|
25
сжатия, которое негативно скажется при последующих технологических
операциях.
Методика исследований: Для изучения прочностных и жесткостных
показателей вальцового станка предварительно был разработан виртуальный
экспериментальный стенд в виде 3D модели технического объекта в
программном комплексе SolidWorks (рис. 1). Второй целью разработки
виртуального объекта было исследование принципиальной возможности
использования такого цифрового двойника.
Рисунок 1 – Виртуальная 3D модель вальцового станка
Основным рабочим модулем определения зависимости между жесткостью
вальцового станка и изменением величины межвальцового зазора является
SolidWorks Simulation. Данная опция программы SolidWorks упрощает
построение расчетных моделей сложных систем при сохранении удобного
интерфейса. В частности, это касается задач, где необходим анализ систем,
содержащих конструктивные элементы в виде тел, оболочек и балок с
разнообразными соединениями и неканоническими условиями нагружения.
Кроме того, уделяется внимание повышению вычислительной эффективности
алгоритмов,
что позволяет рационально
использовать современные
компьютеры.
При исследовании на жесткость и прочность виртуальной модели
вальцовой пары последовательно указываются место приложения нагрузки, ее
величину и материал виртуального объекта. Далее осуществляется запуск
моделирования, который воспроизводит анимацию, позволяющую по
26
поведению детали оценить правильность приложения нагрузки. Если деталь
деформируется ожидаемым образом, то следующим этапом будет открытие
вкладки с результатами. Результаты исследования представляются в виде эпюр
с использованием шкалы значений адекватного диапазона.
Результат исследования деформации вальцов в зависимости от их
нагружения и прочностных и жесткостных характеристик представлен на
рисунке 2.
Рисунок 2 – Исследование деформаций вальцов
Следующим этапом исследования было создание реального стенда (рис.
3), включающего частотно регулируемый электродвигатель 1, ременную
передачу 2, жесткую рамную конструкцию 3, бункер для загрузки сырья 4, пару
вальцов 5 и систему регулировки зазора между вальцами 6.
Рисунок 3 – Внешний вид стенда
27
Одним из способов компенсации прогиба вальца может быть обратная
деформация вальца внутренним давлением. Для расчета напряженно-
деформированного состояния вальца от внутреннего давления по методу
конечных элементов (МКЭ) использовалась расчетная схема, приведенная на
рисунке 4.
Рисунок 4 - Расчетная схема
Для наилучшей компенсации прогиба профиль стенки вальца может быть
подобран в соответствии с теми нагрузками, которые валец будет испытывать в
процессе работы.
Подвижную опору вальца на основе МКЭ мы представили двумя
расчетными схемами (моделями): в виде объемного тела, в виде стержневой
модели. Последняя является упрощенной и используется в дальнейшем для
описания жесткостных свойств станка целиком (без учета станины). Кроме
этого, на ее основе устанавливается зависимость прогиба подвижной опоры
вальца от размеров его характерного сечения.
Принятая расчетная схема подвижной опоры вальца, как объемного тела
приведена на рисунке 5. Расчетная схема является результатом "стыковки”
шести блоков, представляющих отдельные части подвижной опоры.
28
Рисунок 5 - Расчетная схема
Конечными упругими элементами (КЭ) блоков подвижной опоры
являются объемные конечные элементы двух типов: треугольные призмы и
параллелепипеды. Валец, подшипник и ось поворота опоры имитируются в
блоках системой жестких стержней, работающих на растяжение-сжатие,
располагающихся соответственно в радиальных направлениях от оси вальца и
от оси поворота опоры. Таким образом распределяются усилия от вальца и от
оси поворота. Связь подвижной опоры с растяжкой также представлена
стержнями сжатия-растяжения. Структура блоков одинакова, а их
геометрические особенности определяются декартовыми координатами узлов
КЭ.
Стержневая схема подвижной опоры вальца представлена на рисунке 6.
Конструкция опоры в данном случае моделируется призматическими
стержневыми КЭ. Стержни работают на растяжение- сжатие и на изгиб. Валец с
подшипником идеализированы жесткими стержнями, работающими на
растяжение-сжатие. Как и в случае объемной модели стержни-имитаторы
располагаются по радиусу от оси вальца. Крепление опоры к оси поворота
представлено цилиндрическим шарниром в узле 12.
29
Рисунок 6 – Стержневая схема подвижной опоры вальца
Крепление подвижной опоры к растяжке представлено горизонтальным
стержнем II (рис. 7).
Рисунок 7 – Деформированное состояние подвижной опоры
Далее переходим к этапу нагружения детали. Необходимо указать на
поверхности место приложения нагрузки. Предпоследним этапом расчёта
является создание конечно-элементной сетки, в основе которого МКЭ — это
30
численный метод решения дифференциальных уравнений с частными
производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении
задач прикладной физики. Суть метода следует из его названия. Область, в
которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на
конечное количество подобластей (элементов). В данном случае, исходя из
размеров и геометрии деталей, в качестве элементов разбиения выбираются
тетраэдры размером 0,7 х 0,035 мм. Всего узлов в сетке – 9854411, всего
элементов в сетке – 7544164.
Выполнение расчета сопровождается отображением результатов, которые
позволяют оценить деформацию и перемещения, возникающие в процессе
работы механизма, а также максимальные напряжения (рис. 8).
Рисунок 8 – Результаты расчета
Выводы: В результате проведенных исследований был сделан вывод о
том, что классический метод исследования прочностных и жесткостных
характеристик вальцового станка при правильной постановке задачи может
быть успешно дополнен использованием его цифрового двойника. Такой
всесторонний подход к исследованию позволяет визуально определить все
узкие места конструкции и устранить их до момента изготовления реального
изделия.
Do'stlaringiz bilan baham: | 
