XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Процесс технического перевооружения ведущих промышленных предприятий, головных отрослевых НИИ и т.д., имеющий место в настоящее время, и альтернативы которому нет ввиду жесткой конкуренции на отечественном и мировом рынках,требует в числе прочнго и обновления материального обеспечения для задач инженерного моделирования. Это так называемые системы автоматизированного проектирования (САПР), главной задачей внедрения которых является снижение издержек и сжатие сроков проектирования и производства, за счет замены реальных процессов прототипирования, макетирования,испытаний и т.д. – их виртуальными аналогами. Рост числа рабочих мест САПР на предприятиях, несмотря на нынешние трудности, ксть объективное обстоятельство, из которого вытекант факт востребованности на рынке труда специалистов, владеющими подобными технологиями, - в данном случае технологией проведения инженерного анализа с помощью САЕ-системы ANSYS.

Гидравлический цилиндр – это объёмный двигатель возвратно-поступательного или возвратно-поворотного движения. Гидроцилиндры широко применяют во всех отраслях техники. Например, в строительно-дорожных, землеройных, подъёмно-транспортных машинах, в авиации и космонавтике, в технологическом оборудовании — металлорежущих станках, кузнечно-прессовых машинах и т.п.

Гидроцилиндр – важнейшая часть гидросистемы, так как являются источником привода рабочих органов исполнительных механизмов промышленного оборудования. Подвижным звеном может выступать как шток, так и корпус гидроцилиндра (гильза).

Силовой гидроцилиндр — это объемный гидродвигатель, в котором ведомое звено совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение относительно корпуса гидроцилиндра.

Гидроцилиндры бесштоковой модификации находят активное применение в поворотных зажимных механизмах (при поступательном движении поршневого механизма силового ГЦ в рулевых машинах, первым осуществляется преобразование в угловое/поворотное перемещение).

1 Гидроцилиндры

Гидроцилиндр (ГЦ) — это объемный гидродвигатель, действие которого основано на движении возвратно-поступательного характера ограниченного типа ведомым звеном (валом, штоком, плунжером). По принципу действия, гидроцилиндр (гидравлический цилиндр) во многом близок с пневмоцилиндром.

Гидроцилиндры подразделяют на силовые и моментные.

В силовых гидроцилиндрах подвижная часть совершает возвратно поступательное движение, их разделяют на гидроцилиндры одностороннего и двустороннего действия.

Моментные гидроцилиндры – предназначены для получения крутящего момента и представляют собой гидромотор с ограниченным углом поворота вала, используются в целях обеспечения периодических механических движений возвратно-поступательного характера углового/возвратно-поступательного типа.

Среди моментных ГЦ встречаются многолопастные и однолопастные модификации. Использование многолопастных ГЦ дает возможность значительно увеличивать крутящий момент, но ведет к уменьшению угла поворота.

Типы силовых гидроцилиндров

Силовые гидроцилиндры подразделяют на приборы одностороннего и двухстороннего действия.

ГЦ одностороннего действия

В ГЦ одностороннего типа действия выдвижение штока происходит благодаря воздействию в поршневой полости давления рабочей жидкости (РЖ). Возврат осуществляется усилием пружины.

Усилие, создаваемое ГЦ данного типа, всегда (при прочих равных условиях) меньше создаваемого ГЦ двустороннего типа действия. Такая ситуация возникает из-за того, что при условии прямого хода штока приходится преодолевать дополнительно силу упругости пружины.

Поскольку пружина в данном двигателе служит возвратным элементом, то если возврат осуществляется за счет силы тяжести поднятого груза или действия механизма и т.п., ГЦ может возвратной пружины и не иметь (ввиду отсутствия технической потребности в ней).

ГЦ одностороннего силового действия подразделяют на:

телескопические;

поршневые;

плунжерные.

ГЦ двухстороннего действия

В ГЦ двухстороннего действия, при прямом, равно как и обратном ходе поршня, создание усилия на штоке производится за счет давления (соответственно, в штоковой и поршневой полостях) рабочей жидкости.

Безусловно, прямой ход поршня обеспечивает большее усилие на штоке (при меньшей скорости движения штока), чем ход обратный — это происходит за счет разницы в площадях, куда прилагается сила давления рабочей жидкости. Подобные гидроцилиндры, к примеру, осуществляют подъёмно-опускающее действие отвала большинства бульдозеров.

ГЦ двухстороннего действия делятся на:

телескопические;

с односторонним штоком;

с двухсторонним штоком;

комбинированные.

Силовые гидроцилиндры делятся на гидроцилиндры двухстороннего действия, гидроцилиндры одностороннего действия и с торможением.

Рисунок 1 – Макет гидроцилиндра

Применение штоковых гидроцилиндров возможно по трем основным типовым схемам:

привод в действие рычажных механизмов (например, ковша экскаватора), совершающих в процессе работы циклическое движение;

перемещение рабочих органов, которые сами совершают работу в процессе движения (например, нож бульдозера или грейдера);

установка рабочих органов в заданное положение (например, вынос опор, обеспечивающих устойчивость автокрана или подъемника)

Комбинированные гидроцилиндры

Комбинированные гидроцилиндры используют при технических условиях, когда для создания нужного эффекта усилия нет возможности установить гидроцилиндрический двигатель с большим, чем уже имеющийся, диаметром, однако длина (при этом) не подлежит ограничению. Таким образом, находят применение сдвоенные и строенные двигатели, в которых последовательное соединение одного-трех ГЦ служит увеличению эффективной площади, следовательно, тяговому или толкающему усилию на штоке.

Многоскоростные ГЦ

Многоскоростные ГЦ используются, когда необходимо осуществить обеспечение различных скоростных режимов движений поршня. Такое возможно осуществить при подключении питания от насоса постоянной производительности.

Бесштоковые ГЦ

Гидроцилиндры бесштоковой модификации находят активное применение в поворотных зажимных механизмах (при поступательном движении поршневого механизма силового ГЦ в рулевых машинах, первым осуществляется преобразование в угловое/поворотное перемещение). Бесштоковые ГЦ незаменимы для подобного применения, и встречаются они в следующих модификациях:

с кривошипно-шатунным механизмом;

с винтовой передачей;

с цепной передачей;

с двухсторонним поршнем и реечной передачей;

с двухсторонним плунжером и реечной передачей.

Рисунок 1.1 – Конструкция гидроцилиндра

Конструкция гидроцилиндров:

1 шток

2 передняя крышка

3 гильза

4 поршень

5 гайка

6 задняя крышка

7 грязесъемник

8 манжета штоковая

9 кольцо направляющее штоковое

10 манжета поршневая

11 кольцо резиновое

12 кольцо направляющее поршневое

Для некоторых гидроцилиндров назначением устройства является привод для разного оборудования.

По характеру хода выходного звена цилиндры бывают одноступенчатыми и телескопическими. Последние являются специальными устройствами, у которых несколько поршней вставлены друг в друга и выдвигаются они последовательно друг за другом. Эта конструкция позволяет добиться большого хода штока, поэтому чаще всего используется в кранах и самосвалах для поднятия кузова.

В простейшем случае основой конструкции гидроцилиндра является гильза, представляющая собой трубу с тщательно обработанной внутренней поверхностью. Внутри гильзы перемещается поршень, имеющий резиновые манжетные уплотнения, которые предотвращают перетекание рабочей жидкости из полостей цилиндра, разделенных поршнем. При подаче под давлением рабочей жидкости (специальные минеральные масла) в полость цилиндра поршень начинает перемещаться под действием давления жидкости.

Усилие от поршня передает шток – стержень, имеющий полированную поверхность. Для его направления служит грундбукса. С двух сторон гильзы укреплены крышки с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости. Уплотнение между штоком и крышкой состоит из двух манжет, одна из которых предотвращает утечку жидкости из цилиндра, а другая служит грязесъемником. На резьбу штока крепится проушина или деталь, соединяющая шток с подвижным механизмом.

Проушина служит для подвижного закрепления корпуса гидроцилиндра. Управление работой гидроцилиндра осуществляется с помощью гидрораспределителя или с помощью средств регулирования гидропривода. Гидроцилиндры работают при высоких давлениях (до 32 Мпа), что налагает целый ряд требований к прочности и надежности всей конструкции системы (механизм, цилиндр, управление). Для того, чтобы вам было легче найти и купить гидроцилиндр, который будет устраивать вас по всем параметрам, рассмотрим их основные виды подробнее.

2 Компьютерное моделирование – ANSYS

2.1 Основное назначение ANSYS

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.

2.2 Как устроена программа ANSYS

Для удобства пользования ANSYS имеет графический интерфейс пользователя (ГИП), предоставляющий быстрый доступ к различным функциям, командам, а также к обширной HELP – системе.

Работа программы ANSYS организована в два уровня:

• начальный уровень (Begin level);

• процессорный уровень.

Работа программы ANSYS начинается с начального уровня (Begin level). На этом уровне доступны команды работы с файлами (сохранение, удаление, переименование и т.д.).

Работать с программой ANSYS можно с помощью как графического интерфейса пользователя (ГИП) – интерактивный режим, так и с помощью команд – командный режим.

2.3 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.

2.4 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.

2.5 Метод конечных элементов (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.

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.

3 Проектирование гидроцилиндров (расчет процессов контактирования с пятой) в программе ANSYS

3.1 Блок команд

3.2 Проектирование модели в ANSYS

Рисунок 3 – Вход в динамическую часть

Рисунок 3.1

Рисунок 3.2

Рисунок 3.3

Рисунок 3.4

Рисунок 3.5

Рисунок 3.6

Рисунок 3.7

Рисунок 3.8

Рисунок 3.9 – Построение сетки. Сетку строим с помощью программы MESH. Для свободного построения сетки выбираем FREE.

Рисунок 3.9.1 – Контактное напряжение. Выбираем команду Select > Entities далее введем название и значение контактных элементов. Чтобы увидеть контактное напряжение используем General Postproc > Plot results > Contour Plot > Nodal Solu > Contact > Total stress > ok.

Рисунок 3.9.2

Заключение

Объемный двигатель, совершающий полезную работу за счет возвратно-поступательного движения рабочего элемента, приводимого в движение давлением жидкости внутри корпуса самого устройства, называется гидравлическим цилиндром — гидроцилиндром.

По закону Паскаля, поскольку давление во всех точках покоящейся жидкости одинаково, усилие, приложенное к плоскости меньшего размера, пропорционально увеличивается на плоскости с большей поверхностью. Это явление и используется для совершения полезной работы данным типом двигателей.

Проектирование гидроцилиндров (расчет процессов контактирования с пятой) в программе ANSYS, можно посмотреть как применяется метод математического моделирования, позволяющий на основе единой методологической базы моделировать взаимодействие объектов, содержащих элементы различной физической природы.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о корректности методики изучения релаксационных характеристик в режиме статического индентирования цилиндрического образца композита сферическим индентором, размеры которых соответствуют рекомендуемым

Список использованной литературы

1. Каплун А.В.: ANSYS в руках инженера

2. Басов К.А.: ANSYS справочник пользователя 2005

3. Конюхов А.В: основы анализа конструкций в ANSYS

4. Бейсембаев К.М.: Методическое указание по выполнению курсового проекта

5. Нургужин М.Р., Даненова Г.Т.: Инженерные расчеты в Ansys: сборник приемов.

6. Слесарев В.Д.: Механика горных пород.

7. www.kaz-referat.kz/gornye/materials

Заявка на участие

1.ФИО: Копжасар Д.М.

2.ВУЗ: КарТУ

3.Курс,группа: 4 курс, ТМО 17-1

4.Почтовый адрес, телефон, e-mail:87054237667 dindinkm@mail.ru