Автореферат (Разработка методики расчета и проектирования актюаторов дискретного действия)

На правах рукописиНиколаева Анна СергеевнаРАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯАКТЮАТОРОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры.Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидататехнических наукМосква - 2015Работа выполнена в Московском Государственном техническомуниверситете им. Н.Э. Баумана.Научный руководитель:доктор технических наук, профессорГаврюшин Сергей СергеевичОфициальные оппоненты:Лопаницын Евгений Анатольевич, докторфизико-математических наук, профессор,профессор кафедры «Прикладная математика»,Московский государственныйМашиностроительный университет (МАМИ)Хроматов Василий Ефимович, кандидаттехнических наук, профессор, профессоркафедры «Динамика и прочность машин»,Московский энергетический институт (МЭИ)Ведущая организация:Научно-исследовательский институт механикиМГУ им.

М.В. ЛомоносоваЗащита диссертации состоится 24 февраля 2016 г. в 16.30 часов назаседании диссертационного совета Д 212.141.03 при Московскомгосударственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу:105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр. 1.Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим выслать поуказанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана и на сайте www.bmstu.ru.Телефон для справок: +7(499)263-66-39Автореферат разослан « » декабря 2015 г.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат физико-математических наукКарпачев А.Ю.Общая характеристика работыАктуальность темы.

Актюаторы дискретного действия активноиспользуются в современных технических устройствах: в качествепредохранителей, переключателей и термореле для защиты от перегрузкиэлектроизделий промышленного назначения и бытовой техники, в микроэлектро-механических системах (МЭМС) и микро-опто-электромеханических системах (МОЭМС).Известные аналитические методики для анализа тонкостенныхоболочечных конструкций не позволяют в полной мере и с требуемойточностью учесть все особенности процесса нелинейного деформированиясовременных биметаллических актюаторов, а также аналогичныхисполнительных элементов, изготовленных из неметаллическихматериалов.Оказываетсянедостаточнымисследоватьпроцессдеформирования только в докритической области или рассматривать задачув линейной постановке. Процесс деформирования исполнительныхэлементов и биметаллических актюаторов новых конструкций являетсясущественно нелинейным, зависящим от многих параметров, поэтомурешение, как правило, оказывается многозначным и чувствительным кмалым возмущениям.

Процесс расчета и проектирования подобныхэлементов требует создания уточненных методик с использованиемподходов многокритериальной оптимизации. Необходимо совершитьпереход от решения задач анализа к решению задач синтеза рациональныхконструкций.Использование для численного решения данного класса прикладныхзадач современных конечно-элементных комплексов (ANSYS, Abaqus ит.п.) связано со значительным временем счета на ЭВМ и, по сути, являетсяне совсем пригодным для решения задач синтеза. В ряде случаевиспользовании МКЭ трудозатратно и нерационально, поскольку требуетмногократного перестроения сетки при варьировании геометрическихпараметров конструкции.Таким образом, актуальность работы определяется необходимостьюрешения важной прикладной научно-технической задачи, посвященнойрасчету и проектированию актюаторов дискретного действия, применяемыхв конструкциях электротехнических устройств, улучшением их качества ипотребительских свойств.Цель и задачи работы: разработка методики расчета и проектированиясложного многопараметрического процесса нелинейного деформированияактюаторов дискретного действия.1Для достижения поставленной цели потребовалось решитьследующие задачи:1.

Критический анализ и обобщение существующих подходов с цельювыбора рациональных расчетных моделей актюаторов дискретногодействия.2. Разработка алгоритма нелинейного анализа и синтеза конструкцийисполнительных элементов на основе выбранных расчетных моделей.3. Создание численной методики на основе возможностейсуществующих прикладных программных комплексов и авторскихпрограмм для реализации алгоритма расчета исполнительныхэлементов.4. Проверка достоверности и тестирование результатов работыпрограммы, их сопоставление с результатами, полученными спомощью программного комплекса «ANSYS», результатами решениятестовых задач и результатами эксперимента.5.

Реализация разработанной методики для решения практических задачсоздания новых и улучшения существующих конструкцийактюаторов дискретного действия.Методы исследования. Для анализа процесса нелинейногодеформирования актюаторов использовались классические моделинелинейной теории тонкостенных конструкций. Задача сводилась к краевойзадаче для системы нелинейных дифференциальных уравнений и системенелинейных алгебраических уравнений высокого порядка, зависящих отнескольких параметров. Для анализа осесимметричных актюаторовдискретного действия применялся метод продолжения по параметру(Валишвили Н.В.), для синтеза осесимметричных актюаторов применялсяметод смены подпространства управляющих параметров в сочетании смногопараметрическим подходом (Гаврюшин С.С.).

Проектированиеактюаторов сложной формы осуществлялось с помощью метода конечныхэлементов (Зенкевич О., Бате К.Ю., Новожилов В.В.) и эволюционногоалгоритма (Сторн Р., Прайс К.). Данные методы реализованы в авторскихпрограммах «Актюатор 1.0», «Актюатор 2.0», ANSYS, Abaqus, Matlab,pSeven.Научная новизна. Диссертация является законченной оригинальнойнаучно-исследовательской работой, содержащей решение прикладнойтехнической задачи, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Назащиту выносятся следующие положения диссертации, обладающиеэлементами научной новизны:1. Создана численная методика синтеза актюаторов дискретного действия,позволяющая совершенствовать существующие и создавать новыеконструкции мехатронных устройств;22. Предложен алгоритм, реализующий плавный переход междуподпространствами параметров при движении по поверхностиравновесных состояний;3.

Разработанкомплексныйподход,позволяющийопределятьрациональные параметры актюаторов для реализации дискретногосрабатывания с использованием авторских программ и существующихприкладных программных комплексов;4. Получены результаты, проясняющие влияние различных параметров напроцесс нелинейного деформирования актюаторов дискретногодействия;5. Созданы новые конструкции актюаторов дискретного действия,защищенные патентом, использование которых позволит существенноповысить эксплуатационные свойства устройств.Достоверность результатов Достоверность научных положений,выводов и рекомендаций работы обоснована:1.

Строгим использованием классических механических концепций иадекватного математического аппарата;2. Проверкой разработанного алгоритма и программы расчета намодельных и тестовых задачах;3. Соответствием полученных численных результатов с даннымиэкспериментов,саналитическими,численнымииэкспериментальными данными, полученными другими авторами;4. Опытом практического внедрения достигнутых результатов в ООО«Сенсорные системы МГТУ им. Н.Э. Баумана»Практическая ценность работы. Разработаны методика, алгоритм ипрограммное обеспечение для расчета и проектирования актюаторовдискретного действия, используемых в современных электротехническихустройствах. Выданы рекомендации по рациональному проектированиюактюаторов сложной геометрической формы.

Разработаны новыеконструкции мехатронных устройств. Полученный патент может бытьиспользован для расширения элементной базы МЭМС.Реализация работы. Результаты диссертационной работы иразработанное программное обеспечение внедрены в практикупроектированиямикроэлектромеханическихустройствнаООО«Сенсорные системы МГТУ им.

Н.Э. Баумана».Апробация работы. Основные положения диссертационной работыдокладывались и были одобрены на ХХI Международном Симпозиуме«Динамические и технологические проблемы механики конструкций исплошных сред» им. А.Г. Горшкова (г. Кремёнки, 2015 г.), на IVМеждународной конференции «Композиты и новые материалы» (г. Рэксем,Великобритания, 2015 г.), на Объединенной конференции исследователейуниверситетовГлиндориСтаффордшир(г.Сток-он-трент,Великобритания, 2015 г.), на конференции «Современные материалы для3ресурсоемких приложений» (г.

Ст. Асаф, Великобритания, 2014), на XIXМеждународном Симпозиуме «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (г. Ярополец,2013), на V Международной конференции «Проблемы механикисовременных машин» (г. Улан-Удэ, 2012).Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, втом числе в 4 рецензируемых журналах и изданиях, рекомендуемых ВАКРФ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работаизложена на 154 листах машинописного текста, включая 96 рисунков и 15таблиц.

Библиография работы содержит 162 наименования.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы, сформулирована цельисследования, научная новизна и практическая ценность работы, приведенократкое содержание работы по главам.В первой главе приводится обзор и анализ литературных источников,посвященныхисториисозданияисовременномусостояниютермобиметаллических элементов, применению актюаторов дискретногодействия в конструкциях современных устройств и особенностям расчета ипроектирования актюаторов с дискретной расчетной характеристикой.Актюаторы в виде тонких биметаллических элементов активноиспользуются в современных технических устройствах в качествепредохранителей, переключателей, термореле для защиты от перегрузкиэлектроизделий, в МЭМС, МОЭМ и др.

Наибольшее распространениеполучили биметаллические актюаторы в форме ламели, пластинки, диска сотверстием в центре или без него (Рис. 1).Основы теории расчета термобиметалличеких элементов заложены втрудах У. Вилларсо, С.П. Тимошенко, Д.Ю.Панова, В.И. Феодосьева, Э. И.Григолюка. Исследованием нелинейного поведения тонкостенныхмеханических конструкций занимались С.Д. Пономарев, Л.Е. Андреева,Н.В. Валишвили, С.С. Гаврюшин и др.; за рубежом – Reissner E., CrisfieldM.A., W.H. Wittrick, В.D.Aggarwala, E.

Saibel и др.Задача анализа биметаллического актюатора дискретного действиязаключается в определении его упругой характеристики, т.е. зависимостимежду перемещением характерной точки и изменением температуры T, приизвестных конструктивных параметрах (Рис. 1). Особенностью даннойхарактеристики является скачкообразное изменение формы элемента придостижении критической температуры T1кр (точка B) . Новая рабочая точка4C попадает на верхнюю стабильную часть характеристики. При охлаждениидо критической температуры T2кр реализуется обратный перескок (точка D).Известные аналитические методики для анализа традиционныхконструкций биметаллических актюаторов не позволяют в полной мере и стребуемой точностью учесть все особенности процесса нелинейногодеформирования биметаллических актюаторов современных конструкций.Процесс деформирования биметаллических актюаторов новых конструкцийявляется существенно нелинейным и многопараметрическим, поэтомурешение часто оказывается многозначным и чувствительным к малымвозмущениям, во многих случаях требуется уточненный расчет.