Как в комплексе T-FLEX интегрируются CAD и CAE: практический пример

Введение

T-FLEX Анализ — это интегрированная с T-FLEX CAD среда конечно-элементных расчётов. Используя T-FLEX Анализ, пользователь системы T-FLEX CAD имеет возможность осуществлять математическое моделирование распространённых физических явлений и решать важные практические задачи, возникающие в повседневной практике проектирования. На рисунке представлена обобщенная структурная схема системы T-FLEX Анализ:

Весы для определения массы автомобилей хорошо известны своей сложностью и высокими требованиями к точности результатов. Такие весы можно увидеть в местах, где движение транспортных средств ограничено их фактической массой — например, вблизи мостов и других дорожных сооружений (эстакады, путепроводы, ледовые переправы и т.д.). Система позволяет точно и оперативно проверять каждое транспортное средство, проходящее через весы, и определять нагрузку на оси, массу, габариты и прочие характеристики. Пренебрежительное отношение к соблюдению условий перевозки крупногабаритных и тяжеловесных грузов приводит к выходу из строя искусственных сооружений и преждевременному разрушению дорожного покрытия.

Исходные данные для решения задачи

При проектировании конструкции учитывались следующие требования:

• предел измерения прикладываемой нагрузки — от 0,2 до 20 т;
• погрешность измерения нагрузки — не более 3,0%;
• вес измерительной платформы — не более 500 кг;
• температура окружающей среды для измерительной платформы — от –40 до +50 °С;
• основной режим работы — непрерывный: платформа устанавливается в дорожное полотно вровень с дорожным покрытием;
• электропитание системы осуществляется от внутренних источников компьютера.

Проектирование конструкции в T-FLEX CAD, использование параметризации

Рис. 1. 3D-модель конструкции дорожных весов

Рис. 2. Сборочный чертеж конструкции

Модель была выполнена параметрической, что позволило довольно быстро оптимизировать массу изделия и подготовить данные для конечно-элементного анализа конструкции.

Расчет конструкции на прочность и расчет перемещений упругих элементов в T-FLEX Анализ

Весы устанавливаются в полосе движения в один уровень с дорожным покрытием. Поток транспортных средств перемещается по полосе: каждое транспортное средство проезжает по установленным в полосе дорожным весам. При этом осуществляется измерение веса движущегося транспортного средства. Рабочие нагрузки действуют на площадь, соответствующую ширине колеи транспортного средства. Все расчеты выполнены в предположении, что измерение веса происходит в момент полного заезда одной из осей транспортного средства на измерительную платформу. Рассмотрен статический режим нагружения конструкции дорожных весов. Поверочный расчет усталостной прочности выполнен для элементов конструкции весов с минимальным коэффициентом запаса прочности (К.П.З.).

Для расчетов на основе ранее спроектированной 3D-модели была подготовлена оптимизированная конечно-элементная модель. Схема и условия нагружения измерительной платформы показаны на рис. 3.

Рис. 3. Схема нагружения измерительной платформы

Внешняя нагрузка, эквивалентная максимальному весу грузового автомобиля КАМАЗ, то есть 20 т, равномерно прикладывается к площадям, имитирующим пятна контакта передних либо задних колес (случай предельного нагружения). Также принимаем, что на переднюю либо заднюю ось действует нагрузка, равная 13 т. Ширина колеи автомобиля КАМАЗ составляет 2,1 м.

Площадь пятна контакта колеса рассчитывалась по формуле:

S = F/P

где S — площадь пятна контакта, м²;

F — сила, приложенная к этой площади, Н; F = F_max = 65 000 Н;

P — давление в колесе, Н/м²; P = 73Ѕ104 Н/м².

Получаем, что площадь пятна контакта S = 8692х10⁵ м².

При ширине колеса 0,26 м и площади пятна контакта S = 8692х105 м2 расчетное пятно контакта принимается в виде прямоугольной области длиной 0,342 м и шириной, равной ширине колеса, то есть 0,26 м.

Расчеты проводились для конструкции из сталей разных марок; результаты приведены на рис. 4-6.

Рис. 4. Коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям измерительной платформы, материал — сталь 12Х18Н10Т; К.З.П. = 0,9859

Рис. 5. Коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям измерительной платформы, материал — сталь 09Г2С; К.З.П. = 1,587

Рис. 6. Коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям измерительной платформы, материал — сталь 30ХГСА; К.З.П. = 2,263

Оптимизация конструкции изделия на основании расчетных данных в T-FLEX CAD и T-FLEX Анализ

Упругие элементы должны быть установлены таким образом, чтобы перемещение каждого из элементов в точке А (см. рис. 7) было одинаковым. Это достигается путем изменения ширины упругого элемента. Таким образом, каждый упругий элемент является уникальным и имеет собственную ширину.

Рис. 7. Расчетная модель упругого элемента

Рис. 8. График зависимости перемещения упругого элемента от порядкового номера упругого элемента

y = A4x4 + A3x3 + A2x2 + A1x + A0 , где y — ширина упругого элемента; x — порядковый номер упругого элемента.

На основании полученных данных в модель измерительной платформы, выполненной в T-FLEX CAD, были внесены изменения — значения ширины упругих элемен тов конструкции были взяты из расчетных данных (рис. 9).

Рис. 9. Измерительная платформа новой конструкции

Подготовка комплекта конструкторско-технологической документации для изготовления опытного образца

Рис. 10. Конструкторско-технологическая документация

Изготовление опытного образца

Рис. 11. Опытный образец измерительной платформы

Рис. 12. Конечно-элементная модель конструкции

Рис. 13. Результат расчета системы T-FLEX Анализ

Заключение

Системы полностью соответствуют требованиям государственных стандартов и правил, относящихся как к оформлению конструкторской документации, так и расчетных алгоритмов.

Таким образом, применение программного комплекса T-FLEX ведет к существенному снижению трудозатрат, позволяет сократить сроки проектирования и значительно уменьшает вероятности ошибок при проектировании.

Подробнее о системе T-FLEX Анализ и комплексе T-FLEX — на сайте компании Топ Системы.