Методика постановки задачи

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 3

2. ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ 3

3. ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 4

МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧИ 4

4.1. Выбор узла сборочно-сварочного приспособления 5

4.2. Расчет размеров узла и прикладываемых к нему усилий 5

4.3. Постановка задачи и создание 3D-модели узла (детали) 5

4.4. Выбор и обоснование расчетной схемы (базирование узла) 5

4.5. Выбор и обоснование материала (детали) или материалов

конструкции 6

4.6. Наложение конечно-элементной сетки на 3D-модель 6

4.7. Задание необходимых граничных условий 6

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 6

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ О РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИИ 9

7. РЕКОМЕНДУЕМАЯ УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА 11

8. РЕКОМЕНДУЕМАЯ СПРАВОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА 11

9. Перечень иных нормативных документов, необходимых для

выполнения курсовой работы 11

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа по дисциплине выполняется студентами очного отделения в VI семестре параллельно с изучением соответствующего курса, студентами заочного отделения в VIII семестре после изучения курса.

При выполнении настоящей работы студент использует и закрепляет свои знания по общетехническим и специальным дисциплинам (теоретическая механика, сопротивление материалов, материаловедение).

Задание на курсовую работу выдается студентам на специальном бланке, в котором указывается тема работы, исходные данные и необходимые пояснения.

На выполнение работы отводится семь недель.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Основной целью курсовой работы является развитие у студентов навыков численного решения инженерных задач по расчету и проектированию сборочно-сварочного приспособления.

Курсовая работа должна способствовать:

· закреплению полученных знаний путем использования их для решения конкретных задач;

· расширению круга знаний студентов путем изучения основ численных расчетов на прочность конструкций и алгоритмов постановки решения задач;

· приобщению студентов к применению ЭВМ при проектировании сварочных приспособлений;

· овладению основами численного моделирования в конечно-элементном комплексе Deform 3D;

· овладению методами расчетов на прочность сварных конструкций;

· развитию у студентов навыков технически и литературно грамотно излагать и убедительно обосновывать принятые технические решения, расчеты и т д.;

· развитию у студентов умения обоснованно и технически грамотно защищать принятые решения.

ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Темой курсовой работы является оценка напряженно-деформированного состояния узла сборочно-сварочного приспособления для наиболее оптимального проектирования его размеров, формы и выбора материала его изготовления.

Для проектирования могут быть выбраны зажимные элементы (прижимы, рычаги, кронштейны и т.д.). Для студентов, обучающихся по индивидуальному плану, разрешается замена курсовой работы исследовательской с элементами конструирования.

3. ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Пояснительная записка должна содержать весь расчетно-технический материал работы, и включать следующие разделы в указанной последовательности:

· титульный лист;

· задание на курсовую работу;

· оглавление;

· введение;

· основную часть;

· заключение;

· список используемой литературы;

· приложения (при необходимости).

Во введении формулируются основные задачи курсовой работы.

Основная часть пояснительной записки включает пункты следующего содержания:

1. Выбор узла сборочно-сварочного приспособления

2. Расчет размеров узла и прикладываемых к нему усилий

3. Выбор и обоснование расчетной схемы (базирование узла)

4. Постановка задачи и создание 3D-модели узла (детали).

5. Выбор и обоснование материала (детали) или материалов конструкции.

6. Наложение конечно-элементной сетки на 3D-модель

7. В соответствие с пунктом 2 задание необходимых граничных условий.

8. Заключение о работоспособности конструкции

В заключении кратко формулируются основные результаты курсового проектирования.

Объем пояснительной записки должен составлять 20 - 25 страниц, ее оформление должно соответствовать требованиям [4].

МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧИ

Рекомендуемая последовательность написания пунктов пояснительной записки, с указанием необходимой при этом учебной, справочной нормативно технической литературы представлена ниже.

4.1. Выбор узла сборочно-сварочного приспособления

В данном пункте производится выбор узла или детали сборочно-сварочного приспособления для прочностного расчета при согласовании с консультантом. Это могут быть:

а) расчет на срез штифтов;

б) расчет штока или оболочки на смятие;

в) расчет конструкции на смятие от прижимных элементов приспособления;

г) расчет напряжений и деформаций сварного изделия от прижимных элементов приспособления.

4.2. Расчет размеров узла и прикладываемых к нему усилий

При выборе силовой и кинематической схем следует руководствоваться следующими требованиями к ним.

Рациональность силовой схемы. Рациональной является схема, в которой действующие силы взаимно уравновешиваются на возможно более коротком участке с помощью элементов, работающих преимущественно на растяжение, сжатие или кручение (а не на изгиб).

Устранение или уменьшение изгиба. Во всех случаях, когда допускает конструкция, изгиб следует заменять более выгодными видами деформации – растяжением, сжатием или сдвигом.

4.3. Постановка задачи и создание 3D-модели узла (детали)

Создать базу данных и назвать ее в древе построения Deform 3D. Запустив постпроцессор, зайти в интерфейс построения 3D-модели. Во вкладке Геометрия импортировать или создать 3D-модель узла (детали) с помощью встроенного интерфейса постоения геометрических примитивов.

4.4. Выбор и обоснование расчетной схемы (базирование узла)

Необходимо правильно выбрать схему базирования узла (детали) в сборочно-сварочном приспособлении, лишить степеней свободы необходимые узлы или поверхности конечно-элементной сетки при построении 3D-модели. Дать основные рекомендации при перенесении схемы базирования узла (детали) при постановке задачи в пакете Deform 3D.

4.5 . Выбор и обоснование материала (детали) или материалов

конструкции

Выбрать один или несколько материалов для конструкции из базы данных материалов пакета Deform 3D с помощью меню Material → Material library во вкладке панели управления. Назначить для различных деталей материал и задать ввод контакта между сопрягаемыми деталями.

4.6. Наложение конечно-элементной сетки на 3D-модель

Осуществить выбор типа конечных элементов и размера во вкладке Mesh. Назначить если есть необходимость окна плотности в местах концентрации напряжений и температуры. Для активизации окон плотности необходимо зайти во вкладку Detailed Setting → Weighting factors и выставить скроллинг Mesh Density Windows, после чего откроется вкладка Mesh Windows, в которой необходимо выделить зоны 3D-модели, подлежащие разбиению на элементы с окнами плотности. Окно плотности представляет собой локальное сгущение (уменьшение размеров) конечных элементов в областях высоких температурных градиентов и/или концентраторов напряжений.

4.7. Задание необходимых граничных условий

Задание граничных условий задачи – деформационную нагрузку в виде приложения сил к узлам конечно-элементной модели, либо распределенного по поверхности давления. Приложение сил к узлам сетки или давления на грань может быть осуществлено с помощью вкладки Boundary Conditions или Movement панели задач Deform 3D. При наложении силовой нагрузки необходимо выбрать ось, по которой она направлена. После задания граничных условий необходимо выбрать тип решателя, задать шаг по времени и количество шагов нагрузки. В Deform 3D/preprocessor алгоритм этих действий осуществляется в меню Simulation Controls → Main→Type.После чего необходимо выбрать систему единиц (Si) и тип решаемой задачи - тепловой или деформационной. Проверить на наличие ошибок сгенерированную базу данных можно с помощью кнопки Check во вкладке Database Generation, и после чего сгенерировать базу данных.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Оценку НДС штифта необходимо выполнить с помощью метода конечных элементов (МКЭ). По результатам оценки НДС необходимо определить работоспособность узла шток-штифт, принимая допускаемое напряжение на срез штифта в соответствии с работой [1].

Для постановки расчета необходимо произвести определение следующих величин:

1) Усилие, передаваемое на шток.

Привод секторов осуществляется через конус, установленный на штоке и приводимый в движение в осевом направлении, как правило, пневмоцилиндром или гидроцилиндром (рис. 1).

Расчет ведется по формуле Лапласа

,

где Р_рас – расчетное давление внутри оболочки, Па;

D - диаметр оболочки, м;

[s]_рас - расчётное допускаемое напряжение, Па;

S - толщина стенки оболочки, м.

Расчётное допускаемое напряжение [s]_рас определяется из условия работы материала оболочки в пределах упругости и не должно превышать предела упругости s_0.2 при любых сочетаниях внешних факторов.

Требуемый диаметр пневмоцилиндра двустороннего действия определяется из выражения

,

где F_ц - осевое усилие на штоке;

d_ц - диаметр штока цилиндра;

Р_ц - давление в рабочей полости цилиндра;

h_ц - КПД цилиндра, учитывающий трение, h_ц=0,8...0,9. Давление в рабочей полости цилиндра берется несколько меньше давления в питающей привод сети, например, для пневмоцилиндра Р_ц»0,4...0,5 МПа при давлении в сети 0,63 МПа.

Диаметры пневмоцилиндра D_ц и d_ц указаны в таблице в соответствии с заданным вариантом.

При применении цилиндра одностороннего действия, т. е. имеющего встроенную возвратную пружину, диаметр цилиндра определяется из выражения:

,

где F_возвр»(0,2…0,3)^.F_ц^' - усилие возвратной пружины.

Недостаточное усилие возвратной пружины может привести к невозврату поршня в исходное состояние.

Для всех вариантов при использовании возвратной пружины принять: внешний диаметр пружины – 22 мм, внутренний – 16 мм, диаметр витка – 2,5 мм, количество витков 10-12.

На рисунке 1 представлена расчетная схема для оценки НДС.

Рисунок 1. Упрощенная расчетная схема для оценки НДС штока.

2) Исходные расчетные данные, представленные в таблице 2.

Таблица 2. Исходные параметры, необходимые для моделирования.

Вариант	dц, мм	dштока, мм	dштифта, мм	hв, мм	bв, мм	lш, мм	α, град	Конструкция пневмоцилиндра	Материал штока
								односторонний	Ст. 3
								двусторонний	Ст. 10
								односторонний	Ст. 40
								двусторонний	Ст. 45
								односторонний	Ст. 40Х
								двусторонний	Ст. 45
								односторонний	ALSI 304
								двусторонний	ALSI 321
								односторонний	SUS 304
								двусторонний	08Х18Н10Т
								односторонний	06Х18Н11
								двусторонний	03Х18Н11
								односторонний	06Х18Н11
								двусторонний	12Х18Н9
								односторонний	ALSI 304
								двусторонний	Ст. 3
								односторонний	Ст. 10
								двусторонний	Ст. 40
								односторонний	Ст. 45
								двусторонний	Ст. 40Х
								односторонний	Ст. 45
								двусторонний	ALSI 304

3) В результате расчетов полученные напряжения в области контакта сравнить с допускаемыми напряжениями на срез щтифта, расчитанными аналитически.

По условию прочности на растяжение:

,

где - расчетное напряжение среза, возникающее в поперечном сечении рассматриваемой детали;

- поперечное сечение штифта, мм; A_cр=(pd²)/4;

- допускаемое напряжение на срез.

Q - перерезывающая сила, Н; Q=F_ц;

i - число поверхностей среза.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ О РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Проверка адекватности результатов численного моделирования на основе аналитических формул для расчета силовой схемы сборочно-сварочного приспособления, представленных в работе [4]. Для расчета сил зажима и параметров силового привода необходимо знать силы и моменты, действующие на изделие во время технологического процесса, и схемы расположения установочных и зажимных элементов в соответствии с принципиальной схемой базирования и принятой кинематической схемой передачи усилия от привода к зажимным устройствам. При расчете сил зажима определяют значения реакций с учетом места и направления в точках (пятнах) контакта базируемого изделия с установочными элементами. При этом максимальные значения возникающих напряжений не должны превышать с учетом коэффициента запаса допускаемых как по прочности, так и по жесткости. Если в результате расчет выясняется, что максимальные значения возникающих напряжений превышают значения допустимых необходимо принять конструктивные меры, позволяющие снизить величину возникающих напряжений, а именно:

1) увеличить диаметр поперечного сечения и форму детали;

2) изменить марку материала

3) изменить силовую схему на более рациональную, тем самым снизить нагрузки на рассчитываемый на прочность элемент оснастки.

После принятия конструктивных мер, необходимо пересчитать конструкцию с их учетом и вновь сделать заключение о работоспособности конструкции, а также предложить ряд мер, существенным образом снижающих величину нагрузки на рассчитываемый элемент.

7. Рекомендуемая учебная литература

1. Николаев Г.А., Винокуров В.А., Сварные конструкции. - М.: Высшая школа. 1990.-446 с.

2. Варданян, Г. С. Сопротивление материалов (с основами строительной механики) : [учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Строительство" и специальностям "Производство строительных материалов, изделий и конструкций", "Теплогазоснабжение и вентиляция", "Водоснабжение и водоотведение"] / Г. С. Варданян, Н. М. Атаров, А. А. Горшков .— Москва : ИНФРА-М, 2010 .— 480 с. : ил. ; 21 см .

3. Медведев А.Ю. Расчет сварных соединений на прочность. Примеры и задачи для самостоятельного решения / Практикум по дисциплине «Проектирование сварных конструкций». Уфа – 2010.

8. РЕКОМЕНДУЕМАЯ СПРАВОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Серенко А. Н. Расчет сварных соединений и конструкций : Примеры и задачи / А. Н. Серенко, М. Н. Крумбольдт, К. В. Багрянский ; под ред. А. Н. Серен-ко. — Киев : Вища школа, 1977 .— 335 с.

2. Сварка и свариваемые материалы : справочник : в 3-х т. / под общ. ред. В. Н. Волченко .— М. : Металлургия, 1991-Т.1.: Свариваемость материалов / В. Н. Волченко [и др.] ; под ред. Э. Л. Макарова .— 1991 .— 526 с

3. Сварка и свариваемые материалы : справочник : в 3-х т. / под общ. ред. В. Н. Волченко .— М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э .Баумана, 1997-Т. 2.: Технология и оборудование / С. С. Миличенко [и др.] ; под ред. В. М. Ямпольского .— 1997 .— 574 с.

4. Тефанов В.Н., Тефанов К.В. Основы конструирования технологического оснащения сварочного и реновационного производства: Практикум по дисциплине «Основы конструирования технологического оснащения». Уфа: УГАТУ, 2007. 56 с.