IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Содержание

Введение	4
1 Понятие микро и макро моделирования	5
2 Параметрический синтез лемнискатного механизма	7
3 Методика расчёта НДС с применением МКЭ	11
4 Струговые установки	13
4.1 Общая характеристика струговых установок	13
4.2 Классификация струговых установок	14
4.3 Современные струговые установки	15
5 Проектирование и расчёт взаимодействия стругового исполнительного органа и массива	18
5.1 Особенности проектирования	18
5.2 Блок команд	19
5.3 Проектирование модели в ANSYS	22
Заключение	30
Список используемой литературы	31

Введение

Дисциплина «Проектирование и конструирование Горных машин и оборудований» позволяет изучить возможности проектирования включая и взаимодействие машин с рабочей средой, а затем перейти к конкретной разработке включая основные моменты создания её узлов и деталей (AutoCad, Kompas3d,). Выполнить кинематический (Adams), а затем прочностной расчёт или расчёт на устойчивость машины (Ansys). Например, можно рассмотреть взаимодействие стругового исполнительного органа и массива, перейти к анализу напряженного состояния и прочности (устойчивости) деталей. Так же можно рассмотреть механизированную крепь с лемнискатным механизмом и получить функциональные зависимости между параметрами её структуры (Adams). Пакеты имеют частичную взаимозаменяемость. Проектировать (конструировать) проще на AutoCad, Kompas 3d, рассчитывать на Adams, Ansys, сборку производить на SolidWorks при этом использование объектно-ориентированных языков программирования позволяет решить вопросы автоматизированного взаимодействия пакетов при разработке или "усилить" решение

Целью курсового проекта является закрепление лекционного материала и навыков, приобретенных нами в процессе выполнения лабораторных и практических работ по автоматизированному проектированию технических объектов, представляющих собой сложные механические системы современных горных машин и устройств, с гидро-пневмо и электроприводом применяемых в горных работах. При этом будет рассмотрено исследование особенностей взаимодействия инструмента с пластом и влияние горного давление на напряженно деформированное состояние массива в районе инструмента.

1. Понятие микро и макро моделирования

Микромоделирование - моделирование состояния обычно деталей машин направленное на выбор параметров их работоспособности и часто основанные на анализе НДС, обычно предполагает применение систем линейных уравнений. Особенностью ММ на микроуровне является отражение физических процессов, протекающих в непрерывных пространстве и времени. Типичные ММ на микроуровне – дифференциальные уравнения в частных производных (ДУЧП). [2]

При моделировании на макроуровне в технической системе выделяются достаточно крупные элементы - узлы, которые в дальнейшем рассматриваются в виде неделимой единицы. Непрерывной независимой переменной является время. ММ технической системы на макроуровне будет система ОДУ.

Поведение большинства технических систем можно охарактеризовать с помощью фазовых переменных.

Так, в электрической подсистеме фазовыми переменными являются токи и напряжения, в механической поступательной системе – силы и скорости.

Для одного и того же объекта (детали) на микро- и макроуровнях используют разные математические модели. На микроуровне ММ должна отражать внутренние по отношению к объекту процессы, протекающие в сплошных средах. На макроуровне ММ того же объекта служит для отражения только тех его свойств, которые характеризуют взаимодействие этого объекта с другими элементами в составе исследуемой системы.

Математические модели систем (ММС) формируют из математических моделей элементов (ММЭ), излагаемых ниже.

Уравнения, входящие в ММЭ, называют компонентными. Наряду с компонентными уравнениями в ММС входят уравнения, отражающие способ связи элементов между собой в составе системы и называемые топологическими. Топологические уравнения могут выражать законы сохранения, условия неразрывности, равновесия и т. д.

В используемых в САПР методах формирования ММС принято моделируемую систему представлять в виде совокупности физически однородных подсистем. Каждая подсистема описывает процессы определенной физической природы, например механические, электрические, тепловые, гидравлические. Как правило, для описания состояния одной подсистемы достаточно применять фазовые переменные двух типов — потенциала и потока.

Макромодели рассматривают взаимодействия деталей и узлов. В основном рассматриваются динамические задачи. Для этого используются обыкновенные дифференциальные уравнения, например:

F(dU/dt, U,W,t) = 0,

где U,W - фазовые переменные, зависящие от времени

Или

F(dU/dt, Fa(t),M) = 0,

где Fa(t) –опорные реакции, м – масса

Математические модели деталей и процессов на микроуровне отражают физические процессы, протекающие в сплошных средах и непрерывном времени. Независимыми переменными в этих моделях являются пространственные координаты и время. В качестве зависимых переменных выступают фазовые переменные, такие как потенциалы, напряженности полей, концентрации частиц, деформации и т. п. Взаимосвязи переменных выражаются с помощью уравнений математической физики — интегральных, интегро-дифференциальных или дифференциальных уравнений в частных производных. Эти уравнения составляют основу ММ на микроуровне.

Для получения законченной математической модели, используемой в задачах проектирования, необходимо дополнительно выполнить ряд процедур:

· выбрать краевые условия. Краевые условия представляют собой сведения о значениях фазовых переменных и (или) их производных на границах рассматриваемых пространственных и временных областей;

· дискретизировать задачу. Дискретизация подразумевает разделение рассматриваемых пространственных и временных областей на конечное число элементарных участков с представлением фазовых переменных конечным числом значений в избранных узловых точках, принадлежащих элементарным участкам;

· алгебраизировать задачу — аппроксимировать дифференциальные и интегральные уравнения алгебраическими.

Используют два основных подхода к дискретизации и алгебраизации краевых задач, составляющие сущность методов конечных разностей (МКР) и конечных элементов (МКЭ). С помощью любого из этих методов формируется окончательная модель, исследуемая при выполнении различных процедур анализа проектируемого объекта.

Пользователь САПР средствами входного языка задает исходную информацию о конфигурации проектируемого объекта, о способе дискретизации — разделения среды на элементы, — о физических свойствах участков среды. Формирование модели объекта, т. е. разделение среды на элементы, выбор математических моделей элементов из заранее составленных библиотек, объединение моделей элементов в общую систему уравнений, так же как и решение получающихся уравнений, осуществляется автоматически на ЭВМ. [2]

Процесс взаимодействия инструмента с массивом можно рассматривать двояко в то же время и как микро моделирование. В данном случае лунка внедрения инструмента берется установившейся а для расчета напряжений и деформаций применим конечно - элементный анализ (МКЭ). Данные следующего 3 раздела применимы для расчета крепи стругового забоя, а в 3 будет изложена методика МКЭ.

1. Параметрический синтез лемнискатного механизма (макромоделирование)

Охрану рабочего пространства в струговой лаве осуществляет механизированная крепь. Для приспособления её параметров к данной технологии выполняется параметрический синтез, т.е. анализ, обоснование и выбор параметров конструкции. Так, например, козырек секции в рабочем диапазоне должен перемещаться параллельно забою, а следовательно необходим механизм для обеспечения такого движения. Кроме того в струговой лаве, верхняя часть пласта,для предотвращения прорыва неустойчивых пород непосредственной кровли вначале часто не вынимается стругом и обрушается при передвижке секции крепи, а следовательно рычажная система соединяющая козырек с основанием (через перекрытие и ограждение) такие нагрузки должна выдерживать.

Вначале проведём анализ плоской схемы крепи (рисунок 1) поддерживающе-оградительного типа с лемнискатным механизмом из двух рычагов (1,2 ) (четырёхзвенным) для обеспечения регулируемой податливости крепи при опускании поддерживающего перекрытия 3 и ограждения 4 с паралелльным перемещением козырька 5 вдоль забоя. Имеются силовые гидроцилиндры: гидропатрон 6 для управления козырьком, гидростойка 7 и гидродомкрат 8 для управления углом установки перекрытия и ограждения. Рычаги, ограждение и козырёк соеденины шарнирно. Вместо основания крепи рычаги прикрепленны к "земле" 9, 10, что во многих условиях не влияет на расчёты нагруженности. Напоминаем, что схемы на рисунках могут отличаться по нагрузкам и выполнены на пакетах разного выпуска.

Можно проверить работоспособность конструкции щелкнув, по пиктограмме симуляции (рисунок 2) или выйдя в меню Simulation. Конструкция начнёт движение, при этом будут видимы только её основные элементы. В меню Simulation можно замедлить движение механизма, увеличив значение Steps c 1000, например до 1500. [3]

Заметим, что построение крепи можно было бы провести на основе более совершенных и визуально значимых примитивов, но поскольку, рассматривается плоская схема расчёта то такой подход вполне оправдан. После испытания механизма, продолжаем построение модели, устанавливая пружину между проушиной козырька и перекрытием. Для этого щелкаем на вкладке Forces, а в ней выбираем пружину, теперь в окне пружины можно ввести параметры пружины К и С.

Можно нагрузить перекрытия силами по 3 маркерам (соединение ограждения и перкрытия, в центре тяжести перекрытия, в его правом конце), а также на конце консольного козырька используя силовой фактор меню Forces. При запуске модели направления сил отмечаются красными линиями. В процессе запуска для реального приближения к условиям работы крепи силовые факторы и параметры пружин можно оптимизировать.

На рисунке 3 представлены положения механизма в процессе опускания. Такие положения вполне возможны и в шахтных условиях в аварийных ситуациях. Это вынуждает определить влияние взаимного положения элементов на нагруженность звеньев и в частности на шарниры рычагов, ограждения, козырька и перекрытия. [4]

Рисунок 3

При построении вместо гидроцилиндра использовалась также сила противоположенная нагрузки на крепь и ровной максимальной выдерживаемой нагрузки крепи.

Полученны графики скоростей ускорений и усилий в узлах крепи

Рисунок 4 - Скорость поддерживающего элемента крепи

Рисунок 5 - Ускороение поддерживающего элемента крепи

Adams - позволяет проектировать механизмы во взаимодействии их узлов и деталей и если рассмотреть одну деталь то можно исследовать влияние на неё соседних. Т. е. этот пакет можно отнести к средствам макромоделирования. Плоскую схему можно создать на основе линий, которым придается точечная масса. Но проще это выполнить используя простые примитивы

1. Методика расчёта НДС с применением МКЭ

Возникновение МКЭ связано с решением задач космических исследований (1950 г.). Этот метод возник из строительной механики и теории упругости, а уже потом был осмыслен математиками, которые часто называли данный метод вариационно-разностным, подчеркивая тем самым его математическую природу. Они занимаются математическим обоснованием МКЭ, т.е. проводят теоретический анализ его сходимости и точности результатов. Представители же инженерного направления решают довольно сложные технические задачи, часто не задумываясь над строгим обоснованием применяемых ими приемов, а построенные алгоритмы и программы проверяют на известных точных решениях.

Существенный толчок в своем развитии МКЭ получил после того, как было доказано (1963 г.), что этот метод можно рассматривать как один из вариантов известного в строительной механике метода Рэлея – Ритца, который путем минимизации потенциальной энергии позволяет свести задачу к системе линейных уравнений равновесия.

Связь МКЭ с процедурой минимизации позволила широко использовать его при решении задач в других областях техники. Метод применялся к задачам, описываемым уравнениями Лапласа или Пуассона (например, электромагнитные поля). Решение этих уравнений также связано с минимизацией некоторого функционала. Известны решения с помощью этого метода задач распространения тепла, задач гидромеханики и, в частности задач о течении жидкости в пористой среде. [5]

Область применения МКЭ существенно расширилась, когда было показано (1968 г.) что уравнения, определяющие элементы в задачах строительной механики, распространения тепла, гидромеханики, могут быть легко получены с помощью таких вариантов метода взвешенных невязок, как метод Галеркина или способ наименьших квадратов. Установление этого факта в теоретическом обосновании МКЭ, т.к. позволяло применять его при решении многих типов дифференциальных уравнений. Таким образом, МКЭ из численной процедуры решения задач строительной механики превратился в общий метод численного решения дифференциальных уравнений или систем дифференциальных уравнений.

Краткая сущность МКЭ. Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов (участков). На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента.

В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна, и нежно определить значения этой величины в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель, однако, очень легко построить, если сначала предположить, что известны значения этой величины в некоторых внутренних точках области (в дальнейшем эти точки мы назовем «узлами»). После этого можно перейти к общему случаю.

Чаще всего при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом:

1. Область определения непрерывной величины разбивается на конечное подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области.

2. В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками или просто узлами.

3. Значение непрерывной величины в каждой узловой точке первоначально считается известным, однако необходимо помнить, что эти значения в действительности еще предстоит определить путем наложения на них дополнительных ограничений в зависимости от физической сущности задачи.

4. Используя значения исследуемой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, определяют значения исследуемой величины внутри области.

В сплошной среде число связи точки бесконечно, и именно это составляет основную трудность получения численных решений в теории упругости. Понятие «конечных элементов» представляет собой попытку преодолеть эту трудность путем разбиения сплошного тела на отдельные элементы, взаимодействующие между собой только в узловых точках, в которых вводится фиктивные силы, эквивалентным поверхностным напряжениям, распределенным по границам элементов. Если такая идеализация допустима, то задача сводится к обычной задаче строительной механики, которая может быть решена численно. [6]

В КарГТУ метод МКЭ на основе аdнорских программ внедряется с конца 70 годов усилиями Ю.А. Векслера и Тутанова С.К., Халманова Х. Д., а затем Нургожина М.Р. , который затем использует для расчетов пакет Ansys. При этом их последователями были созданы программы для расчета элементов конструкции механизированной крепи М - 130 широко известной в СССР и Индии своей эффективностью при добыче угольных взрывоопасных пластов.

4. Струговые установки

4.1 Общая характеристика струговых установок

Струговые установки применялись в Караганде в основном с двухтысячных годов (ш. Ленина, Казахстанская) , при работке пластов не большой мощности. А также в экспериментальной крепи КАМ - 1с , конструкции КарГТУ для разработки мощных пластов с выемкой верхней угольной пачки над крепью вертикально действующим струговым органом, расположенном на штоке гидроцилиндра, что позволяло уменьшить металлоемкость крепи и создать безопасные условия для рабочего персонала обычного нижнего комбайнового забоя, рисунок 6.[1]

Рисунок 6. Секция крепи с встроенным стругом для разрушения верхней угольной пачки

Струговая установка (Рисунок 7) — комбинированная горная машина длинных очистных забоев, предназначенная для механизированного скола (срезания) и погрузки полезных ископаемых с помощью струга, а также доставки его конвейером (или без него).

Струговые установки для выемки угля пологих пластов (до 35°) включают следующие основные узлы: 2 привода (верхний и нижний), тяговый орган (цепь) 3, исполнительный орган (струг) 1, скребковый конвейер 4, систему гидродомкратов передвижного конвейера, опорные балки для направленной передвижки приводных станций и регулирования положения установки в очистном забое, электрооборудование, средства связи, сигнализации и пылеподавления.

У струговой установки для выемки угля крутых пластов, в отличие от струговой установки для очистных забоев пологих пластов, отсутствует доставочный конвейер. В зависимости от условий применения и характера работы струговые установки подразделяются: по углу падения — на установки для пологих (до 35°), крутых пластов (свыше 35°) и универсальные установки для пластов с углом падения от 0 до 90°;

Рисунок 7. Струговая установка

по принципу разрушения полезных ископаемых — на статические и динамические или активные установки; по скорости движения исполнительного органа — на тихоходные (до 15 м/мин), быстроходные (15-60 м/мин) и скоростные (более 60 м/мин) установки; по конструкции исполнительного органа — на простые и комбинированные, с подконвейерной плитой и без подконвейерной плиты, со свободным и принудительным поворотом резцовой головки, с опорами скольжения и опорами качения.

Достоинства струговых установок:

• лучше сортность угля;

• ниже удельные энергозатраты и меньше пылеобразование, так как разрушение угля осуществляется крупным срезом (сколом ) и ведётся в зоне максимального отжима угля;

• более безопасные условия для отработки пластов, опасных по газу и пыли и особенно по внезапным выбросам угля и газа;

• возможность эффективной выемки весьма тонких пластов мощностью 0,4-0,7м;

• проще схема организации работ по длине лавы;

• менее сложные средства комплексной механизации и автоматизации производственных процессов в очистном забое;

• более просты по конструкции;

• не имеют передачи электроэнергии по силовому гибкому кабелю к движущейся машине. [8]

1. 1. Классификация струговых установок

Конструктивные схемы струговой установки имеют принципиальные различия по месту размещения тягового органа по отношению к конвейеру и по типу опор исполнительного органа. По этим принципам струговые установки можно разделить на 4 группы.

Первая группа струговых установок включает машины, тяговый орган которых в виде бесконечной тяговой цепи расположен с забойной стороны конвейера, а исполнительный орган снабжён под конвейерной плитой, опирающейся на почву. Во время работы конвейерный став отжимается стругом от забоя и после его прохода гидродомкратами вновь прижимается к забою. Такая схема работы струговой установки связана с высокими потерями мощности на преодоление сил трения (более 60%), с повышенным износом элементов струговой установки, с большой величиной бесстоечного призабойного пространства, с нестабильной толщиной снимаемой стружки. Струговые установки этой группы — типа УСБ (CCCP), "Анбаухобель" (ФРГ), CBC-3 (ПНР), ПЛ-2 (ЧСФР) — относятся к машинам низкого технического уровня и практически во всех странах сняты с производства. [9]

Вторая группа включает струговые установки, тяговый орган которых располагается со стороны выработанного пространства, исполнительный орган снабжён подконвейерной плитой, опирающейся на почву. Особенности этой группы струговых установок: удобство замены и ремонта тягового органа, особенно в условиях работы при выемке угля тонких пластов; повышенная безопасность работы (поскольку тяговые цепи располагаются в закрытых кожухах со стороны выработанного пространства). Струговые установки этой группы — типа УСТ-2М, CO-75, УСВ (CCCP), "Райсхакенхобель" (ФРГ), CBC (ПНР) — наиболее распространены во всех угледобывающих странах, применяющих струговую технологию выемки.

Третья группа включает струговые установки, тяговый орган которых в виде бесконечной цепи располагается с забойной стороны конвейера, а исполнительный орган не имеет подконвейерной плиты и перемещается по специальной наклонной направляющей. К таким струговым установкам относятся отечественные установки типа CH-75 (рис. 2), а также "Глайтхобель" (ФРГ), CBC-5 (ПНР), ПЛ-9 (ЧСФР). Отличительные особенности таких струговых установок (т.н. скользящего типа): практическое отсутствие отжима ("дыхания") конвейера во время движения струга, сравнительно меньшие затраты мощности на преодоление сил трения в опорах струга, хорошие условия погрузки и зачистки почвы забоя. Вместе с тем струговые установки третьей группы имеют большую металлоёмкость, сложнее, чем у струговой установки второй группы, управление установкой во время работы. В 80-е гг. эти струговые установки получают большее распространение, особенно на пластах угля повышенной сопротивляемости разрушению (более 200 кН/см). В современной струговой установке ФРГ для лучшей управляемости исполнительный орган снабжают подконвейерной плитой. [10]

Четвёртая группа включает струговые установки, тяговый орган которых в виде бесконечной замкнутой цепи располагается с забойной стороны конвейера у почвы и кровли пласта, а исполнительный орган состоит из нескольких стругов (рассредоточенных резцовых инструментов), перемещающихся по направляющим, закреплённым на конвейере и элементах механизированной крепи. К таким струговым установкам относятся установки типа AK-3 (CCCP), получившие промышленное применение, а также "Аббауавтомат" (ФРГ). Схема работы установок обеспечивает их высокую производительность, выемку пласта на полную мощность, возможность автоматического контроля и управления выемкой. [11]

1.  

   1. Современные струговые установки

В настоящее время для пластов мощностью 0,5-2,0 м выпускаются серийно струговые установки : УСТ2М, С075М, СН75М, и УСВ2.

Установка УСТ2М (Рисунок 2) состоит из струга 4, тяговой цепи 5, нижнего 1 и верхнего 6 приводов струга С электродвигателями мощностью по 55 кВт, изгибающегося двухцепного скребкового конвейера 3, нижнего привода конвейера 7 и верхнего, нижней опорной балки 2 и верхней 8 с подвесным устройством 9, концевыми 10, 13 и линейным гидродомкратами, гидравлического и электрического оборудования с аппаратурой автоматического секционного орошения 'зоны работы струга. Приводы струга устанавливаются только с завальной стороны конвейера (Рисунок 8, а), а приводы конвейера как с завальной, так и с забойной (Рисунок 8, а и б).

Принципиальная схема работы струговой установки УСТ2М такая же, как и струговой установки 1УСБ67, а приводы струга, 6 и конвейера, гидравлическое и электрическое оборудование установки УСТ2М унифицированы с соответствующим оборудованием установки 1УСБ67.

Отличительной особенностью струговой установки УСТ2М, как и установок СО75 и УСВ, является расположение тяговой цепи струга (с завальной стороны конвейера) и соответствующее этому изменение конструкции струга и его опор (разрез А—А Рисунок 2, а и Рисунок 8, в). [12]

Основанием струга служат три плиты, соединенные между собой шарнирно в горизонтальной плоскости, что улучшает приспособляемость струга при работе на волнистой почве. На средней плите смонтирован нижний корпус струга и верхний — поворотный с проставкой, и крышкой для установки ножей. За счет сменных по высоте проставок регулируется высота струга в пределах 0,36—0,56 м. Толщина стружки, снимаемой стругом, регулируется боковыми сменными ограничителями в пределах 55—85 мм. Движение струга направляет рештачный став конвейера. Под ставом свободно проходит опорная плита 14 струга, которая выходит с завальной стороны конвейера. Здесь к ее концам вертлюгами 16 крепятся концы нижней рабочей ветви тяговой круглозвенной цепи 15. Нижняя и верхняя ветви цепи размещены внутри бортов 12 конвейера со стороны выработанного пространства. Струговые установки УСТ2М имеют ту же особенность, что и СО75 и УСВ:

Рисунок 8. Струговая установка УСТ2М

благодаря присоединению струга к тяговой цепи со стороны выработанного пространства возникает момент сил, способствующий более эффективному отделению угля от массива.

Струги этой группы, называемые «отрывными», имеют следующие преимущества: безопасность работ при порыве тяговой цепи благодаря ее расположению в закрытых желобах конвейера; удобство осмотра, замены и ремонта тяговой цепи; меньшая ширина бесстоечного пространства, чем в установке 1УСБ67, из-за отсутствия трубчатых направляющих; меньшая величина отжатая става конвейера при проходе струга. [13]

5 Проектирование и расчёт взаимодействия стругового исполнительного органа и массива

5.1 Особенности проектирования

Для проектирования и расчета взаимодействий стругового исполнительного органа и массива используется пакет Ansys. Вначале используется небольшой участок пласта к которому посредством лунки приложено усилие инструмента. Торцевые части участки моделируемого командой block и будут жестко защемлены для имитации действия пласта, а по кровле и почве запрошены вертикальные смешения. Размеры участка выбраны такими, что последующее их увеличение не влияет на НДС у зоны инструмента.

Для этого в блоке породы проводится конусное отверстие для последующего введения такого же по размерам резца. Для имитирования горного давления добавляется блоки кровли, почвы, пластов, и задается гравитация по оси Y. Параметры блоков также взяты исходя из правил силового и геометрического подобия. Глубина работ около 100 м. Смоделирована и зона опускания пород со смыканием на обрушенные породы, которые имитируются определенным модулем деформации.

На резец подается давление 13МПа. Для чего произведен расчет усилия на один резец при тяговом усилии струга 20 тс

Для сравнения рассчитаем напряжения без учета горного давления

ANSYS – программное обеспечение, позволяющее решать следующие задачи:

1. Построение модели конструкции (геометрия, реологические свойства, краевые условия) или импорт их из CAD1 систем.

2. Изучение реакции конструкции на различные физические воздействия, такие, как воздействие различных нагрузок, температурных и электромагнитных полей, решение задач механики жидкости и газа.

3. Оптимизация геометрии конструкции.

Для написания программы в ANSYS используются следующие правила:

1. В каждой строке должен быть один оператор.

2. Допускается применение в одной строке нескольких операторов, при этом их необходимо разделять знаком $. (Хотя это делать не рекомендуется из-за плохой читаемости программы.)

3. Максимальное число знаков в строке, включая пробелы и разделители $, не должно превышать 130.

4. В ANSYS отсутствует типизация переменных, в связи с этим не требуется описание типов переменных. Все переменные, организуемые пользователем, воспринимаются как действительные.

5. Специфицированные в ANSYS переменные распознаются автоматически. Так, например, если при задании целой переменной (например, число слоев в пакете пластин и др.) задать действительное число, то программа округлит это число до ближайшего целого. Для таких переменных пределы используемых чисел: 0-9999999. Если будет задано не числовое значение, то возникнет ошибка. Если не будет задано ничего, то ANSYS присвоит значение 0.

6. Для задания действительных чисел используется десятичная точка. Для чисел в экспоненциальной форме можно применять формы записи с E и D. Например, число 25000 может быть записано в форме 25E3 или 25D3.

7. Допустимые пределы изменения переменной: от ±10^-60 до ±10⁶⁰.

8. Для имен переменных используются латинские буквы, при этом в именах не допускаются символы: ! @ # $ % & ^ * ( ) _ - + = | { } [ ] “ ‘ / < > ~

9. Комментарии в командной строке записываются, используя !.

Командный режим в ANSYS

Каждое действие, производимое с помощью ГИП, можно выполнить с помощью команды, вводя ее в окно меню ANSYS Input. Все эти команды отражаются в LOG-файле. ANSYS содержит около 1000 команд, используемых для различных целей. С помощью этих команд можно запрограммировать необходимые для анализа действия. Исполнить программу можно по пути в меню Utility Menu > File > Read Input from.

Определение единиц измерения

Поскольку в расчетах по умолчанию используется британская система мер, то для перехода к системе единиц СИ необходимо задать команду /UNITS. Данная команда недоступна из ГИП и должна непосредственно вводиться в командное окно: /UNITS, SI. Стоит отметить, что во многих задачах это делать не обязательно.

Метод конечных элементов (МКЭ)

Данная тема рассмотрена в 3 разделе.

5.2 Блок команд

/NOPR !переход к объемной задаче

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7! переход к препроцессору

/UNITS,SI! Расчеты в с. СИ

ET,1,SOLID92! Выбор конечного элемента

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0! не учитываем температуру

! Пласт

MPDATA,EX,1,,3e9! модуль упругости

MPDATA,PRXY,1,,0.3!коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,1,,4000! плотность

! Резец

MPDATA,EX,2,,3e10

MPDATA,PRXY,2,,0.25

MPDATA,DENS,2,,7500

!кровля

MPDATA,EX,3,,2e9

MPDATA,PRXY,3,,0.3

MPDATA,DENS,3,,3000

!почва

MPDATA,EX,4,,3e9 MPDATA,PRXY,4,,0.35 MPDATA,DENS,4,,3000

!обрушенные породы

MPDATA,EX,5,,0.5e9

MPDATA,PRXY,5,,0.35

MPDATA,DENS,5,,3000

!пласт

x1=0.1

x2=-0.5

y1=-0.1

y2=0.6

z1=0

z2=-1

block, x1,x2,y1,y2,z1,z2

!резец

r1=0

r2=0.02

z3=-0.04

t1=0

t2=360

cone, r1,r2,z1,z3,t1,t2

VSBV,1,2 ! ВЫЧИТАНИЕ

cone, r1,r2,z1,z3,t1,t2

vglue, all

!построение сетки

LESIZE,19,0.002

LESIZE,20,0.002

LESIZE,21,0.002

LESIZE,22,0.002

LESIZE,23,0.002

LESIZE,24,0.002

LESIZE,6,0.02

LESIZE,5,0.02

LESIZE,10,0.02

LESIZE,7,0.02

LESIZE,8,0.02

LESIZE,9,0.02

LESIZE,11,0.02

!пласт

x4=-4

z4=-3

z5=3

BLOCK,x2,x4,y1,y2,z5,z4

BLOCK,x1,x2,y1,y2,z2,z4

!кровля

y4=-4

x5=7

y3=95

BLOCK,x5,x4,y3,y2,z5,z4

!почва

BLOCK,x5,x4,y1,y4,z5,z4

!обрушенные породы

x6=2

BLOCK,x5,x6,y1,y2,z5,z4

VGLUE,all

type,1

mat,2 !резец

VMESH,8

type,1

mat,1!пласт

VMESH,9

type,1

mat,5 !обрушенные породы

VMESH,10

type,1

mat,1 !пласт

VMESH,11

type,1

mat,1 !пласт

VMESH,12

type,1

mat,3 !кровля

VMESH,13

type,1

mat,4 !почва

VMESH,14

ACEL,0,9.8,0,

FINISH

/SOL

EQSLV,PCG,1E-8!максимальная точность 3D

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,30

!*

/GO

DA,P51X,ALL,!закрпеляем

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,2

/GO

!*

SFA,P51X,1,PRES,13000000 !усилие на резец

Solve! решаем

5.3 Проектирование модели в ANSYS

1. Вставляем блок команд, для перехода к объемной задаче, перехода к препроцессору, с указанием расчетов в системе СИ, с выбором конечного элемента и с указанием модуля упругости, коэффициента Пуассона и плотности для резца, пласта, кровли и почвы. На рисунках 9 - 13 процесс построения участка пласта, а далее на рисунках 14 - 18 построение выше и нижележащих породных слоев вплоть до земной поверхности. Сетку строим изнутри для осуществления визуального контроля с применением методов разделения линий вблизи инструмента на мелкие отрезки с целью получения достаточной точности расчетов , для чего вводим команды lesize.. На рисунках 19 и далее результаты расчета НДС. Кроме того на рисунке 18 за счет контурного моделирования видна схема нагружения стругом части пласта и породы опускающиеся в вырработаном пространстве.

2. Командой «block», вставляем блок породы

Рисунок 9.

1. Командой «cone»вставляем резец

Рисунок 10.

1. Для предотвращения наложения объемов, вырезаем резец из блока породы командой «vsbv»

Рисунок 11.

Рисунок 12.

1. Вставляем резец заново и склеиваем командой «vglue»

2. Для достижения высокой точности при решении, разбиваем линии резца и линии блока породы командой «lesize»

Рисунок 13.

1. Командой «blo ck»

Рисунок 14.

1. вставляем пласты, кровлю и почву

2. Строим сетку командой «vmesh», для каждого материала отдельно

Рисунок 15.

1. Задаем гравитацию командой «acel»

Рисунок 16.

1. Для достижения максимальной точности решения в меню Solution > Analysis Type> Sol’n Controls > Sol’n Options указываем Pre Condition CG

Рисунок 17

1. Закрепляем основание почвы Solution> Define Loads > Apply > Structural> Displacement > On Areas

Рисунок 18.

1. Прикладываем давление на резец 13000000 Па: Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural >Pressure >On Areas

Рисунок 19.

1. Командой «solve», переходим к решению задачи

Рисунок 20.

1. График напряжения σX и σY с учетом горного давления

1. Рисунок 21.

16. График напряжения σX и σY без учета горного давления

Рисунок 22.

Из графика с учетом горного давления видно что максимальная σX= 179·10⁴ Па, это примерно равно 17,9 кг/см². При пределе прочности для угля на уровне 10 кг/см² разрушение достигается.

Из графика без учета горного давления видно что максимальная σX= 47·10⁴ Па, это примерно равно 4,7 кг/см². При пределе прочности для угля на уровне 10 кг/см² разрушение не достигается.

Заключение

Проведен анализ методов исследования, которые показали принципиальную возможность расчета параметров разрушения на основе предложенных схем и возможности дальнейшего уточнения решений.

Для расчета струговых исполнительных органов показана принципиальная возможность создания твердотельных моделей на основе конечно-элементных технологий с применением пакета Ansys.

Было установлено влияние горного давления на взаимодействие стругового исполнительного органа и массива. В данном курсовом проекте без учета горного давления разрушение угля не достигалось. А с учетом горного давления разрушение угля достигается.

При выемке угля струговой установкой в системе возникает автоколебательный процесс, состоящий в неравномерном (скачкообразном) движении струга. Различают два периода этого процесса:

1) резцы струга упираются в массив угля, тяговое усилие в цепи и на резцах возрастает до сопротивления сколу, т. е. происходит накопление в системе потенциальной энергии;

2) потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию перемещения струга, происходит его скачок и одновременный скол угля. Мгновенная скорость при этом превышает среднюю в несколько раз и достигает 5 м/с.

В тяговой цепи возникают колебания и резко меняются усилия.

Список используемой литературы

1. Жетесов С.С., Сагинов А.С., Лазуткин А.Г., Нургожин М.Г. Пути совершенствования механизированных крепей // Ама-Ата: Изд-во Гылым, 1992. - С. 204-210.

2. Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жетесов С.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н Практические и исследовательские аспекты разработки горных машин в 3 d монография. Караганда, 2012, изд-во КарГТУ, 135с.

3. Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS / Казанский государственный университет, Казань 2001, Электронные материалы

4. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика / Москва, «Высшая школа», 2007, 199с.

5. Коршак А.А. Шаммазов А.М. основы нефтегазового дела /ДизайнПолиграфСервис, Уфа 2005, 527 с.

6. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика / Москва, «Высшая школа», 2007, 199с.

7. Шманов М.Н., Бейсембаев К.М. Состояние и эксплуатация нефтегазовых залежей. // Караганда: Изд-во КарГТУ, 2010. – 165 с.

8. Дёмин В.Ф., Бейсембаев К.М., Тутанов С.К., Мельник В.В. и др.Теория и практика управления геомеханическими процессами в породах вокруг выработок с анкерными средствами крепления Караганда, 2013, изд-во КарГТУ, 135с., монография, 302 с.

9. Поляков К.А. Создание виртуальных моделей в пакете прикладных программ ADAMS , учебное пособие, Самара 2003, электронный вариант

10. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 336 c.: ил..

11. Кондаков А.И. САПР технологических процессов. – М.: М.: Издательский центр «Академия»,2007. – 272с

12. М.В. Головицына Основы САПР, INTUIN.ru, ISBN: 978-5-94774-847-5, Электронный учебник

13. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). – СПб.: Питер, 2004. – 560 с.

14. Нургужин М.Р., Даненова Г. Т. Инженерные расчёты в ANSYS: сборник примеров, Караганда 2006 319 с.

15. Пивень Г.Г., Климов Ю.И. Имитационное моделирование гидромеханических систем (математические модели): учеб.пособие / КарГТУ. – Караганда, 2004. – 106 с.

Код для цитирования: Скопировать