IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ВЕРХНЕЙ ПЛАТЫ СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ НА ОСНОВЕ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА
КомментарииПолная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Силоизмерительная платформа (рис.1) - это измерительный комплекс, состоящий из следующих устройств: верхняя плата 2 с тензо- или пьезодатчиками 1, преобразующими механические деформации в электрические сигналы; соединительные кабеля 3, блок электронных усилителей 4; регистрирующей аппаратуры.
Силоизмерительные платформы широко применяются для измерения сил и моментов, передаваемых техническими устройствами на корпус прибора.
Для обеспечения надежности конструкции платформы необходимо правильно выбрать материал верхней платы, так как именно на нее приходится основная нагрузка при эксплуатации. Для этого был проведен прочностной анализ верхней платы на основе ее 3D модели. Основная цель данного анализа - оценка напряженного состояния верхней платы, находящейся под действием статических силовых воздействий.
Анализ проводился для верхней платы как без ребер жесткости - вариант 1 (рис.2 а), так и с ребрами жесткостями - вариант 2 (рис.2 б). Заданное значение нагрузки на платформу не более 3 kH. В качестве материала для верхней платы был выбран алюминиевый сплав 2018, а также углепластик на основе эпоксидного связующего с непрерывными углеродными волокнами.
В таблицах 1 и 2 представлены результаты анализа.
Таблица 1 Результаты статического анализа для варианта 1 (рис.2а)
|
Величина нагрузки, kH |
Материал |
Деформации эквивалентные, м |
Коэф-т запаса по эквивалентным напряжениям |
Напряжения эквивалентные, Н/м2 |
Перемещения, модуль, м |
||||
|
Мах |
Min |
Max |
Min |
Max |
Min |
Max |
Min |
||
|
3 |
Сплав 2018 |
1.3·10-4 |
2.8·10-7 |
41.04 |
1.9·104 |
1.1·107 |
2.4·104 |
1.6·10-4 |
0 |
|
Углепластик |
6.1·10-11 |
1.1·10-13 |
1.8·108 |
1.1·104 |
1.2·107 |
1.8·104 |
8.2·10-11 |
0 |
|
|
4 |
Сплав 2018 |
1.7·10-4 |
3.8·10-7 |
30.78 |
1.4·104 |
1.4·107 |
3.2·104 |
2.1·10-4 |
0 |
|
Углепластик |
8.2·10-11 |
1.4·10-13 |
1.4·108 |
8.1·1010 |
1.5·107 |
2.5·104 |
1.1·10-9 |
0 |
|
Таблица 2 Результаты статического анализа для варианта 2 (рис.2б)
|
Величина нагрузки, kH |
Материал |
Деформации эквивалентные, м |
Коэф-т запаса по эквивалентным напряжениям |
Напряжения эквивалентные, Н/м2 |
Перемещения, модуль, м |
||||
|
Мах |
Min |
Max |
Min |
Max |
Min |
Max |
Min |
||
|
3 |
Сплав 2018 |
1.7·10-4 |
4.3·10-7 |
30.7 |
1.2·104 |
1.4·107 |
3.6·104 |
1·10-4 |
0 |
|
Углепластик |
8.3·10-11 |
1.7·10-13 |
1.3·108 |
6.7·1010 |
1.5·107 |
2.9·104 |
5.5·10-11 |
0 |
|
|
4 |
Сплав 2018 |
2.3·10-4 |
5.7·10-7 |
23.01 |
9204 |
1.9·107 |
4.8·104 |
1.5·10-4 |
0 |
|
Углепластик |
1.1·10-10 |
2.2·10-13 |
1.1·108
|
5.1·1010 |
2·107 |
3.9·104 |
7.4·10-11 |
0 |
|
Используя полученные данные и опираясь на условие прочности, произведем оценку напряженного состояния верхней платы.
Условие прочности: напряжения , возникающие в конструкции, под действием приложенных к ней внешних сил должны быть меньше допускаемых напряжений для данного конструкционного материала с учётом поправочного коэффициента запаса по прочности: .
Поправочный коэффициент запаса для алюминиевого сплава 2018 равен Кзап=2.4, допустимое предельное напряжение =130 МПа, для углепластика - Кзап=5, =220 МПа. Значение эквивалентных напряжений σ возьмем из таблиц 1 и 2.
Результаты расчета на проверку прочности представлены в таблице 3.
Таблица 3 результаты расчета на проверку прочности
|
Материал Нагрузка, МПа |
Алюминиевый сплав 2018 |
Углепластик |
|||
|
Вариант 1 |
Вариант 2 |
Вариант 1 |
Вариант 2 |
||
|
3 |
σ·Кзап МПа |
26.4 |
33.6 |
60 |
75 |
|
4 |
33.6 |
45.6 |
75 |
100 |
|
Результаты анализа (таблицы 1 и 2) и расчета на прочность (таблица 3) показывают, что оба материала при проведении анализа позволяют конструкции выдержать максимально-возможные нагрузки и при этом остается большой запас прочности.
Оба материала подходят для производства верхней платы. Однако, по сравнению с обычными конструкционными материалами композиты с углеродными волокнами (углепластик) отличаются высокой прочностью и жесткостью в тоже время они значительно легче. В таблице 4 представлен расчет массы верхней платы.
Таблица 4 Масса верхней платы
|
Объем, м3 Плотность, кг/м3 |
2.97·10-3 (вариант 1, рис.2а) |
2.8·10-3 (вариант 2, рис2б) |
|
2.8·103 кг/м3 (сплав 2018) |
8.32 (кг) |
7.84 (кг) |
|
1.5·103 кг/м3 (углепластик) |
4.45 (кг) |
4.2 (кг) |
Данные таблицы 4 показывают, что применение углепластика, вместо алюминиевого сплава 2018, позволяет уменьшить массу верхней платы примерно в 2 раза.
Литература:
1. Денисова А.А. Многокомпонентная биометрическая силоизмерительная платформа // Труды XVI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Сборник трудов. Том 2. - Томск, НИТПУ, 2010, с. 25-27
2.Углеродистые волокна - Режим доступа: http://www.mvmplant.com/materials/uglevolokno.html.%20Дата%20посещения%2027.01.2012
3.Свойства алюминиевых сплавов - Режим доступа: http://www.metopttrade.ru/?id=140. Дата посещения 27.01.2012