Авторы: Котов А.В., Дюжев А.А., Чупрынин Ю.В.
В статье рассмотрены приемы проектирования и исследования механизма регулировки подбарабанья и механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, разработанного в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике», при помощи пакета ADAMS. Эффективное использование данного пакета при проектировании рычажных механизмов сельскохозяйственных машин позволяет существенно сократить сроки конструкторских и исследовательских работ.
Системы рычажных механизмов занимают значительное место в конструкции современных сельскохозяйственных машин. Разработка рычажных механизмов, их испытание и доводка связана с большими затратами времени и материальных ресурсов, что недопустимо в современных условиях жесткой конкуренции на мировом рынке сельскохозяйственной техники. Сокращение сроков конструкторских и исследовательских работ возможно только за счет внедрения передовых методов компьютерного моделирования и исследования механических систем.
В РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» уже более 10 лет успешно применяется аналитический векторный метод исследования рычажных механизмов, основанный на применении векторного анализа и векторного преобразования координат, который подробно рассмотрен в работах [1, 2]. Этот метод отличается простотой и наглядностью, легко поддается формализации и алгоритмизации в любых современных математических пакетах и языках программирования, а существующая вычислительная техника позволила вывести его на новый уровень.
Однако в последнее время в связи с интенсификацией развития и широким применением средств вычислительной техники все чаще проектирование рычажных механизмов осуществляется в специализированных пакетах прикладных программ с элементами твердотельного моделирования в режиме построения наглядного изображения проектируемой системы на экране. Поэтому аналитические методы исследования рычажных механизмов постепенно уступают место новым компьютерным технологиям.
Современные компьютерные технологии сокращают время и средства на проектирование, исключают принятие ошибочных решений на стадиях разработки и исследования. К числу фирм, предлагающих комплексные компьютерные технологии автоматизации инженерных проектов, относится MacNeal-Schwendler Corporation. Данная фирма известна как разработчик перспективного программного комплекса виртуального моделирования механических систем ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), который в отдельных отраслях машиностроения является стандартом и применяется как эталон при сертификации. Программный комплекс сертифицирован по ISO 9001, 9002 и гарантирует правильность расчетов при точном воспроизведении исследуемого объекта и действующих на него нагрузок.
В РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» применение пакета ADAMS при разработке и исследовании рычажных механизмов на ранних стадиях проектирования началось относительно недавно в сотрудничестве с ГНУ «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси». Однако уже проведенное моделирование различных типов рычажных механизмов сельскохозяйственных машин при помощи данного пакета, показали его высокую эффективность, а также высокую степень сходимости полученных результатов, с результатами натурных экспериментов.
Последовательность проведения этапов моделирования в пакете ADAMS можно представить в виде блок-схемы приведенной на рисунке 1.
Рисунок 1 – Последовательность этапов моделирования в пакете ADAMS
Программный комплекс ADAMS имеет модульную структуру, среди которых можно выделить следующие основные модули:
– моделирующий модуль – ADAMS/View (препроцессор) – используется непосредственно для создания механических систем, их исследования и последующей оптимизации; позволяет создавать модель с переменными конструктивными параметрами для параметрического анализа или оптимизации по нужному критерию;
– вычислительный модуль – ADAMS/Solver (решатель)– автоматически формулирует и решает уравнения движения механических систем, формирует результаты анализа в необходимом виде для постпроцессорной обработки;
– модуль анализа результатов – ADAMS/Postprocessor (постпроцессор) – обеспечивает анимацию полученных результатов, построение графиков для любого элемента механической системы, в любой ее точке, как относительно глобальной системы координат, так и в локальных системах и др.;
– визуализационный модуль – ADAMS/Animation – предназначен для быстрого осуществления качественного мультипликационного воспроизведения результатов анализа созданной модели с одновременным наблюдением на графиках изменение анализируемых параметров.
Рассмотрим приемы применения вышеописанных модулей пакета ADAMS при виртуальном моделировании механических систем на примере механизма регулировки подбарабанья и механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, разработанного в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике».
Модуль ADAMS/View
Создание любой модели рычажного механизма при помощи модуля ADAMS/View подразумевает описание всех ее характеристик: геометрических размеров, физических свойств, способов соединения подвижных и неподвижных частей, задание действующих сил и моментов, начального положения элементов модели и их скоростей.
Построение полностью параметризированной модели исследуемого объекта в ADAMS/View может осуществляться двумя способами: непосредственно в модуле при помощи собственных инструментов или импортироваться в него из наиболее популярных CAD-систем. В настоящее время в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» в качестве основной CAD-системы используется Pro/Engineer, с помощью которого через форматы .stp, .igs, .x_t, .obj и др. можно осуществлять импортирование в модуль ADAMS/View заранее подготовленной твердотельной модели исследуемого объекта.
Для непосредственного создания модели в модуле ADAMS/View существует широкий набор инструментов, которые собраны на главной панели Main Toolbox, из которой через выпадающие меню осуществляется доступ ко всем основным инструментам. Работа с панелями инструментов интуитивно понятна, проста в освоении и не требует от инженера знакомства с новыми специфическими понятиями. Кроме того, существующие к данному программному комплексу руководства позволяют существенно сократить время адаптации к новому пакету моделирования [3, 4].
Построение простейших типов объектов в модуле ADAMS/View осуществляется с помощью панели инструментов Rigid Body, а более сложные объекты создаются их комбинацией. После создания всех частей конструкции, необходимо наложить существующие связи между элементами, которые расположены на панели Joint. По умолчанию все связи между элементами являются идеальными, но в них можно добавить трение. Задание действующих на исследуемый объект силовых нагрузок осуществляется при помощи панели инструментов Forces.
На рисунке 2 приведена виртуальная 3D модель механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, сформированная непосредственно в модуле ADAMS/View с помощью его собственных инструментов. Данный тип механизма предназначен для выделения зерна из вороха, поступающего из-под молотильного аппарата и соломотряса.
Рисунок 2 – 3D виртуальная модель механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, сформированная непосредственно в модуле ADAMS/View
На рисунке 3 приведена виртуальная 3D модель механизма регулировки подбарабанья самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, импортированная в модуль ADAMS/View из Pro/Engineer. Данный тип механизма предназначен для обеспечения постоянства установленных для убираемой культуры величины зазоров на входе и выходе молотильного аппарата, а также для обеспечения плавности регулировки зазоров.
Рисунок 3 – 3D виртуальная модель механизма регулировки подбарабанья самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, импортированная в модуль ADAMS/View
К недостаткам созданной непосредственно в модуле ADAMS/View модели исследуемого объекта можно отнести необходимость задания «вручную» массо-инерционных характеристик всех его элементов, если при проведении расчета их величина и приложение должны соответствовать реальной конструкции. В то время как для предварительно подготовленной, а затем импортированной твердотельной модели, в этом нет необходимости, так как данные параметры переносятся вместе с геометрией импортированного объекта. Если импортированная из CAD-системы модель исследуемого объекта реализована корректно, пакет ADAMS гарантирует точность расчета.
Модули ADAMS/Solver и ADAMS/Postprocessor
Этап исследования модели с помощью модуля ADAMS/Solver включает в себя моделирование поведения частей модели под действием приложенных внешних сил и заданных движений, а также выявления критических параметров, наиболее сильно влияющих на эффективность работы модели в целом.
Движение приводного звена исследуемого объекта задается при помощи панели инструментов Motion Driver. Для механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 в качестве входного звена используется кривошип коленчатого вала (вращающееся движение, см. рисунок 2), а для механизма регулировки подбарабанья – электромеханизм (возвратно-поступательное движение, см. рисунок 3).
В процессе моделирования рычажных механизмов для выполнения некоторых специфических условий работы, например, изменение характера движения при переходе «мертвого положения», может вводиться специальный датчик – Sensor. Sensor может «вмешивается» в процесс расчета и позволяет направлять его по тому пути, который задает инженер.
Для запуска расчета с помощью модуля ADAMS/Solver необходимо вызвать окно решателя Interactive Simulation Controls (пиктограмма с изображением калькулятора). В окне Simulation установить один из видов применяемого расчета – статический (Statik), кинематический (kinematik) или динамический (Dynamic), а также указать конечное время счета (End Time) и число шагов (Steps).
По окончании расчета, для исследования результатов, запускается постпроцессор – модуль ADAMS/Postprocessor, с помощью которого выводится вся интересующая инженера графическая информация об исследуемом объекте. Отразить все полученные в результате расчета данные можно также в виде текстового файла, который впоследствии может быть обработан и представлен в любом приемлемом табличном процессоре.
В процессе исследования механизма очистки зерноуборочного комбайна важными параметрами являются: величина неуравновешенности механизма, величина реакций в шарнирах, перемещение, скорость и ускорение различных точек решет в зависимости от угла поворота кривошипа.
На рисунке 4 приведены графики зависимости величины модуля реакции в неподвижных шарнирах механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 за один оборот кривошипного вала, представленные в модуле ADAMS/ Postprocessor.
Рисунок 4 - Графики изменения величины модуля реакций в неподвижных шарнирах механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 за один оборот вала кривошипа
В процессе исследования механизма регулировки подбарабанья самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218 важными параметрами являются: величина зазоров на входе и выходе молотильного аппарата, величина нагрузки на движущей элемент механизма; величина перемещения, скорости и ускорения точек подбарабанья.
На рисунке 5 приведены графики зависимости модуля скорости подъема-опускания для трех характерных точек подбарабанья, движение которых осуществляется вдоль направляющих боковин молотильного аппарата (см. рисунок 3), за один ход подъемного механизма самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, представленные в модуле ADAMS/ Postprocessor.
Рисунок 5 – Графики изменения величины модуля скорости трех характерных точек подбарабанья за одни ход электромеханизма самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218
Модуль ADAMS/Animation
Модуль ADAMS/Animation позволяет осуществлять качественное воспроизведение исследуемого объекта, получать сквозные виды конструкции, редактировать цветовую гамму, выбирать различные точки обзора и направления источников освещения объекта, одновременно с анимационным воспроизведением наблюдать на графиках изменение анализируемых параметров. Использование данного модуля интуитивно понятно в использовании и не представляет особых трудностей в его освоении.
Для сохранения алгоритма построения и расчета созданной в ADAMS модели с необходимыми параметрами в предельно сжатой форме существует командный файл .cmd (Command File) в текстовом формате. Командный файл состоит из определенной последовательности разделов с соответствующим описанием для системы ADAMS и с его помощью можно осуществлять синтез исследуемого объекта практически в любой из версий программы. Состав и содержание разделов командного файла могут изменяться в зависимости от особенностей моделируемого объекта, благодаря чему легко изменять параметры модели, сокращая время на доработку и отладку объекта.
Оптимизация модели
В процессе анализа полученных с помощью пакета ADAMS результатов расчета, инженер может принять решение об оптимизации моделируемого объекта. Процесс оптимизации заключается в определении таких значений критических параметров исследуемого объекта, при которых ее работа будет наиболее эффективной. Математический аппарат пакета АDAMS позволяет параметризировать практически все характеристики создаваемой модели (геометрические, кинематические, массовые и др.).
Перед началом процесса оптимизации какой-либо характеристики моделируемого объекта, необходимо создать оптимизируемый параметр с помощью меню Create Design Variable приведенной на рисунке 5, а. В данном меню указывается тип числовой величины оптимизируемого параметра (действительное (real), вещественные (integer) и др.), а также к какой характеристике моделируемого объекта он относится (угол, длина, масса и др). Дополнительно указывается начальное приближение оптимизируемого параметра и величина его предельного отклонения, в диапазоне которого будет осуществляться поиск решения.
На рисунке 5, а показан пример задания оптимизируемого параметра, в качестве которого выступает длина кривошипа коленчатого вала привода механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218. Начальное значение данного параметра принято равным 35 мм, а диапазон его изменения выбран ±10 мм.
а) б)
а – меню Create Design Variable для создания оптимизируемого параметра; б – меню Design Evaluation Tools для параметрического анализа
Рисунок 5 – Меню оптимизации по заданному критерию
После задания всех интересующих оптимизируемых параметров, вызывается меню параметрического анализа Design Evolution Tools приведенное на рисунке 5, б. В данном меню указывается целевая функция, подлежащая оптимизации (минимизации или максимизации), а также используемые для этого оптимизируемые параметры.
На рисунке 5, б показан пример использования меню параметрического анализа Design Evolution Tools, в котором в качестве целевой функции, подлежащей минимизации, является модуль ускорения точки одного из решет механизма очистки самоходного зерноуборочного комбайна КЗС-1218, а в качестве оптимизируемого параметра выбран предварительно заданный параметр оптимизации – длина кривошипа коленчатого вала.
Процесс оптимизационного поиска решения осуществляется в виде графиков (см. рисунок 6), по окончании которого найденное оптимальное решение присваивается оптимизируемому параметру, а рычажный механизм автоматически перестраивается в соответствии с результатом расчета.
Просмотр результатов оптимизации в виде текстового файла осуществляется с помощью панели Tabular Report tool, в котором указана вся интересующая информация по оптимизируемому параметру, включающая начальные условия и окончательный результат.
Рисунок 6 – Графический результат оптимизации
Вывод
Сформированные в пакете виртуального моделирования ADAMS модели механизма регулировки подбарабанья и механизма очистки зерноуборочного комбайна КЗС-1218, разработанного в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» позволяют быстро и адекватно проводить всесторонний анализ данных рычажных механизмов с последующим выводом графических результатов расчета. Таким образом, пакет ADAMS может заменить дорогостоящие и длительные натурные эксперименты быстрым и подробным компьютерным моделированием, обеспечивая предприятиям экономию значительных средств и выход на рынок с всесторонне оптимизированными изделиями.
Список литературы
1. Котов А.В. Применение векторного анализа при проектировании рычажных механизмов / А.В. Котов, Ю.В. Чупрынин // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 17-19 октября 2007 г. / РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства»: под общ. ред. В.Н. Дашкова. В 2 т.: Т.2. – Минск, 2007. – С. 32-37.
2. Дюжев А.А. Обеспечение универсальности навесного устройства энергосредства УЭС-2-250А «Полесье» с целью создания сельскохозяйственных агрегатов модульного типа / А.А. Дюжев, А.В. Котов, Ю.В. Чупрынин // Энергосберегающие технологии и технические средства в сельскохозяйственном производстве: доклады Международной научно-практической конференции, Минск, 12-13 июня 2008 г. В 2 ч. Ч.1 / редкол. А.В. Кузьмицкий [и др.]. – Минск, 2008. – С. 78-84.
3. Using ADAMS/ Solver. Version 9, Part number 91 SOLVUG-01, Mechanical Dynamics, Inc., USA, 1998. – 653 p.
4. Using ADAMS/ View. Version 9, Part number 91 SOLVUG-01, Mechanical Dynamics, Inc., USA, 1998. – 968 p.
Надеюсь, представленные на сайте материалы окажутся полезными для Вашей научной или практической деятельности и буду признателен за упоминание моих работ в списке Вашей литературы при их использовании.
Для цитирования данной работы:
Котов А.В. Проектирование и исследование рычажных механизмов сельско-хозяйственных машин при помощи пакета ADAMS / А.В. Котов, А.А. Дюжев, Ю.В. Чупрынин // Технiко-технологiчнi аспекти розвитку та випробування нової техніки i технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць / Укр-НДIПВТ iм. Л. Погорілого; Редкол.: В.I. Кравчук (голов. ред.) та iн. – Дослідницьке, 2008. – Вип. 12(26). – С. 239-248.
Комментариев нет:
Отправить комментарий