DYNAMICKÁ ANALÝZA ROVINNÉHO MECHANIZMU
Autoři:
Ing. Jan SZWEDA, Ph.D., Katedra mechaniky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita
Ostrava, e-mail: [email protected]
Ing. Milan SIVERA, Katedra pružnosti a pevnosti, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita
Ostrava, e-mail: [email protected]
Ing. Zdeněk PORUBA, Ph.D., Katedra mechaniky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita
Ostrava, e-mail: [email protected]
Ing. Ondřej FRANTIŠEK, Katedra mechaniky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita
Ostrava, e-mail: [email protected]
Anotace:
Příspěvek poukazuje na možnosti řešení pohybu mechanizmu v modulu Multibody
Dynamics, se zaměřením na výhody a nedostatky tohoto postupu. Diskutované vlastnosti jsou
prezentovány na rovinném mechanizmu pro vyklápění kontejnerů.
Annotation:
The paper shows the possibilities of solution of mechanism motion using the Multibody
Dynamics analysis. The paper is focused on advantages and deficiencies of applied analysis.
Discussed properties are presented on planar mechanism for container handling.
Úvod
Předmětem této práce je dynamická analýza mechanizmu traktorového nosiče kontejneru
TNK 5. Jedná se o mechanizmus nesený na traktorovém přívěsu a sloužící k manipulaci se
standardním typem otevřených kontejnerů určených k přepravě např. sypkých i kusových
materiálů. Analyzovaný jednomotorový nosič kontejnerů se skládá z pevného rámu a
mechanizmu manipulujícího s kontejnerem, který umožňuje kontejner na přívěs naložit, složit
a nebo sklápěním vysypat.
Cílem práce je jednak zjištění velikosti dynamických složek zatížení ve standardním
provozu mechanizmu a zjištění průběhu hodnot vazbových reakcí na poloze mechanizmu.
Účelem je ověřit možnosti dlouhodobého bezpečného používání stávající konstrukce
traktorového nosiče a poskytnout hlubší vhled pro návrh vhodných konstrukčních změn.
K naplnění cílů je použita numerická simulace jednotlivých fází provozních zatěžovacích
stavů mechanismu. Numerické výpočty jsou provedeny pomocí softwarového vybavení
ANSYS Workbench 12.1.
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
1
Výpočet
Mechanismus traktorového nosiče kontejnerů TNK lze rozdělit na pevný rám a pohyblivé
části mechanismus. Za hlavní, pevný rám lze v tomto případě považovat části: zadní, přední a
spodní část rámu, pojezdové oje, nárazník a aretační sloup. Za pohyblivé části mechanismu
jsou považovány tyto 4 části, viz obr. 1: zadní rameno, střední rameno, přední rameno, části
hydromotoru a vlastní kontejner (na obr. 1 nevyobrazen).
Obrázek 1: Geometrický 3D model mechanizmu přívěsu TNK 5
Jednotlivé části vlastního mechanismu jsou spojené klouby, zatím co samotný kontejner je
zavěšen v háku předního ramene, opřen o válečky zadního ramene a vůči střednímu ramenu
může být aretován výsuvnými špalíky (pouze při vyklápění). Při nakládání a skládání
kontejneru na přívěs se postupně aktivují všechny kloubové vazby mechanizmu, kdežto při
sklápění je výsuvnými špalíky zajištěno zmrazení pohybů členů mechanizmu, který se spolu s
kontejnerem chová jako jeden celek a dochází pouze k pohybu kolem osy vyklápění zadního
ramene.
Mechanismus vykonává tedy dva základní provozní úkony: sklápění kontejneru a jeho
skládání resp. nakládaní. Uvážíme-li členy mechanizmu jako absolutně tuhé, pak při sklápění
se vykonává rotační pohyb kolem osy vyklápění zadního ramene. Při skládání/nakládání
vykonávají jednotlivá ramena rotační pohyby kolem os jednotlivých kloubových vazeb a
kontejner obecný rovinný pohyb. Uvážíme-li členy jako poddajná tělesa pak při
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
2
nesymetrickém rozložení zatížení kontejneru pozorujeme prostorové pohyby členů
mechanizmu.
Kompletní geometrický model mechanizmu byl vytvořen pomocí 3D modeláře Autodesk
Inventor Professional 2009 a konečný 3D model byl vhodně uzpůsoben pro aplikaci
diskretizace a souvisejícího zkrácení výpočtového času.
Předkládaný příspěvek předpokládá, že materiál v kontejneru je rovnoměrně rozložen a je
homogenní. Dále při sklápění a natahování nedochází k pohybu naloženého materiálu, tj.
materiál nemění polohu vůči kontejneru.
Rychlost vysouvání pístnice hydromotoru byla změřena provozním měřením a její
průměrná rychlost činí 0.01 ms-1. Zjištěná hodnota rychlosti pohybu hydromotoru byla
použita v realizovaných numerických simulacích a byla uvažována jako konstantní.
Výsledky
Řešení průběhu hodnot vazbových sil je realizováno formou počítačového modelování,
metodou integrace pohybových rovnic. K provedení MKP analýzy byl užit výpočtový
program ANSYS Workbench 12.1, analýza ANSYS Transient Structural (MBD), kde je k
numerické integraci použita metoda Runge-Kutta 4. řádu. V rámci numerických simulací byla
provedena řada analýz, mj. i ke stanovení podílu setrvačných složek vazbových sil, které má
za cíl posoudit míru přesnosti kvazi statického řešení.
Obrázek 2: Skládání – fáze 1 – průběh síly hydromotoru
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
3
Obrázek 3: Skládání – fáze 2 – průběh síly hydromotoru
Získané výsledky jsou v užitém modulu Tranzient (MBD) prezentovány formou grafů,
které zachycují průběhy sil jak pro řešení dynamické tak i pro řešení kvazi statické. Grafy
zachycují průběhy výsledných velikosti sil jednotlivým osám rotace pro oba přístupy řešení.
Nespojitosti hodnot vazbových sil mezi jednotlivými fázemi pohybu (viz např. síla
hydromotoru obr. 2 a 3) jsou způsobeny náhlou změnou kinematických podmínek v
mechanizmu, specifických pro každou fázi pohybu.
Závěr
Předmětná simulace pohybů mechanizmu TNK5 byla řešena v prostředí ANSYS
Workbench 12.1 analýzou ANSYS Tranzient (MBD). Tato analýza se s výhodou osvědčila
pro symetrické zatížení kontejneru a tuhé členy mechanizmu. Handicapem této analýzy se
ukázaly být nemožnost užití kontaktní vazby (závislé na okamžité poloze členů) a omezení na
striktně tuhé chování členů mechanizmu. Pro tato omezení bylo nutno část analýz realizovat
cestou klasické transientní analýzy, jejíž časová náročnost je značně větší.
LITERATURA:
[1] Software ANSYS 12.1: Release Documentation for Ansys.
[2] BRÁT, Vladimír. Maticové metody v analýze a syntéze prostrových vázaných
mechanických systémů. 1981. Praha : ČSAV, 1981. 212 s.
Poděkování
Autoři děkuji firmě Autorepair Trading, spol. s r.o. za poskytnutí dokumentace a MSMT ČR
za podporu v rámci projektu č. MSM6198910027.
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
4
Download

Szweda: Dynamicka analyza rovinneho mechanizmu.pdf