Аналіз перехідних процесів в геометрично змінюваних конструкціях на основі методу скінченних елементів

5. Спроектований "базовий" робочий цикл на основі осцилограми натурних випробувань крана, який дозволяє моделювати роботу оператора крана. На базі цього циклу створений ергодичний, для оцінювання динаміки крана поза залежністю від режиму його роботи та характеру операції, місця розташування.

6. Проведені розрахунки з метою оцінювання динамічних параметрів основного варіанту конструкції крана та порівняння його з удосконаленням варіантом. При роботі з вантажем 10т значення коефіцієнтів динамічності для Зусилля у рейці ЗВ досягає 2.84, для зусилля в вантажних канатах 3.07. Основна частина спектру усіх величин розміщена в області низькочастотних коливань з частотою порядку 0.3-0.6 гц, спектр широкий, що свідчить про розсіювання енергії в цілому діапазоні частот і про відсутність параметричних резонансів. Переважають коливання з малими амплітудами, що пояснюється великою жорсткістю конструкції.

Досліджений вплив на динамічні параметри крана: 

а) наявність гідродинамічного демпфера в рейці ЗВ. Розрахунками доведено, що демпфер суттєво зменшує амплітуди динамічних зусиль; найбільше впливає на ЗВ. Найбільший вплив демпфера забезпечується при виборі коефіцієнту демпфірування q=8*105кг/сек2, жорсткості  =2*106Н/м, (на базовому варіанті q=2,8*105кг/сек2,  =106Н/м); 

б) жорсткості відтяжки. Збільшення жорсткості до 2,56*106 Н/м (на базовому варіанті 1,5*106 Н/м ) найбільш зменшує рівень динамічних навантажень на валі механізму ПК. ;

в) жорсткості порталу. Збільшення жорсткості порпала дає незначне зменшенню амплітуд діючих сил в площині стрілової системи. 

 

 

1. Голоскоков Е.Г., Гардер С.Е. Применение метода конечных элементов в задачах динамики систем переменной конфигурации // Динамика и прочность машин. – Харьков: Вища шк. Из-во при Харьк. ун-те, -1986. – вып. 44. – С. 81-84. 

Здобувачу належить постанова задачи аналізу динаміки скінченного елементу, якій рухається у просторі, теоретичні дослідження, пов’язані з виводом рівнянь.

2. Гардер С.Е., Зайцев Ю.И. Построение алгоритма управления плоским движением маятниковой системы // Вестник Харьковского политехнического института. – Харьков: Вища шк. Из-во при Харьк. ун-те, 1986. – №229 – С. 20-23. 

Здобувачем проведено аналіз проблем, які виникають під час управління плоскою маятниковою системою, виведені основні рівняння.

3. Гардер С.Е., Голоскоков Е.Г. Исследование динамики портального крана при работе механизма изменения вылета. // Исследования оптимальных металлоконструкций и деталей подъемно-транспортных машин. Межвузовский научный сборник. Саратов: Издательство Саратовского университета, - 1987 - С.54-56. 

Здобувачем отримані рівняння портального крана, виконані чисельні розрахунки та обробка результатів.

4. Гардер С.Е., Голоскоков Е.Г., Зайцев Ю.И. Оценка динамической нагруженности нестационарных процессов в динамических системах. // Динамика и прочность машин. – Харьков: ХГПУ - 1998 – вып. 56. – С. 102-105.

Здобувачем запропоновано чисельний алгоритм для оцінки навантаження динамічної системи - портального крану з застосуванням теорії випадкових функцій.

5. Гардер С.Е. Моделирование базового рабочего цикла для исследования динамики портальных кранов. // Динамика и прочность машин. Харьков: - 2000. – вып. 57. – С. 115-120.

6. Гардер С.Е., Зайцев Ю.И., Корниль Т.Л., Математическая модель докового портального крана. // Вестник Харьковского государственного технического университета – Харьков: - 2000, вып. 128 - С. 92-99. 

Здобувачем отримані рівняння докового крана та обробка чисельних результатів на ЕОМ.

7. Гардер С.Е., Голоскоков Е.Г., Динамические уравнения движущегося конечного элемента. // Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”: сборник научных трудов. - Харьков: НТУ “ХПИ”.- 2001.- №6 - С.21-25. 

Здобувачем здійснено уточнення і розвиток раніше отриманих рівнянь рухомого скінченого елементу, висновки.

8. Голоскоков Е.Г., Гардер С.Е. Некоторые вопросы динамики систем переменной структуры // Тезисы Всесоюзной конференции по вибрационной технике. – Тбилиси: – 1984. - С. 208. 

Здобувачем виведені рівняння руху стержневого скінченого та виконані чисельні розрахунки.

9. Голоскоков Е.Г. Гардер С.Е. Численная реализация метода конечных элементов для систем переменной структуры. // Тезисы Всесоюзной конференции по вибрационной технике. – Тбилиси: – 1987. - С. 80. 

Здобувачем розроблени програми аналізу динаміки СЕ для ЕОМ , виконані чисельні розрахунки та обробка результатів.

10. Гардер С.Е., Голоскоков Е.Г., Исследование динамики механических систем на основе метода конечных элементов. // Материалы научной конференции “Прочность и колебания конструкций при вибрационных и сейсмических нагрузках”. – Запорожье: - 1993. – С. 10.

Здобувачем отримані рівняння динаміки портального крана КПП10, розроблена програма для ЕОМ, виконані чисельні розрахунки.

 

 

Гардер С.Є. Аналіз перехідних процесів в геометрично змінюваних конструкціях на основі методу скінчених елементів. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2002.

Дисертація присвячена розробці на основі методу скінчених елементів (МСЕ) методики аналізу перехідних процесів в геометрично змінюваних конструкціях для потреб сучасного проектування. Розвинуто теоретичні основи застосування МСЕ до розрахунку динаміки механічних систем змінної геометрії, побудована та досліджена система рівнянь СЕ, що рухається у просторі. Методики застосовано до вибраного об'єкту дослідження – портального крана. Створено математичну модель та комплекс програм для ЕОМ на її основі. Проведено порівняння моделі з експериментом на діючому портальному крані. Розроблено методику оцінки динамічної якості спроектованого портального крана з використанням поняття “базового” робочого циклу, засобів математичної статистики і теорії випадкових процесів. Досліджено вплив на динаміку портального крану особливостей конструкції: параметрів гідромеханічного демпферу в рейці механізму зміни вилету, впливу жорсткості відтяжки та порталу.

Ключові слова метод скінченних елементів, геометрично змінювані конструкції, динамічні процеси у машинах, динамічні навантаження.

 

Гардер С.Е. Анализ переходных процессов в геометрически изменяемых конструкциях на основе метода конечных элементов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 – динамика и прочность машин. – Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2001.

Метод конечных элементов (МКЕ) в настоящее время является одним из наиболее эффективных инструментом в численных исследованиях прочности и динамики различных машин. Однако, существует ряд объектов машиностроения, для которых применение МКЕ в его классической постановке затруднительно. Это машины, которые в процессе выполнения рабочей операции изменяют свою геометрическую конфигурацию из-за допустимости больших взаимных перемещений их конструктивных узлов без деформирования. К классу таких машин можно отнести портальные краны, экскаваторы, различные роботы-манипуляторы, узлы роторов вертолетов, ряд объектов космической техники и другие. Системы дифференциальных уравнений движения, описывающих подобные конструкции, содержат переменные коэффициенты и являются нелинейными.

Диссертация посвящена разработке на основе метода конечных элементов методике анализа переходных процессов в геометрически изменяемых конструкциях для потребностей современного проектирования в машиностроении.

 В работе построена и исследована система матричных дифференциальных уравнений динамики движущегося отдельного конечного элемента произвольной формы в локальной системе координат, связанной с элементом, служащей для описания относительного движения элемента и в глобальной системе, общей для всего ансамбля конечных элементов. Показано, что в уравнениях движения появляются дополнительные члены, связанные с движением конечного элемента. Дан алгоритм процесса формирования уравнений динамики конструкции, состоящей из конечных элементов. Методика конкретизирована для стержневого конечного элемента с шестью степенями свободы в узле. Для такого элемента в явном виде получены матрицы коэффициентов уравнений – жесткости, масс, демпфирования. Показана их переменная структура, обусловленная зависимостью от времени и координат.

 Создана математическая модель динамики портального крана КПП10, объединяющая конечноэлементные дифференциальные уравнения движения металлоконструкции, упруго-дискретные модели (дифференциальные уравнения) приводных механизмов с учетом применяемой системы управления и уравнения движения конструкционных элементов с односторонним деформированием – грузовых канатов. Разработан комплекс прикладных программ интегрирования уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка, обработки и представления результатов и для ПЭВМ на ее основе. Учет большого количества физико-механических и геометрических параметров объекта позволяет использовать данные программы на этапе проектирования машины.

Проведено сопоставление численных расчетов на математической модели с результатами натурных эксплуатационных экспериментов на работающем портальном кране, показавшее удовлетворительное соответствие модели реальному объекту исследования.

В работе показано, что исследования динамического поведения портального крана невозможны без учета реальных условий его работы – выполняемой рабочей операции. Создана математическая модель перегрузочного цикла работы портального крана, позволяющая имитировать действия опрератора-крановщика. Перегрузочный цикл состоит из взятия груза (грейфирования), транспортировки его, разгрузки грейфера и возврата в исходную точку. На основе такой операции предложена методика оценки динамического качества спроектированного портального крана по ряду параметров с использованием понятия “базового” рабочего цикла, состоящего из ряда подобных отдельных циклов и обладающего свойством эргодичности. 

Обработка результатов численных экспериментов проведена с привлечением методов математической статистики и теории случайных процессов. Исследовано влияние на динамику крана ряда особенностей его конструкции: параметров гидромеханического демпфера, связанного с рейкой механизма изменения вылета, влияния жесткости портала, оттяжки и хобота.

Ключевые слова динамические процессы в машинах, динамические нагружения, метод конечных элементов, геометрически изменяемые конструкции.

 

Garder S.E. Transient analysis in geometrically changeable designs on the basis of a finite element method. - Manuscript.

Dissertation for obtaining the scientific degree of the candidate of technical science according to the speciality 05.02.09 - dynamics and strength of machines. - National Technical University "Kharkov Polytechnical Institute ", Kharkov, 2001.

The finite element method (FEM) is one of the most effective tool for researches of strength and dynamics of machines now. However, there is a series of designs, the application FEM is inconvenient to which one. It is machines with the geometrical configuration changeable: gantry cranes, excavators, manipulators etc. Dissertation is dedicated to mining on the basis FEM to an assay technique of transients in geometrically changeable designs for needs of modern designing. The differential equations of a driving finite element in local and global coordinate systems are constructed and studed. The technique of dynamical equations formation for design consisting of finite elements is rotined. The mathematical model of dynamics of a gantry crane integrating of an FM-equation of a metallic structure, elastically discrete models of operating mechanisms and members with unilateral deforming - cargo cable ropes is built. The computer applications are designed. Matching model with outcomes of experiments on the working crane is conducted. The technique of an estimation of dynamic quality of the designed gantry crane with usage of concept of a "base" duty cycle, methods of mathematical statistics and theory of stochastic processes is offered. The influencing on the crane dynamics of design features is investigated: parameters of the hydro mechanical damper, bound with a screw rack mechanism of departure change, influencing of a jack house, a guy and a trunk rigidity.

Keywords a finite element method, geometrically changeable designs, dynamics processes of machines, dynamical load.