ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ НЕСТАЦИОНАРНОГО СТАНОЧНОГО МОДУЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МКЭ

EVALUATION OF THE RELIABILITY OF NON-STATIONARY MACHINE MODULE USING FEM

Andrei Stativko

professor and Candidate Technical Sciences of the Belgorod Shukhov State Technological University,

Russia, Belgorod

Ilya Saranchuk

student of the Belgorod Shukhov State Technological University,

Russia, Belgorod

Irina Panisheva

student of the Belgorod Shukhov State Technological University,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

Рассмотрен способ оценки надежности нестационарного станочного модуля с помощью метода конечных элементов.

ABSTRACT

The method of reliability evaluation of non-stationary machine module using the finite element method.

Ключевые слова: Метод конечных элементов, конструкции, деформации надежность, модель, станок, контакты, смещение, модернизация.

Keywords: Finite element method, design, deformation, reliability, model, press, contacts, displacement, modernization.

В процессе выполнения съёма припуска узлы металлорежущих станков испытывают многочисленные силовые нагрузки. Вследствие этого необходима оценка их состояния, с проверкой узлов на деформации и последующей оценкой прочности механических конструкций. Доступность программного обеспечения, проводящего расчеты с помощью метода конечных элементов (МКЭ), дает возможность оценить прогнозируемую надёжность проектируемого оборудования, определить его возможности по износоустойчивости несущих и нагруженных деталей эксплуатируемого оборудования.

 Оценка состояния оборудования выполняется поэтапно с использованием CAD систем геометрического моделирования, препроцессоров для подготовки расчётной модели, решателя и постпроцессора направляющей.

Рисунок 1. Объёмная геометрическая модель станка для обработки крупногабаритных деталей

Точность построения модели влияет на результаты расчета напряжённо-деформированного состояния объекта исследования.

Подготовка расчётов, вычисление, обработка и вывод результатов может проводится как в интегрированной системе, так и в специальных пакетах конечно-элементного анализа. Авторы предпочли второй вариант, с использованием ANSYS WB12.1 [2], так как этот пакет обладает большим функционалом в расчёте многоэлементных сборок, а применение оболочки Workbench позволяет избавиться от однотипных операций на стадии подготовки геометрической модели к расчётам.

Заранее подготовленная модель загружается в проект ANSYS, настроенный на выполнение требуемого задания. Если геометрия модели не содержит дефектов, которые, при их наличии, можно исправить в среде Workbench, то далее следует выполнить разбиение модели на конечные элементы.

При проведении анализа напряженно-деформируемого состояния сборок следует обратить внимание на контакты между её деталями

В системе имеются следующие виды контактов, к назначению которых следует подходить очень аккуратно, так как некорректно назначенный вид контакта не позволит выполнить достоверные вычисления.

Bonded – связанный контакт, зазор между телами автоматически закрывается, проникновение игнорируется;

No separation – линейный контакт без разделения;

Frictionless – нелинейный контакт без трения, зазор и проникновение регулируются;

Frictional – нелинейный контакт с учетом трения;

Rough – жесткий грубый контакт при возможном разделении тел в ходе контакта.

Назначение закреплений и нагрузок является важным элементом в подготовке задачи, в нашем примере нижние поверхности опор жестко закреплены, с исключением каких-либо перемещений (Fixed Support). Сила (Force) приложена не в крайней точке к режущей части инструмента, а к поверхности равной по площади сечению снимаемого слоя заготовки, направление силы определяется в соответствии с расположением режущей кромки инструмента. Для учета неоднородности и неравномерности снимаемого припуска [6] к площадке была приложена сила величиной 20000 Н, направленная к ней по нормали.

Перед началом запуска вычислений в настройках анализа (Analysis Settings) следует установить опцию «больших перемещений» (Large Deflection).

В зависимости от получения требуемых результатов в папке расчетов устанавливаются соответствующие опции, как это показано на рис. 3. В данном случае установлен вывод общих смещений в конструкции, вывод смещений по осям X и Y, вывод коэффициента запаса прочности для деталей конструкции.

Рисунок 2. Назначение выводимых результатов анализа

На рис. 4. представлены результаты анализа полученных значений по запасу прочности деталей конструкции, показывающие, что конструкция обладает значительным запас прочности, но в особо нагруженных элементах деталей, этот запас прочности приближается к минимальному.

Рисунок 3. Запас прочности деталей конструкции

Согласно результатам расчета, смещения, вызванные в поперечном направлении, представлены на рис. 5. величина смещения режущей части инструмента составляет более 1 мм, что является искажением получаемого размера, и означает возможность получения волнистости на поверхности в случае колебания величины и однородности припуска.

Рисунок 4. Деформации конструкции в поперечном направлении

Необходимо отметить, что смещение суппорта в месте установки маточной гайки продольной подачи отличается на 0,2 мм от смещения ходового винта, что вызывает дополнительные усилия на него.

На рис. 6 приведены расчёты конструкции с «клееными» контактами. Из них видно, что смещение в поперечном направлении меньше, чем при расчёте для скользящего контакта. Данные результаты могут ввести в заблуждение конструктора, который, основываясь на них, принимает неверное решение.

В целом конструкция имеет запас прочности примерно 65 %, но работы по её модернизированию в целях снижения массы – не целесообразны. Так как изменение деталей может вести к снижению имеющейся прочности. Следовательно – требуется смена общей компоновки оборудования, с проверкой её прочности и жёсткости согласно приведенной выше методике, а также с ударной нагрузкой.

Рисунок 5. Модель станка с «клееными» контактами

Правильно поставленная задача конечно-элементного анализа позволяет получить решения, связанные с разработкой оптимальной конструкции оборудования, или получения оценки прочностных характеристик существующего.

Список литературы:

1. Афанаскова Ю.А., Чепчуpов М.С. Моделирование ударного взаимодействия режущей части инструмента с деталью. Технология машиностроения. 2010. № 1. С. 16–18.
2. Дуганов В.Я., Чепчуров М.С. Оценка состояния оборудования технологической системы на основе расчетов напряженно-деформированного состояния. Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2016. № 11. С. 20–23.
3. Зворыкин К.А Работа и усилие, необходимых для отделения металлических стружек. Москва – 1893.
4. Погонин А.А., Старостин С.В., Чепчуров М.С. Определение величины контактных напряжений при ударном взаимодействии детали и режущей части инструмента. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2005. № 11. С. 385.