Решение задач общего машиностроения в программном комплексе

1. Универсальный механизм

Решение задач общего
машиностроения в
программном комплексе
Универсальный Механизм
www.umlab.ru
[email protected]
Универсальный Механизм

2. Обратите внимание

Все анимации, иллюстрации, результаты
моделирования, приведенные в данной презентации,
выполнены с использованием моделей и стандартных
инструментов программного комплекса
«Универсальный механизм»
Универсальный Механизм

3. Содержание

Примеры моделирования
Механическая система как объект моделирования
Создание моделей
Анализ динамики моделей
Верификация программного комплекса
Универсальный Механизм

4. Машины и механизмы

Плоские механизмы
Тестовая задача для программ моделирования динамики
систем с замкнутыми кинематическими цепями.
Источник: Schiehlen W. (Ed.) Multibody Systems Handbook. Berlin,...: Springer
Verlag, 1990.
Универсальный Механизм

5. Машины и механизмы

Плоские механизмы
Механизм виброуплотнения
железнодорожного балласта
Универсальный Механизм

6. Машины и механизмы

Пространственные механизмы
Динамическая платформа
Универсальный Механизм

7. Машины и механизмы

Пространственные механизмы
Самораспаковывающаяся космическая ферма
Универсальный Механизм

8. Машины и механизмы

Пространственные механизмы
Кинематика подвески автомобилей
Универсальный Механизм

9. Пуск ракеты

ЦКБ «Новатор», Екатеринбург
Универсальный Механизм

10. Плавучая нефтяная платформа

Моделирование динамики плавучей нефтяной
платформы с учетом гидродинамических сил
Автор: Dr.-Ing. U. Wilke (TUHH, Germany)
Универсальный Механизм

11. Двигатель

Универсальный Механизм

12. Динамика автомобиля УАЗ на ухабе

Универсальный Механизм

13. Элементы трансмиссии автомобиля

Дифференциал
Карданный вал
Универсальный Механизм

14. Грейдер ГС 18-05

Грейдер ГС 18-05 производства
ОАО «Брянский арсенал».
Скорость движения: 40 км/ч
Покрытие: асфальт в
удовлетворительном состоянии
Автор: Говоров В.В., БГТУ
Универсальный Механизм

15. ВАЗ 2109

Тест «вертикальная прокачка»
Универсальный Механизм

16. Моделирование гусеничных экипажей

Результаты моделирования
Универсальный Механизм

17. Моделирование гусеничных экипажей

Результаты моделирования
Универсальный Механизм

18. Взаимодействие гусеницы и звездочки

Универсальный Механизм

19. Грузовик с прицепом

Смена полосы движения, V=88 км/ч
Универсальный Механизм

20. Автопоезд

Поворот на 90º, V=10 км/ч, радиус дуги 11,25 м
Универсальный Механизм

21. Управляемые колеса

Булыжное покрытие, V=100 км/ч.
Универсальный Механизм

22. Грохот для ЭЗТМ

Электростальский завод тяжелого машиностроения
Макет грохота
Модель макета грохота. Трехмерная модель в
КОМПАС-3D предоставлена ЭЗТМ.
Универсальный Механизм

23. НИИ Автоматической Аппаратуры

Ускорение, g
Максимальные ускорения в
эксперименте: 4g
25
20
15
10
5
0
-10-5
-10
-15
-20
-25
10
30
50
70
90
110
130
Запатентованная тросовая
система виброзащиты, НИИ
Автоматической Аппаратуры,
Москва, 2007 г.
Время, мс
Кинематическое возбуждение
из эксперимента
Универсальный Механизм

24. Моделирование

Манипулятор «Рука»
Разработчик: к.ф.-м.н. Селенский Е.Е.
Универсальный Механизм

25. Плоская модель гранулярной среды

Моделирование гранулярной среды включает:
• создание частиц с учетом статистики;
• заполнение заданного объема;
• уплотнение.
Разгрузка хоппера
Универсальный Механизм

26. Плоская модель гранулярной среды

Виброуплотнение
Универсальный Механизм

27. Моделирование упругих тел

Ленточный конвейер
(202 тела, 495 степеней свободы)
Портовый кран: первая
собственная форма
Более 200 твердых тел
Динамика упругого кабеля
Универсальный Механизм

28. UM FEM: Гибридная модель подвески грузовика

Конечно-элементная
модель листовой
рессоры
По заказу Hendrickson Pacific Ltd.
Универсальный Механизм

29. UM FEM: принцип работы

Моделирование гибридных систем
(систем твёрдых и упругих тел)
Импорт динамических и статических форм из МКЭ-программ
(ANSYS, MSC.NASTRAN)
Конечноэлементная
модель
из
ANSYS,
MSC.NASTRAN
+
Твёрдотельная
модель
из
Универсального
механизма
=
Гибридная
модель
в
Универсальном
механизме
Универсальный Механизм

30. UM FEM

Моделирование гибридных систем
Импорт динамических и статических форм из МКЭ-программ
(ANSYS, MSC.NASTRAN)
Универсальный Механизм

31. Содержание

Примеры моделирования
Механическая система как объект моделирования
Создание моделей
Анализ динамики моделей
Верификация программного комплекса
Универсальный Механизм

32. Порядок создания и исследования модели

Исходная механическая
система
Формирование исходных
данных и концепции
модели
Формирование
кинематической схемы
модели
Формирование
динамической схемы
модели
Автоматический вывод
уравнений движения
M q q k q, q Q q, q , t
Исследование динамики
модели
Универсальный Механизм

33. Механическая система как объект моделирования

Тела
+
Шарниры
+
Силовые элементы
Универсальный Механизм

34. Твердые тела

Твердые тела:
• Графический образ
• Инерционные параметры
Универсальный Механизм

35. Шарниры

Шарниры
Поступательный
Вращательный
2 - 6 степеней
свободы
Кватернионный
Стержень
Универсальный Механизм

36. Силовые элементы

Сайлент-блок
Пневмопружина
Сайлент-блок
Демпфер
По заказу Hendrickson Pacific Ltd.
Универсальный Механизм

37. Cиловые элементы

Усилие в пневмопружине, Н
Пневмопружины
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
0.15
0.17
0.19
0.21
0.23
0.25
0.27
0.29
Длина пневмопружины, м
Демферы
Усилие в демпфере, Н
4000
2000
0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2 -2000 0
0.2
0.4
0.6
0.8
-4000
-6000
-8000
-10000
-12000
Относительная скорость в демпфере, м/с
Универсальный Механизм

38. Силовые элементы

Линейный силовой элемент: пружины
Биполярный силовой элемент: демпферы, тяги и т.д.
Универсальный Механизм

39. Контактные силы

Контактные силы:
точка – плоскость, точка – Z-поверхность
Система фрикционного гашения трехэлементной тележки моделируется
контактным взаимодействием между клиньями и надрессорной балкой
и клиньями и боковой рамой
Универсальный Механизм

40. Контактные силы

Контактные силы: Окружность – Плоскость,
Окружность – Z-поверхность, Окружность – Цилиндр
Корпус подшипника под вертикальной нагрузкой
Универсальный Механизм

41. Специальные силы

Специальные контактные силы: кулачки
Доступные типы кулачков
Универсальный Механизм

42. Интерфейс «Компас 3D – Универсальный механизм»

Универсальный Механизм

43. Интерфейс «Компас 3D – Универсальный механизм»

Лобзик
Динамическая
библиотека для САПР
КОМПАС
«Универсальный
Механизм - Express»
Универсальный Механизм

44. Интерфейс «SolidWorks – Универсальный механизм»

Универсальный Механизм

45. Интерфейс «Autodesk Inventor – Универсальный механизм»

Универсальный Механизм

46. Импорт систем управления из Мatlab/Simulink

Пример 1. Стабилизация перевернутого маятника
ψ
Задача: управляя силой F стабилизировать
перевернутый маятник в вертикальном положении
m, I
F
M
Схема модели
F
ψ
Механическая часть
(Универсальный механизм)
Система управления
(Matlab/Simulink)
Модель системы управления в
Matlab/Simulink
Схема передачи данных
Универсальный Механизм

47. Интерфейс с Matlab/Simulink

Пример 1. Результаты моделирования
Неуправляемое движение
Управляемое движение
Универсальный Механизм

48. Интерфейс с Matlab/Simulink

Пример 2. Тяговый привод маневрового локомотива
Локомотив ТЭМ21
Тележка
Двигатель постоянного тока
Универсальный Механизм

49. Интерфейс с Matlab/Simulink

Пример 3. Электропривод конвейера
Автор – инж. Мясников А.А., каф. ПТМ, БГТУ
Плоская модель конвейера. Модель асинхронного двигателя
импортирована из Matlab/Simulink.
Цель работы: исследование процесса пуска конвейера,
оптимизация системы управления асинхронным двигателем
Универсальный Механизм

50. Интерфейс с Matlab/Simulink

Модель пассажирского вагона
Разработал к.т.н. Буйвал А.К.
Усилие в гидроцилиндре
В центральную ступень
подвески пассажирского
вагона добавлен
управляемый силовой
элемент. Модель системы
управления реализована в
Matlab/Simulink.
Схема передачи данных
Механическая часть
(Универсальный механизм)
Vкузова
Vрамы
aкузова
Система управления
(Matlab/Simulink)
Универсальный Механизм

51. Интерфейс с Matlab/Simulink

Ускорения пола кузова
Неуправляемая система
Управляемая система
Универсальный Механизм

52. Содержание

Примеры моделирования
Механическая система как объект моделирования
Создание моделей
Анализ динамики моделей
Верификация программного комплекса
Универсальный Механизм

53. Создание моделей: Модуль ввода

Список
элементов
Список
идентификаторов
Инспектор данных
Вид программы описания моделей
Универсальный Механизм

54. Уравнение движения

Автоматический синтез уравнений движения
Вывод уравнений в символьной форме
и использованием встроенной
системы компьютерной алгебры
………………………………………………………….
_Frc_Vctr[1] := _._ap[3]*_.ix+_._ap[3]*_.mass*_._c2*
_._c3*_.length*_.length+_._ap[3]*_.mass*_._c3*_.length
*_.length-_._ap[3]*_.mass*_.length*_.length*
_._s2*_._s3+ _._ap[3]*_.mass*_.length*_.length-0.1634*
_._ap[3]*_.mass*_._c2*_._c3*_.length0.1634*_._ap[3]*_.mass*_._c3*_.length+0.1634*
_._ap[3]*_.mass*_.length*_._s2*_._s3-0.3268*
_._ap[3]*_.mass*_.length+0.02669956*_._ap[3]*_.mass
+2*_._ap[2]*_.ix+_._ap[2]*_.mass*_._c2* _._c3*
_.length*_.length+2*_._ap[2]*_.mass*_._c3*_.length*
_.length +2*_._ap[2]*_.mass*_._c2*_.length *_.length_._ap[2]*_.mass*_.length*_.length*_._s2*_._s3
………………………………………………………….
Численно-итерационный метод
Элементы уравнений движения
синтезируются на каждом шаге
численного интегрирования
Более широкие возможности
Быстрота численного моделирования
Синтез уравнений движения в символьной форме и последующая
компиляция в DLL – это одна из причин того, что UM быстрее аналогов
Универсальный Механизм

55. Содержание

Примеры моделирования
Механическая система как объект моделирования
Создание моделей
Анализ динамики моделей
Верификация программного комплекса
Универсальный Механизм

56. Анализ динамики моделей

Вид программы моделирования
Любое число анимационных и графических окон
Универсальный Механизм

57. Моделирование

Непосредственное представление результатов
• 3D анимация движения системы;
• 3D анимация векторов (силы, скорости, ускорения и т.д.);
• 3D анимация траекторий;
• графики (координаты, скорости, ускорения, активные силы и т.д.)
Двигатель: прямая задача динамики
Универсальный Механизм

58. Моделирование

Решение прямой и обратной задачи кинематики
Анимация движения и траекторий
Универсальный Механизм

59. Инструменты моделирования

Анализ переменных (динамических показателей)
Каждая переменная может быть обработана с помощью
•Табличного процессора
• Статистического анализатора
Универсальный Механизм

60. Инструменты моделирования

200
150
100
50
0
0
Исходный
5
10
15
t, с
Отфильтрованный
Универсальный Механизм

61. Положение равновесия

Динамика жесткого диска
Положение равновесия
кабеля в зависимости от
положения головки
Силы, действующие на головку
жесткого диска со стороны кабеля
Универсальный Механизм

62. Линейный анализ

Формы свободных колебаний
Универсальный Механизм

63. Собственные формы и частоты колебаний

0,40 Гц
0,82 Гц
1,10 Гц
1,39 Гц
Универсальный Механизм

64. Расчет собственных частот и форм

Собственная форма колебаний платформы с частотой 3,57 Гц
Собственная форма колебаний платформы с частотой 4,55 Гц
Универсальный Механизм

65. UM Оптимизация

Для расширенного анализа динамики механической
системы и оптимизации ее параметров доступны
следующие инструменты: сканирование, оптимизация,
аппроксимация
Сканирование
Оптимизация
Аппроксимация
Универсальный Механизм

66. Служба распределенных вычислений

Программный комплекс «Универсальный механизм» + модуль
оптимизации + служба распределенных вычислений
Выполнение больших «промышленных» расчетов,
сканирование по многим параметрам, гигабайты данных,
сутки расчетов
Универсальный Механизм

67. Модуль расчета усталостной долговечности

Схема работы модуля
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ
УМ-модель с
абсолютно
твердыми телами
УМ-модель с
упругими телами
(гибридная модель)
Выполнение серий
численных
экспериментов
ANSYS / MSC.NASTRAN
Конечноэлементная
разбивка
Упругие формы по
методу КрэйгаБэмптона
История изменения
модальных
координат
Обработка
результатов в
UM Durability
Результаты:
- напряжения;
- накопленные повреждения;
- срок службы детали.
Универсальный Механизм

68. Долговечность: анализ эксплуатационной нагруженности

Выделение частных режимов эксплуатации
Режимы
эксплуатации
Создание моделей и проведение численных экспериментов
(средствами UM FEM и UM Optimization)
Реализации
напряжений
Анализ динамической нагруженности для частных режимов эксплуатации
Частные блоки
нагружения
Расчет эксплуатационной нагруженности
Смешанный блок
нагружения
Универсальный Механизм

69. Результаты расчета долговечности: рама тележки локомотива

Рама тележки локомотива, VOSSLOH, Испания
Накопленные
усталостные
повреждения
Универсальный Механизм

70. Результаты расчета долговечности: рама платформы

Распределение максимальных динамических напряжений, МПа
Распределение максимальных амплитуд динамических напряжений, МПа
Универсальный Механизм

71. Долговечность: сравнение с экспериментом

Результаты расчета
Выявленная в
расчете опасная
зона
Распределение максимальных амплитуд
Приведенные эквивалентные амплитуды
Трещина в раме
по результатам
стендовых
испытаний
Рама контейнеровоза: сравнение
с экспериментом
Картина разрушения
Универсальный Механизм

72. Автомобильный модуль

Движение по булыжному покрытию, V=100 км/ч.
Универсальный Механизм

73. Автомобильный модуль: модели шин, библиотека подвесок

Модели шин
Магическая
формула
Пасейки
Модель
Fiala
Табличные и
экспериментальные зависимости
Неровности дорожного полотна
Поточечное
задание профиля
для промеренных
участков
Неровности,
заданные
аналитическими
функциями
Синтез
неровностей по
спектральной
плотности и
библиотека
спектров дорог с
различным
покрытием
Универсальный Механизм

74. Автомобильный модуль: маневры

Маневры с замкнутым контуром системы управления
Траектория движения
+
Модель водителя
(модель МакАдама, с предвиденьем 2-го порядка)
Поворот на 90 градусов,
Смена полосы движения
R=11,25 м
1.6
12
1.4
1.2
10
1
8
0.8
0.6
6
0.4
4
0.2
0
2
-0.2 0
20
40
60
80
100
120
140
0
0
2
4
6
8
10
12
Универсальный Механизм

75. Железнодорожный модуль

Модуль моделирования железнодорожных экипажей:
более 30 моделей
Пассажирский вагон
Цистерна
Трамвай
Вагон метро
Электровоз
Тепловоз
Универсальный Механизм

76. Железнодорожные экипажи: база моделей локомотивов России

В 2006 г. совместно с ВНИКТИ МПС разработаны 17 моделей локомотивов.
Таким образом, создана база компьютерных моделей, не имеющая аналогов в мире.
ЧС4
ЧС2
ЧМЭ3
2ЧС8
ЧС200
ЧС6
2ЧС7
Универсальный Механизм

77. Модель грузового вагона

Модель грузового вагона
Контактные точки на пятнике
Трехэлементная тележка (18-100, 18-578 и др.)
Универсальный Механизм

78. Моделирование динамики ж.-д. вагонов

Соударение вагонов
Универсальный Механизм

79. Содержание

Примеры моделирования
Механическая система как объект моделирования
Создание моделей
Анализ динамики моделей
Верификация программного комплекса
Универсальный Механизм

80. Грузовые автомобили

Национальная комиссия по
автомобильному транспорту Австралии
Модель2: Автопоезд
Модель 1: Грузовик с прицепом
• ADAMS CAR
• UMTRI’s Yaw/Roll
• AUTOSIM
Смена полосы движения, 88км/ч
• Универсальный Механизм
Универсальный Механизм

81. Результаты моделирования: рывок руля

Угол бокового
увода, град.
ADAMS
Yaw/Roll
AUTOSIM
UM
Универсальный Механизм

82. Результаты моделирования: рывок руля

Поперечные силы
в шинах, Н
ADAMS
Yaw/Roll
AUTOSIM
UM
Универсальный Механизм

83. Железнодорожные экипажи: Манчестерские тесты

Манчестерский тест – Экипаж 1:
Пассажирский вагон
Manchester Metropolitan University
Rail Technology Unit
Манчестерский тест – Экипаж 2:
Грузовой вагон
Универсальный Механизм

84. Манчестерские тесты: сравнение результатов

Экипаж 1, Путь 1
Поперечное смещение колесных пар 1, 2
ADAMS/Rail
UM
Универсальный Механизм

85. Манчестерские тесты: сравнение результатов

Экипаж 1, Путь 1
Угол виляния колесных пар 1, 2
ADAMS/Rail
UM
Универсальный Механизм

86. Манчестерские тесты: сравнение результатов

Экипаж 1, Путь 1
Направляющие силы на колесной паре 1
ADAMS/Rail
UM
Универсальный Механизм

87. Сравнение с экспериментами

В работах В.И. Сакало и В.С. Коссова
рассматривается динамика локомотива ТЭ116 и
отмечается, что «достигнута удовлетворительная
сходимость теоретических и экспериментальных
значений всех рассматриваемых показателей, в том
числе рамных сил. Расхождение результатов
моделирования и эксперимента для прямых и
кривых участков пути не превышает 15%.»
В работе А.Э. Павлюкова и др. проводились
эксперименты с грузовой тележкой типа 18-100.
Отмечается сходимость результатов в пределах
10%.
В работе О.Н. Дмитроченко рассматривается
тонкий упругий стержень. С целью достоверного
определения положений равновесия, собственных
частот и форм колебаний были проведены
стендовые эксперименты. Сравнение результатов
численных и стендовых экспериментов показало,
что первые собственные частоты колебаний балки
совпадают с точностью 1-2%.
Сакало
Владимир
Иванович,
д.т.н., БГТУ,
Брянск
Павлюков
Александр
Эдуардович,
д.т.н., УрГУПС,
Екатеринбург
Дмитроченко
Олег
Николаевич,
к.ф.-м.н., МГУ,
Москва
Универсальный Механизм

88. Универсальный механизм

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
www.umlab.ru
[email protected]
Универсальный Механизм