labrabferma (1013882), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Четвертая часть лабораторной работы №3.

Формирование и оптимизация силовых схем фермы.

З

Рис. 3.19, 3.20

акончив сохранение картины силовых линий, необходимо перейти в подсистему «Ферменная конструкция» и создать новый проект, задав размеры области, соответствующие заданию. После этого, активизировав панель построения, нажать последнюю пиктограмму в нижнем меню и система предложит вызвать файл с расширением .pwl.

Вызванный файл отобразится в виде «подложки» в созданном проекте (рис. 3.19), после чего можно строить ферменную конструкцию прямо по силовым линиям «подложки» (рис. 3.20).

В

соответствии с заданием формирование силовой схемы фермы производится для трёх случаев нагружения. При сохранении проекта эта «подложка» автоматически исчезнет. Таких проектов должно быть 1-2. Помимо очевидных преимуществ этого способа задания ферменной конструкции, следует заметить, что «подложка» отображает не только силовые линии, но и места закреплений и приложения сил, что облегчает создание ферменной конструкции и предохраняет от возможных ошибок. Таким образом, этот этап является своего рода "интеллектуальным" подсказчиком для проектировщика, так как с его помощью сужается область возможных силовых структур будущей ферменной конструкции. Проектанту предоставляются все возможности проанализировать распределение силовых потоков и толщин в проектной области и тем самым сформировать (или скорректировать) силовую структуру фермы в сторону уменьшения ее силового веса. Разработчик должен сформировать 1-2 перспективные силовые схемы.

Дальнейшая работа соответствует выполнению второй части лабораторной работы №1 или второй части лабораторной работы №2 , только вместо 10-12 силовых схем (как это было в лабораторных работах №1 и №2) разработчик оптимизирует 1-2 перспективные силовые схемы, полученные на предыдущем этапе. В процессе работы необходимо анализировать распределение усилий в каждой конструкции и на основании полученного значения массы для этой конструкции оценивать эффективность данного варианта силовой схемы. Следует проводить геометрическую и параметрическую оптимизации, в процессе которых возможна и структурная оптимизация.

После этого производится выбор 1-2-х наилучших силовых схем. Отбор производится по критерию минимальной массы, хотя могут приниматься во внимание соображения технологического и конструктивного характера. В число ферм, которые будут в дальнейшем рассматриваться как кандидаты в результаты проектной работы, следует отнести фермы, массы (объем материала) которых являются наименьшими и отличаются от самой минимальной (по массе) не более, чем на 5%. Эти 1-2 силовые схемы ферменной конструкции и являются окончательным результатом выполнения лабораторной работы №3. Для рассматриваемого примера в конечном итоге получили две конструкции изображенные на рис. 3.21.

П

осле параметрических оптимизаций для первой из них (1_optS.frm) объем материала равен V = 737,4см³, для второй (2_optS.frm) - V = 531,7 см³. Распределение площадей и результат расчета фермы 2_optS.frm приведены на рис. 3.22.

Порядок выполнения работы

1. Проанализировать полученное задание и на основе опыта и элементарных представлений путей передачи усилий в пластине отметить на рисунке зоны возможных пиков напряжений с целью последующего сгущения сетки конечных элементов в этих зонах.

2. Задать исходные данные для простого расчета пластины постоянной толщины. При этом координаты узлов конечных элементов задаются самим

самим проектировщиком. Следует обратить внимание на то, что точки приложения сил и точки закрепления фиксированы. Поэтому обязательно должны существовать узлы с координатами точек приложения сил и фиксированных точек опор. При задании исходных данных имеется возможность формировать неравномерную сетку разбиения пластины на конечные элементы. Последовательность действий для задания пластины приведена в подразделе 3.2.4.2 раздела 3.2 «Руководство по использованию САПР “Ферма”».

3. Выполнить простой расчет пластины и произвести оптимизацию, после чего ознакомиться с результатами расчета и оптимизации расчета. Номер последней итерации оптимизационного расчета должен быть отличным от единицы. Просмотреть числовой файл с результатами расчета и оптимизации, уделив особое внимание результату последней итерации. Вывести на экран дисплея картину толщин пластины после оптимизации, а также картины напряжений, полученных в результате расчета.

4. Произвести анализ напряженно-деформированного состояния пластины и обработать результаты расчета, используя, прежде всего, графическое представление результатов. Обработка результатов заключается в проведении силовых линий на картинах напряженного состояния пластины для всех расчетных случаев, а также на картине толщин пластины после оптимизации.

5. Совместить наиболее характерные силовые линии для каждого вида напряжений, принимая во внимание потоки главных усилий и результаты оптимизации. Сохранить обработанные совмещённые картины силовых линий в виде отдельных файлов.

6. На основании обработанных и совмещённых картин силовых линий создать 2-3 силовые схемы (проекты) в подсистеме «ферменная конструкция» и провести для них все виды оптимизаций. На основе обработки результатов оптимизаций, а также соображений конструктивного и технологического порядков выделить 1-2-е наиболее рациональные схемы ферменной конструкции. Эти оптимизированные силовые схемы и будут окончательным результатом лабораторной работы.

6. Оформить отчет о проделанной работе.

Отчет должен включать:

• титульный лист с указанием фамилии и группы, рисунок задания, содержащий проектную область с указанием опор, нагрузок, расчетных случаев и других данных.

• картину разбиения пластины на конечные элементы с именем файла и другими данными для последующего расчета пластины;

• таблицу максимальных значений разных видов напряжений для всех расчетных случаев;

• картины результатов простого и оптимизационного расчетов пластины с нанесенными на них силовыми линиями для каждого вида напряжений и расчетных случаев;

• картину совмещения всех силовых линий для каждого вида напряжений (по всем расчетным случаем) и результат её обработки алгоритмами сведения с указанием параметров этих алгоритмов (процентов сведения, числа итераций, порядка использования алгоритмов);

• картину совмещения всех силовых линий для всех видов напряжений и расчетных случаев и результат обработки этой картины алгоритмами сведения с указанием параметров этих алгоритмов (процентов сведения, числа итераций, порядка использования алгоритмов);

• картины разработанных 1-2 вариантов ферменной конструкции с указанием их характеристик;

• результаты узловой и параметрической оптимизаций этих 1-2-х вариантов с обязательным доказательством правильности полученных результатов. Этими доказательствами являются выборочные результаты повторных оптимизаций от других исходных приближений и с назначением другого числа итераций, точности оптимизации, начального шага изменения координат узла, последовательности перебора узлов и т.д.;

• рисунки 1-2-х вариантов отобранных силовых схем фермы с их характеристиками. Рисунки необходимо снабдить таблицей площадей поперечных сечений ферм с учётом сжатия. Необходимо также привести анализ изменения напряжений в стержнях по сравнению с неоптимизированным вариантом этих схем по значениям коэффициентов запаса прочности, а также анализ результатов оптимизации этих схем по значению объема материала с учётом устойчивости и без учёта устойчивости стержней. Выделить стержни с минимальной и максимальной площадью поперечного сечения и указать разброс этих параметров для каждой силовой схемы. Сделать окончательные выводы по проектным результатам проделанной работы с обоснованием целесообразности использования этих вариантов с точки зрения весовых, технологических или каких-либо других характеристик;

• таблица сравнения результатов лабораторных работ №1, №2 и №3 с соответствующим анализом весовых, конструктивных и технологических характеристик конструкций.

• выводы, в которых следует проанализировать преимущества и недостатки аналитического подхода для проектирования силовых схем ферм;

• отметить достоинства и недостатки системы, пособия, а также методических указаний к выполнению лабораторных работ, проанализировать возможности модификации системы и предложить пути её совершенствования. Подписанные преподавателем отчеты предъявляются при сдаче зачета или экзамена. Файлы, приведенные в отчете, не уничтожать до конца семестра.

3.4. Лабораторная работа №4 «Оптимизация ферменной конструкции и формирование несущих элементов фермы из сортамента стандартных профилей»

В лабораторной работе реализуются последние этапы 3, 4 и 5 (рис. 1.1) общего процесса разработки проекта ферменной конструкции минимальной массы. Исходными данными для выполнения лабораторной работы являются полученное задание, силовые схемы ферм, сформированные на предыдущих этапах при выполнении лабораторных работ №1, №2 и №3, таблицы распределения площадей поперечных сечений стержней, образующих фермы, полученные с учётом устойчивости стержней, а также заданный сортамент профилей. В качестве примера такой силовой схемой будет разработанная в лабораторной работе №3 схема 2.frm (рис. 3.21) с соответствующим распределением материала в ней (рис. 3.22). Лабораторная работа выполняется в подсистеме «Ферменная конструкция» учебной САПР «Ферма» и состоит из 2-х частей.

П

Рис. 3.22

ервая часть лабораторной работы №4.

Силовые схемы, полученные в предыдущих лабораторных работах, являются входными данными для лабораторной работы №4, которые необходимо проанализировать и, быть может, даже изменить с целью получения наилучшего проекта. Например, в схеме 2_optS.frm (Рис. 3.22) минимальная площадь поперечного сечения почти в 7 раз меньше максимальной площади.

Здесь вызывает сомнение стержень 2, площадь которого значительно меньше, но попытка удалить его превращает конструкцию в механизм. Поэтому приходится смириться с такой большой разницей в площадях поперечных сечений стержней для этой фермы, тем более что перемещения в её узлах невелики, что говорит о достаточной жесткости конструкции. Обратим также внимание, что во всех стержнях коэффициенты запаса прочности (устойчивости) больше единицы, что также говорит о работоспособности конструкции.

Очевидно, что никто не может себе позволить изготавливать конструкцию, для которой необходимо специально производить элементы с площадью поперечного сечения, получившихся в результате теоретической разработки.

Фермы не относятся к слишком сложным элементам машиностроительных конструкций и совершенно ясно, что для них приходится использовать готовые, стандартные элементы, площади и моменты инерции которых зачастую далеко отличаются от получившихся в результате проектирования. Конструктору, таким образом, приходится заниматься подбором подходящих элементов, исходя из того, что стандартный элемент должен иметь площадь поперечного сечения и момент инерции, по крайней мере, не меньше получившихся в результате проектирования. Но множество таких стандартных элементов, как правило, ограничено. Кроме того, после замены теоретических сечений на стандартные произойдет перераспределение усилий в стержнях, что может привести к разрушению одних стержней и недогрузки других. Поэтому, как правило, необходима проверка, новый подбор, новая проверка и т.д.

При выполнении лабораторной работы предлагается обратиться к какому-либо сортаменту стандартных профилей и подобрать из этих готовых элементов наиболее подходящие для использования в разработанной конструкции. Здесь могут возникнуть две ситуации:

Первая, когда минимальное значение площади стандартного элемента из каталога профилей меньше минимального значения площади стержней, образующих данную конструкцию и получившихся на предыдущих этапах проектирования. В этом случае стандартный каталог полностью удовлетворяет запросам конструкции и можно подбирать стандартные элементы без дальнейших рассуждений. (Вариант, когда максимальное значение площади элемента из каталога меньше потребной максимальной площади, получившейся в результате разработки фермы, говорит просто о том, что данный каталог стандартных элементов не обеспечивает потребности разработанной конструкции).

Вторая ситуация, это когда минимальное значение площади поперечного сечения стандартного элемента из каталога профилей больше минимального значения площади стержней, образующих данную конструкцию. В этом случае получается, что, обращаясь к данному каталогу стандартных элементов, мы вынуждены использовать заведомо завышенные (иногда, значительно) площади стандартных элементов, что может привести к перетяжелению конструкции. В этой ситуации необходимо предварительно провести дополнительную параметрическую оптимизацию фермы с ограничением на минимальные площади поперечных сечений стержней, равных минимальной площади из каталога. Затем подбирать стандартные элементы. Этот результат надо будет сравнить с результатом подбора стандартных элементов для исходной конструкции с площадями поперечных сечений стержней, полученных на предыдущем этапе проектирования. Те же соображения справедливы и для моментов инерции поперечного сечения стержней.

В разделе 5 настоящего пособия приведен сортамент труб стандарта OTUA. На каждой странице дважды приведен один и тот же каталог, но для удобства работы с ним отсортированный в порядке возрастания площадей и в порядке возрастания моментов инерции. Этот каталог предлагается использовать при выполнении лабораторной работы №4.

Вторая часть лабораторной работы №4.

Характеристики

Список файлов книги