы и т. п.

В подавляющем большинстве случаев при формировании модели учет макро- и микро геометрии поверхностного слоя не производится. Иногда это может привести к существенным ошибкам, что заставляет разработчиков, особенно при построении объемных моделей, учитывать наличие неоднородного поверхностного слоя. При этом следует отметить, что микро геометрия определяется чистотой обработки поверхности, а макро геометрия описывается допуском на погрешность формы поверхности.

Модели нагружения. Внешнее воздействие на отдельную деталь либо конструкцию в целом условно можно представить как действие таких силовых факторов, как:

•сосредоточенная сила;

•сосредоточенный момент;

•сила, распределенная по длине;

•сила, распределенная по площади;

•момент, распределенный по длине;

•момент, распределенный по площади;

•объемная нагрузка;

•массовая нагрузка.

Под нагружением моментом понимается действие на объект пары параллельных сил. Массовыми называются силы, действующие на частицы материала, например, инерционные, силы тяжести и т. д.

Если нагрузка остается постоянной во времени, то она называется статической, в противном случае - переменной. Переменное нагружение может быть регулярным и нерегулярным (случайным). При регулярном изменении нагрузки она характеризуется периодическим законом изменения, а нерегулярное нагружение описывается случайной функцией.

Модель закрепления. Под закреплением понимается ограничение числа степеней свободы точки закрепления.

Принятые модели можно использовать для комплексного анализа элементов механических систем. В большинстве случаев такой анализ выполняется для геометрически определенных размеров деталей. Задача конструктора при этом сводится к проверке обоснованности принятых параметров, а серия расчетов называется проверочными расчетами. Проверочные расчеты удобно выполнять с помощью современных программных средств. Наибольший эффект получается при использовании параметризованных компьютерных программ, что позволяет без больших затрат изменять параметры модели, добиваясь тем самым определения наилучших конструктивных соотношений.

В отдельных случаях удается исходя из условий нагружения, а также кинематических, динамических и других параметров с достаточной степенью точности прогнозировать основные геометрические размеры. Такие расчеты в дальнейшем называются проектировочными. Для проектировочных расчетов необходимо знать аналитические зависимости, связывающие между собой основные параметры, которые можно разрешить относительно любой из анализируемых переменных.

Анализ выполняется по ряду критериев. Если удается ряд расчетных критериев привести к одному объединенному, то он рассматривается как функция цели. Оптимизацией называется процедура минимизации целевой функции. Наиболее часто в механике машин и конструкций в качестве параметров оптимизации принимаются вес, габаритные размеры, стоимость и т. д. Иногда задачу оптимизации приходится решать с ограничениями, т. е. выполнять ряд дополнительных условий.

Очевидно, что конструкция, полученная посредством оптимизации, является наилучшей, а сам процесс оптимизации является необходимым инструментом создания конкурентоспособных машин.

В заключение перечислим обозначения и размерности основных физических величин, которые используются везде в дальнейшем, если нет других конкретных указаний. Это сделано для того, чтобы избежать путаницы при выводе аналитических зависимостей и возможных повторов в тексте.