авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Методов анализа и синтеза динамики машин

-- [ Страница 1 ] --

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

АНДРЕЕВ Юрий Михайлович

УДК 519.682.6

РАЗРАБОТКА АНАЛИТИЧЕСКИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ МЕТОДОВ
АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ДИНАМИКИ МАШИН

Специальность 05.02.09 – Динамика и прочность машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Харьков – 2009

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена на кафедре теоретической механики в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт» Министерства образования и науки Украины, г. Харьков

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Морачковский Олег Константинович,

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»,
г. Харьков, заведующий кафедрой теоретической механики

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зиньковский Анатолий Павлович,

Институт проблем прочности

им. Г.С. Писаренко НАН Украины, г. Киев,

заведующий отделом колебаний и

вибрационной надежности;

доктор технических наук, профессор

Грищак Виктор Захарович,

Запорожский национальный университет,

г. Запорожье, заведующий кафедрой прикладной

математики и механики;

доктор технических наук, профессор

Ткачук Николай Анатолиевич,

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»,
г. Харьков, заведующий кафедрой теории

и систем автоматизированного проектирования

механизмов и машин.

Защита состоится « 17 » июня 2009 г. в 14-30 на заседании специализированного ученого совета Д64.050.10 в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт» по адресу: 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» по адресу: 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21.

Автореферат разослан « 8 » мая 2009 г.

Ученый секретарь
специализированного ученого совета В. Г. Сукиасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Определение динамических свойств технологических, энергетических, транспортных машин и других технических систем сложной конфигурации с учетом реальных условий эксплуатации, а также тенденций к сокращению сроков, которые отводятся для создания новой техники, является необходимым условием обеспечения их дальнейшего надежного функционирования. Это требует построения усложненных динамических моделей таких систем, которые заключаются в увеличении числа степеней свободы, в уточнении моделирования действующих сил с учетом их физической природы. Сложность исследования динамических процессов заключается в невозможности точного аналитического анализа, поскольку они, как правило, описываются системами дифференциальных или дифференциально-алгебраических уравнений, в общем случае нелинейных, решение которых в явном виде получить в большинстве случаев невозможно. Существующие численные методы, широко применяемые в задачах динамики и прочности машин, начальных параметров, динамических жесткостей или конечных элементов – даже при современном уровне развития вычислительной техники не позволяют осуществить полное описание всех аспектов динамического поведения технических объектов, в первую очередь, в области машиностроения, с учетом их сложной структуры и особенностей связей между составными элементами, в частности, нестационарных и неголономных.



Много современных объектов техники, например, силовые передачи транспортных машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), автомобили и гусеничные машины, подъемно-транспортные и сельскохозяйственные машины, а также станки, манипуляторы роботов, космические аппараты и другие технические системы, должны рассматриваться с учетом разнообразных, прежде всего, пространственных движений их частей. В настоящее время наиболее эффективно это можно осуществить, если моделировать динамические процессы с помощью систем многих твердых тел (multibody system), или в более широком понимании дискретных систем сложной структуры с произвольными связями. Они позволяют, во-первых, провести более адекватное моделирование сил взаимодействия твердых и деформируемых тел, а именно, инерционных, упругих, диссипативных и других, имеющих разную физическую природу. Во-вторых, в рамках одной механической системы рассмотреть разные виды движения ее элементов, прежде всего, пространственные, с учетом наложенных на них геометрических и кинематических связей. В-третьих, осуществить решение задач анализа динамических процессов, которые протекают в таких системах, с определением законов движения любых их составных частей вместе с определением положений равновесия, начальных и текущих конфигураций тел системы и их силового обеспечения. В-четвертых, на этапе проектирования провести вычислительные эксперименты при варьировании значений неизвестных параметров системы, а, возможно, и ее структуры, что характерно для задач параметрического и структурного синтеза.

Существующие методологические подходы к решению задач динамического анализа объектов техники, как свидетельствует обзор результатов современных научных исследований, не удовлетворяют с точки зрения эффективности и универсальности, понимаемые здесь как возможность автоматического получения компактных в вычислительном аспекте уравнений движения в разных координатах и псевдокоординатах на базе минимальных данных и проведение комплексных расчетов динамических свойств процессов широкого круга механических систем.

Разработка аналитических компьютерных методов анализа и синтеза динамики машин и других технических систем, а также комплексное компьютерное автоматизированное исследование их динамики с целью установления закономерностей влияния характерных особенностей структуры, изменения параметров на основе использования дискретных моделей сложной структуры с большим количеством степеней свободы является актуальной и важной научно-практической проблемой динамики и прочности машин, приборов и аппаратуры. Особенно это касается исследований переходных процессов и колебаний в силовых передачах транспортных машин с учетом процессов в системе сгорания двигателей и для решения задач виброизоляции технических объектов, при анализе динамики подъемно-транспортных машин, манипуляторов и космических объектов, где необходимо рассматривать сложные пространственные движения твердых и упругих тел, которые сопровождаются относительно малыми колебаниями несущих частей, и удовлетворять высоким требованиям к точности позиционирования в условиях существенного повышения роли сил инерции и высокой производительности технологических операций. Все это составляет направление диссертационного исследования.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа сделана на кафедре теоретической механики НТУ «ХПИ» при выполнении научно-исследовательских работ по хоздоговорной теме: «Разработка теоретических основ и расчетов динамики двигателей и трансмиссий промышленных тракторов» (заказчик – Чебоксарский завод промышленных тракторов, № ГР 0187.0003585, соискатель исполнитель отдельных разделов), по госбюджетным темам МОН Украины: «Создание методов анализа нелинейных динамических процессов, бифуркаций и ползучести в тонкостенных конструкциях» (№ ГР 0103U001486, соискатель исполнитель отдельных разделов), «Создание методов анализа нелинейной динамики и ползучести деформированных тел и дискретных систем» (№ ГР 0106U001465, соискатель ответственный исполнитель).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка аналитических компьютерных методов и создание программных средств на основе специальной системы компьютерной алгебры (ССКА) расчета динамических процессов в дискретных системах общего вида, которые моделируют энергетические, транспортные, технологические машины и прочие технические системы, и решение с их помощью прикладных задач анализа и синтеза динамики разнообразных технических объектов на предмет установления новых закономерностей влияния характерных особенностей структуры и изменения параметров на динамические процессы, которые возникают в реальных условиях эксплуатации.

Для достижения сформулированной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1) создать обоснованную теорию расчета динамических процессов в дискретных системах с применением аналитических компьютерных методов и программных средств в виде специальной системы компьютерной алгебры;

2) разработать универсальное аналитическое описание и эффективные алгоритмы автоматического компьютерного формирования методами аналитической механики в обобщенных и псевдокоординатах уравнений динамики технологических, энергетических, транспортных машин и технических систем, рассматриваемых как голономные, неголономные, стационарные и нестационарные дискретные системы сложной структуры с произвольными связями при плоском и пространственном движениях в условиях квазистатических и динамических нагрузок;

3) провести расчеты динамических процессов в конструктивных элементах широкого класса машин и технических систем на основе использования разработанной ССКА и осуществить сравнение их результатов с известными аналитическими и числовыми данными;

4) получить аналитические и количественные оценки эффективности уравнений динамики машин, приборов и аппаратов, автоматически формируемых компьютером разработанными методами, сравнить их с известными;

5) решить на разработанной теоретической основе с применением аналитических компьютерных методов и программных средств прикладные задачи расчетов динамических процессов для анализа и синтеза конструкций, машин, приборов и аппаратов современной техники, которые включают:

  • анализ колебаний и переходных процессов в силовых передачах с ДВС,
  • анализ динамических процессов в стержневых и балочных конструкциях,
  • анализ и синтез динамики манипуляционных систем,
  • решение задач виброизоляции транспортных средств и высотных сооружений,
  • синтез систем с кулачковыми механизмами, стреловых устройств портовых кранов и систем подвески сельскохозяйственных машин,
  • анализ переходных и ударных процессов в космических конструкциях и в контейнерах для транспортировки активных отходов АЭС.

Объектом исследования являются динамические процессы в дискретных механических системах при плоском и пространственном движениях в условиях квазистатических и динамических нагрузок, которыми моделируются энергетические, технологические, транспортные машины и технические системы сложной структуры, с учетом связей между элементами, в том числе, неголономных, нестационарных, неудерживающих.

Предметом исследования являются разработанные аналитические компьютерные методы расчета колебаний, стационарных, ударных и переходных динамических процессов в дискретных механических моделях сложных энергетических, технологических, транспортных машин и других технических систем.

Методы исследования. Все теоретические выводы диссертации основаны на фундаментальных положениях аналитической механики, прикладной теории колебаний и удара. При создании ССКА и программных средств использованы методы объектно-ориентированного программирования и визуального проектирования программ. Для аналитического определения инерционных характеристик тел по геометрическим параметрам их частей реализован метод Фаворина. При решении полной проблемы собственных значений и векторов действительных и комплексных симметричных матриц в задачах анализа малых линейных колебаний использованы вычислительные алгоритмы Якоби, QL и Холецкого. Приведение динамических уравнений к форме Коши осуществляется методом Краута. Численное интегрирование таких уравнений проводится методами Рунге-Кутта с автоматизированным выбором шага и Адамса.





Научная новизна полученных результатов состоит в разработке нового аналитического компьютерного метода анализа динамических процессов дискретных механических систем на основе общего вариационного принципа механики и программных средств его реализации в виде специальной системы компьютерной алгебры, использование которых на основе решения задач анализа и синтеза широкого класса технических систем позволило установить новые закономерности, а именно:

  • вынужденных колебаний и переходных процессов в силовых передачах с ДВС с учетом процессов в системе сгорания, которые состоят в том, что при нарушении процесса сгорания и вследствие этого уменьшается пик индикаторной диаграммы в одном из цилиндров и возрастает амплитуда первой гармоники возбуждения колебаний силовой передачи, что необходимо учитывать при отстройке системы от резонансов;
  • виброизоляции высотных сооружений и транспортных средств, взаимодействующих с твердыми телами и способных проявлять неголономность связей при пространственном движении, на основе чего показано, что использование шарового виброгасителя эквивалентно применению антивибратора, который настроен на наиболее низкие частоты;
  • переходных и ударных процессов, происходящих в стержневых и балочных конструкциях транспортных систем, в космических конструкциях и в контейнерах для транспортирования высокоактивных отходов АЭС с одновременным решением задач силового обеспечения положений равновесия и заданных движений, поиска начальных и текущих конфигураций тел;
  • динамики манипуляционных систем с учетом сложных пространственных движений их звеньев, сопровождаемых колебаниями, которые позволили в условиях существенного повышения роли сил инерции определить движущие силы с учетом обхода препятствия, которые удовлетворяют высоким требованиям к точности позиционирования;
  • параметрического и структурного синтеза на этапе проектирования новых кулачковых механизмов, зубчатых реек стреловых устройств портовых кранов и систем подвески сельскохозяйственных машин в рамках одной механической системы с учетом наложенных разных геометрических и кинематических связей и изменения структуры.

Практическое значение полученных результатов. Теоретические результаты работы могут быть использованы при создании новых аналитических компьютерных методов расчета динамики машин и технических систем, а программные продукты в практике машиностроительных проектно-конструкторских и научно-исследовательских учреждений для анализа и синтеза современной и новой техники на стадиях проектирования, доводки, производства и эксплуатации.

Результаты работы использованы при проведении фундаментальных научных исследований на кафедре теоретической механики НТУ «ХПИ» расчеты динамики робототехнических манипуляционных систем и других систем с нестационарными, неголономными, неудерживающими связями, а также в прикладных научно-технических роботах для ряда промышленных предприятий и научно-исследовательских организаций: КБСД ГП «Завод имени Малышева» (г. Харьков) – программные средства для расчетов колебаний и переходных процессов в силовых передачах с ДВС; машиностроительного предприятия «УКР.АГРО-СЕРВИС» (г. Харьков) – механические модели и результаты расчетов динамических процессов при кинематическом возбуждении от комбайна и неровностей грунта для обоснования работоспособности базовых конструкторских решений и существенных изменений в проекте конструкции жаток; Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт» (ННЦ «ХФТИ», г. Харьков) – метод и результаты анализа прочности, данные расчетов ударных взаимодействий с вязко-упругими препятствиями, выводы и рекомендации относительно проектирования контейнера-упаковки для высокоактивных радиационных отходов атомных станций; Чебоксарского завода промышленных тракторов (г. Чебоксары, Россия) – эксплуатация разработанных программных средств и проведение серии расчетов динамики силовых передач промышленных тракторов и других систем.

Полученные результаты исследований внедрены в учебном процессе кафедр НТУ «ХПИ», Клайпедского мореходного института (Литовская республика), Чувашского государственного университета (Россия).

Личный вклад соискателя. Все основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, получены соискателем самостоятельно, среди них: аналитические алгоритмы формирования уравнений движения голономных и неголономных стационарных и нестационарных дискретных систем в обобщенных и псевдокоординатах без использования формализмов Лагранжа или Апеля, непосредственно на базе вариационного принципа д’Аламбера-Лагранжа, единое описание моделей и задач анализа кинематики, статики, динамики и кинетостатики, свободных и вынужденных колебаний структурно сложных систем; реализация комплексного метода решения задач динамического анализа, предусматривающего расчет законов изменения обобщенных (псевдо) координат путем численного интегрирования, и на базе этого, или одновременно с этим, определение сил в сечениях модели по принципу освобождаемости от связей; динамический метод решения обратной задачи кинематики и задачи поиска положений равновесия нелинейных систем; определение верхней границы числа арифметических операций в уравнениях движения голономных систем твердых тел со структурой «дерево», формируемых автоматически; создание ССКА и реализация на ее базе современного проблемно-ориентированного комплекса программ для автоматизации решения задач анализа и синтеза машин и систем; разработка методов аналитической компьютерной диагностики входных данных и моделей механических систем сложной структуры, имеющих голономные и неголономные связи; получение на основании разработанных компьютерных средств решений прикладных задач проектирования транспортных, робототехнических и других машин и их узлов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.