¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

16 августа 2016

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SOLIDWORKS

ћ. Ўаломеенко, ј. јл€мовский, к.т.н., SOLIDWORKS RUSSIA

¬ статье использованы материалы, полученные в результате совместной де€тельности с јЌѕѕ Ђ“емп-јвиаї, јќ Ђ√–ѕ«ї, ќјќ Ђ онцерн Ќѕќ јврораї
  радиоэлектронному оборудованию предъ€вл€ютс€ жЄсткие требовани€ по сохранению функциональных характеристик в заданном диапазоне эксплуатационных нагрузок, особенно дл€ изделий высокотехнологичных отраслей промышленности. — целью изучени€ поведени€ изделий –Ёј в динамике, на этапе конструкторской разработки провод€тс€ соответствующие исследовани€ расчЄтных моделей на действие синусоидальной и случайной вибрации, ударное нагружение и другие эксплуатационные нагрузки. »сследовани€ воспроизвод€т реальные испытани€, выполн€емые согласно нормативам. Ёто позвол€ет оценить уровень напр€жЄнно-деформированного состо€ни€, ускорений, скоростей элементов модели в динамике и, при необходимости, оперативно внести изменени€ в конструкцию издели€.

–ассмотрим характерные задачи, возникающие у производителей аппаратуры на стадии подготовки проекта издели€ и требующие предварительной оценки вибропрочности и виброустойчивости. »х объедин€ет наличие расчЄтной модели издели€, на основе которой выполн€ютс€ исследовани€. ѕредложенные методики реализации подобных задач в модуле SOLIDWORKS Simulation позвол€ют получить результаты, хорошо согласующиес€ с экспериментальными данными.

ќтметим, что модуль SOLIDWORKS Simulation приобрел попул€рность в среде инженеров-расчЄтчиков как средство дл€ анализа именно радиоэлектронных приборов. Ётому в немалой степени способствуют публикации специалистов нашей компании и пользователей о выполненных исследовани€х.  ак правило, дл€ деформируемых конструкций, где все компоненты неразрывно св€заны друг с другом, процесс постановки и выполнени€ исследовани€ не вызывает затруднений, благодар€ удобному интерфейсу и прозрачному функционалу. ¬ случа€х, когда в устройствах присутствуют подвижные элементы, в том числе с подшипниковыми узлами или сайлент-блоками, требуютс€ специфические методики построени€ расчЄтной модели. ќдним из примеров таких устройств €вл€етс€ представленный ниже прибор.

ѕроект предусматривал проведение вибрационных и ударных исследований устройства, содержащего подвижные узлы в подшипниковых опорах, обеспечивающих вращательные степени свободы в двух взаимно перпендикул€рных плоскост€х (рис. 1).

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 1. ќбщий вид и разрез расчЄтной модели прибора (внутренние компоненты скрыты)

–азработчик представил конструкторскую модель, котора€ была адаптирована дл€ выполнени€ конечно-элементного анализа. ƒоработки состо€ли в упрощении геометрии деталей (удаление внешних скруглений и фасок), исключении взаимного проникновени€ деталей и ликвидации зазоров, не вли€ющих на общую прочность и жЄсткость конструкции. –ешались вопросы, св€занные с адекватным моделированием скольз€щих посадок и малых зазоров. –€д компонентов, представл€ющих собой сосредоточенные массы, были преобразованы в удалЄнные, что позволило сократить общую размерность конечно-элементой модели. ¬ местах наибольшей податливости конструкции и на сложной геометрии деталей сетка конечных элементов уплотн€лась.

ћодели подшипников с телами качени€ были заменены на упрощЄнные (с гладкими кольцами без тел качени€ и сепараторов) с имитацией виртуальными соединител€ми ѕодшипник, обладающими жЄсткост€ми в радиальном и осевом направлени€х (рис. 2). Ёти соединители позвол€ют управл€ть также стабилизацией вращени€ вала (воспроизводитс€ мала€ жЄсткость, преп€тствующа€ свободному вращению в отсутствие внешних сил), а также примен€ть самовыравнивание (незначительную изгибную жЄсткость) дл€ шариковых подшипников.

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 2. «амена модели реального подшипника виртуальным аналогом

 ак правило, системы с реальными подшипниками демонстрируют нелинейную реакцию на внешние нагрузки за счЄт посадок и несовпадени€ радиусов шариков и канавок, что может про€витьс€ в рассогласовании расчЄта и эксперимента. ѕоэтому рекомендуетс€ проводить уточнение характеристик жЄсткости виртуальных подшипников с учЄтом экспериментальных данных при конкретных услови€х работы.

ѕомимо виртуальных подшипников в данном проекте были исследованы модели с соединител€ми ѕружина (рис. 3), прикреплЄнными к кольцам, что позволило получить более точную оценку собственных частот, соответствующих кинематическим модам прибора именно при гармонических нагрузках.

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 3. —оединитель Ђѕружинаї

ƒл€ реализации болтовых и винтовых соединений в расчЄтных модел€х линейной динамики, подразумевающей отсутствие нелинейностей, могут примен€тьс€ соединители Ўтифт. ќни обеспечивают жЄсткую св€зь граней смежных отверстий и обладают осевыми и крутильными жЄсткост€ми.

¬ результате дл€ проведени€ динамического анализа прибора была сгенерирована конечно-элементна€ модель (рис. 4).

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 4.  онечно-элементна€ модель прибора

ƒл€ расчЄтных случаев созданы исследовани€ Simulation на действие гармонической вибрации с амплитудой ускорени€ 0,5 g в диапазоне 5Е2000 √ц и одиночного удара с ускорением 75 g в интервале 1Е5 мс. ¬се исследовани€ проводились по трЄм направлени€м осей.

Ќа первом этапе решалась задача нахождени€ собственных форм и частот издели€ Ц функционал программы позвол€ет преобразовать частотные модели в динамические с сохранением сетки и результатов по частотам.  ак ожидалось, первые собственные формы соответствовали кинематическим модам движени€ вращающихс€ узлов (рис. 5).

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 5. —обственные формы прибора, соответствующие кинематическим модам

ƒеформационные собственные формы определ€ютс€ жЄсткостью конструктивных элементов (рис. 6) и св€зей (мы не приводим численных значений частот и некоторых других параметров).
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 6. —обственные формы прибора, соответствующие деформационным модам

Ќаиболее востребованными результатами €вл€ютс€ напр€жени€, перемещени€ и ускорени€ конструкции и их отклики. “ак, дл€ случа€ синусоидальной вибрации в направлении оси Z, диаграммы эквивалентных напр€жений, перемещений и ускорений по оси Z, а также графики амплитудно-частотных характеристик дл€ характерных точек прибора представлены на рисунках 7Е10.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 7. Ёквивалентные напр€жени€ по ћизесу

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 8. ѕеремещени€ по оси Z

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 9. ”скорени€ по оси Z

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 10. √рафик ј„’ в характерных точках

јналогичный комплект результатов (кроме, естественно, ј„’) формируетс€ при анализе однократного удара, где параметры €вл€ютс€ функцией времени.

¬ дальнейшем результаты динамических исследований могут быть использованы дл€ оценки усталостной прочности. »сходными данными дл€ усталостных расчЄтов будут значени€ напр€жений, полученные в гармоническом или модальном исследовани€х и соответствующие интересующей частоте или моменту времени. »тогом динамических исследований прибора €вл€етс€ сравнение собственных частот и ускорений, рассчитанных в модели Simulation, с экспериментальными значени€ми, полученными при вибрационных испытани€х опытного образца. ќтносительна€ погрешность составила не более 15 %.

ƒругим примером использовани€ Simulation в динамическом анализе механических систем €вл€етс€ расчЄт параметров резонанса антенны радиолокационной станции (рис. 11).

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 11. √еометрическа€ модель антенны

¬ конструкции антенны присутствуют две группы подшипников. ѕерва€ содержит два подшипника с вертикальной осью и два Ц с горизонтальной, которые обеспечивают повороты корпуса с отражателем в горизонтальной и вертикальной плоскост€х соответственно. Ёти подшипники €вл€ютс€ радиально-упорными со скосом на внутренней обойме (рис. 12).
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 12. ѕодшипники узла ориентации антенны

ѕодшипники второй группы, св€зывающие участки волноводов, €вл€ютс€ нестандартными и состо€т из четырЄх незамкнутых колец, помещЄнных в квадратные кольцевые пазы и заполненных шариками (рис. 13).
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 13. Ќестандартные подшипники волноводов

 ак и в случае вышеописанного прибора, все подшипники были заменены виртуальными аналогами, дл€ которых параметры радиальных и осевых жЄсткостей были получены численной оценкой расчЄтных моделей средствами Simulation (рис. 14, 15). — учЄтом того, что конструктивные зазоры между элементами здесь отсутствуют, расчЄтные значени€ жЄсткостей будут несколько завышены, а общий характер реакции будет линейным.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 14. –асчЄтные модели дл€ оценки жЄсткости подшипников узла ориентации

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 15. –асчЄтные модели дл€ оценки жЄсткости подшипников волноводов

ѕоворот и стабилизаци€ антенны в двух плоскост€х осуществл€етс€ посредством электромагнитного привода, состо€щего из двух пар роторов и статоров, исходные модели которых показаны на рисунке 16.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 16. Ёлементы электромагнитного привода

¬ реальной конструкции жЄсткость привода при кручении, обусловленна€ реактивным моментом, €вл€етс€ известной величиной. ƒл€ еЄ имитации в расчЄтной модели наиболее подход€щими будут ѕружины (рис. 17), которые в Simulation могут воспринимать как осевую силу, так и крут€щий момент.  рутильные жЄсткости каждой пружины были подобраны посредством численного эксперимента.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 17. «амена привода пружиной

√еометрическа€ модель антенны, адаптированна€ дл€ расчЄта, показана на рис. 18.  ак видно, сохранена больша€ часть объектов, вли€ющих на массово-инерционные характеристики и жЄсткость. Ќекоторые детали и узлы убраны из рассмотрени€ с последующей компенсацией тем или иным способом.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 18. √еометрическа€ модель антенны, адаптированна€ дл€ расчЄта

„асть деталей, не вли€ющих на жЄсткость относительно рассматриваемых резонансных форм, заменены ”далЄнными массами (рис. 19), что сохранило в модели не только их массы, но и моменты инерции.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 19. ”далЄнные массы в модели

Ёлементы крепежа (болты, винты, гайки, шайбы) рационально заменить условностью –аспределЄнна€ масса (рис. 20). ќна также пригодна дл€ имитации отсутствующего в исходной модели наполнени€ радиоэлектронного модул€. Ёта сущность используетс€ и дл€ компенсации подшипников (их массовых характеристик), поскольку фактически они были исключены из модели с последующим вводом виртуальных аналогов.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 20. «амена объектов распределЄнными массами

ƒл€ достаточно жЄстких (относительно смежных деталей) объектов корпуса сложной формы, наполненных некоторой начинкой, наилучшим решением €вл€етс€ использование сущности ƒистанционна€ масса (рис. 21), котора€ делает присоединЄнные грани идеально жЄсткими и соедин€ет их в единое недеформируемое целое. ѕри этом массово-инерционные характеристики объекта извлекаютс€ непосредственно из модели в SOLIDWORKS.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 21. «амена модул€ дистанционной массой

»тогом подготовки расчЄтной модели антенны стала еЄ конечно-элементна€ аппроксимаци€ (рис. 22).
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис.22.  онечно-элементна€ модель антенны

—обственные частоты и соответствующие им формы показаны на рисунках 23Е25.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 23. —обственные частоты модели антенны

 ак видно, первые две частоты имеют близкие значени€ и соответствуют кинематическим модам, которые образованы вращением корпуса с отражателем относительно неподвижной части конструкции (рис. 24).
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 24.  инематические моды антенны

“реть€ и восьма€ собственные формы (рис. 25) обусловлены деформацией (изгибом) волновода, имеющего вертикальные и горизонтальные колена в продольном и поперечном направлени€х. „етвЄрта€, п€та€ и шеста€ получаютс€ из-за перекашивани€ корпуса и изгибно-крутильной деформации отражател€, а седьма€ обусловлена изгибом отражател€ по одной (схлопывание) и двум волнам в горизонтальной плоскости.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 25. ƒеформационные моды антенны

≈щЄ один класс задач динамики, где желательно использовать численное моделирование до проведени€ затратного натурного эксперимента, €вл€етс€ расчЄт виброизолированных (амортизированных) систем, когда следует учитывать свойства демпферов и податливость объекта. Ѕолее того, современные методы моделировани€ допускают включение в расчЄтную модель оснастки, если еЄ жЄсткость сопоставима с изделием. ѕример характерной модели показан на рис. 26.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 26. –асчЄтна€ геометрическа€ модель приспособлени€ с испытываемым объектом

≈сли проводитс€ испытание на удар синусоидальным импульсом, как показано на рис. 27, то помимо собственных форм и частот (рис. 28) доступны отклики характерных точек по ускорени€м (рис. 29), реакции в возбуждаемых опорах (рис. 30), а также Ђтрадиционныеї перемещени€, ускорени€ и напр€жени€.
’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 27. ¬озбуждение основани€ ускорением с синусоидальным профилем

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 28. ѕерва€ и втора€ собственные формы

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 29. ќтклик по продольным ускорени€м в узлах амортизатора и в вершине на основании

’арактерные задачи динамики аппаратуры в среде SW

–ис. 30. —ила реакции и еЄ компоненты в момент времени, соответствующий максимальной силе


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: Ѕумажный isicad.ru?
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

T-FLEX PLM: к замене иностранных CAD-систем готов! — »горь  очан, директор по маркетингу «јќ Ђ“оп —истемыї (14 августа 2017)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2017 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.