Диссертация (1025147), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Внастоящее время описанный подход к разработке технологического процесса сиспользованием численного моделирования динамики находится на стадиинаучных исследований, коммерческих вариантов подобного программногообеспечения не существует. Несмотря на большое количество исследований вданной области на текущий момент существует лишь несколько разработок ипрограмм, позволяющих выполнять имитационное моделирование динамикипроцесса резания сложнопрофильных деталей (5-ти координатное фрезерование,пространственное шлифование и др.) и обоснованно выбирать виброустойчивыережимыобработки[4,10,18,44,55].Подрациональнымииливиброустойчивыми режимами обработки в данной работе понимаются режимы,на которых не возникают нежелательные регенеративные вибрации («чаттер»).Как показывает анализ литературных источников, выполненный в главе 1настоящей работы, даже в наиболее современных работах систематическомурешению задачи идентификации параметров моделей динамики заготовки иинструмента уделено недостаточное внимание.
При этом, для получениякорректных результатов моделирования и обоснованного выбора рациональныхрежимов обработки решение данной задачи необходимо. Особенно актуальнойданная проблема становится при решении задачи выбора рациональных режимовфрезерованиясложнопрофильныхдеталейизтруднообрабатываемыхматериалов, вследствие податливости заготовки и высоких требований китоговому качеству поверхности деталей.10Собственные частоты и формы колебаний заготовки и инструмента,оказывающие основное влияние на динамику процесса, вычисляются с помощьюметода конечных элементов и всегда в той или иной степени отличаются отсоответствующих экспериментальных значений [71, 72].
Это связано с наличиемнеопределенности свойств мест соединений заготовки и оснастки, а также свлияниемупругостистанканадинамическиехарактеристикиинструмента/детали. Из этого факта вытекает необходимость развития методовверификацииитехнологическойуточнениясистемынаконечно-элементныхосновемоделейрезультатовэлементовэкспериментальныхисследований их динамических характеристик. Параметры демпфированиязаготовки и инструмента, определяющие динамическую жесткость системы,могут быть получены только с помощью методов экспериментальногомодального анализа [75], при этом крайне важно обеспечить максимальнуюточность идентификации.
Стоит отметить, что собственные частоты колебанийи коэффициенты модального демпфирования заготовки меняются в процессеобработки. Автоматизация выбора рациональных режимов по результатамимитационного моделирования процесса во времени является отдельнойзадачей, для решения которой необходимо использовать методы цифровойобработки сигналов [62, 63].Таким образом, для обоснованного выбора рациональных режимовобработкиподатливыхсложнопрофильныхдеталей(атакжедеталей,выполненных из труднообрабатываемых материалов) существующие подходы кимитационномумоделированиюпроцессарезаниянеобходимомодифицировать, дополнив методами идентификации и уточнения численныхмоделей динамики деталей/инструмента, а также методами анализа результатовмоделирования. Данное обстоятельство определяет актуальность работы.Целью диссертационной работы является разработка универсальнойметодики идентификации и уточнения математических моделей динамикидетали/инструментадлясозданияновыхинструментальныхсредств11проектированияпроизводственныхпроцессовобработкирезанием,обеспечивающих высокую точность и качество.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:1) Разработка методики модальных испытаний заготовки в процессеобработки для определения зависимости динамических характеристик отвремени обработки;2) Создание методики и программного обеспечения для идентификациипараметров моделей заготовок сложнопрофильных деталей с помощьюметодов экспериментального модального анализа и методов уточненияконечно-элементных моделей;3) Разработкаметодаанализарезультатовмоделированияпроцессафрезерования для обоснованного выбора рациональных режимовобработки;4) Апробацияразработаннойметодикииподходаимитационногомоделирования динамики фрезерования для назначения рациональныхрежимов обработки лопатки компрессора газотурбинного двигателя,обеспечивающих высокое качество поверхности.Научнаяновизныработы,заключаетсявсозданииметодикипроектирования технологического процесса обработки резанием высокоточныхподатливых деталей методами имитационного моделирования используяаппарат экспериментального модального анализа и методов уточнения конечноэлементной модели.Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:- Создан пакет программ для идентификации динамических характеристикзаготовки/инструмента по результатам модальных испытаний и уточнения ихконечно-элементных моделей в программных средах LabView, Matlab.
Данныепрограммы могут быть использованы на машиностроительных предприятиях для12получения достоверных моделей динамики конструкций и имитационногомоделирования сложных динамических процессов обработки резанием;- Разработан метод и программное обеспечение в среде Matlab дляобработки результатов численного моделирования динамики фрезерования сцелью выявления благоприятных и неблагоприятных с точки зрениявозникновения «чаттера» режимов резания.- С помощью разработанных методов и программ решена задачаобоснованного выбора рациональных режимов обработки лопатки компрессорагазотурбинного двигателя.Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и спискалитературы.В первой главе диссертационной работы приводится обзор и анализлитературы, посвящённой методам экспериментального модального анализа иуточнения конечно-элементных моделей, а также методам моделированиядинамики процесса фрезерования и методам детектирования «чаттера» прифрезеровании.
По результатам первой главы выявлены области, требующиедополнительного исследования, сформулированы задачи работы.Во второй главе описан процесс идентификации модальных параметровзаготовки в процессе обработки, выполнен анализ и сопоставление точностиалгоритмов идентификации модальных параметров, работающих в частотной ивременной области, а также приведены результаты применения методики напримере заготовки лопатки компрессора.В третьей главе описан метод уточнения конечно-элементной модели наоснове анализа чувствительности, а также программная реализация метода,приведены результаты уточнения моделей различных деталей. С помощьюразработанного метода решена задача уточнения конечно-элементной моделизаготовки лопатки компрессора.13Четвертая глава посвящена методу анализа результатов моделированиядинамики фрезерования с целью выявления благоприятных режимов обработки.Представленспособинтерпретациирезультатовмноговариантногомоделирования процесса обработки с помощью алгоритма детектирования«чаттера».Практическое применение предложенной методики на примере выборавиброустойчивых режимов обработки лопатки компрессора газотурбинногодвигателя, а также анализ влияния коэффициентов демпфирования на динамикуобработки представлено в пятой главе.Апробация результатов исследованияПо теме настоящего исследования были сделаны доклады на следующихконференциях:- 5-ая международная конференция по проблемам механики машин (Улан-Удэ,2012);- 5-th International Operational Modal Analysis Conference (Portugal, Guimaraes,2013);- Фундаментальные и прикладные задачи механики, МГТУ им.
Н.Э.Баумана(Москва, 2013);- XXXIX академические чтения по космонавтике. Секция «Ракетные комплексыиракетно-космическиесистемы.Проектирование,экспериментальнаяотработка, лётные испытания, эксплуатация» (Реутов, 2014);- 18-th International Conference «Vibroengineering» (Poland, Katowice, 2014);- 13-я Международная выставка испытательного и контрольно-измерительногооборудования «Testing & Control» (Москва, 2015);- Всероссийская научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXI века»(Москва, 2015);14- XL академические чтения по космонавтике. Секция «Ракетные комплексы иракетно-космическиесистемы.Проектирование,экспериментальнаяотработка, лётные испытания, эксплуатация» (Реутов, 2016);- 3-ая международная конференция «Динамика и Виброакустика машин»(Самара, 2016);Результаты работы внедрены в «НПЦ газотурбостроения «Салют» ииспользуются для идентификации динамических характеристик заготовоклопаток.
Методика выполнения модальных испытаний, разработанная в рамкахработы, внедрена в учебный процесс кафедры РК-5 МГТУ им. Н.Э. Баумана вкурсе «Современные экспериментальные методы теории колебаний».По теме работы опубликовано 10 работ, из них 7 в рецензируемых журналахиизданиях, рекомендованныхВАК РФ дляпубликациирезультатовисследований и 3 статьи в зарубежных научных изданиях, входящих в переченьScopus.15ГЛАВА 1.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ИУТОЧНЕНИЯМОДЕЛЕЙДИНАМИКИМЕХАНИЧЕСКИХКОНСТРУКЦИЙНеобходимостьуточненияконечно-элементныхмоделейсвязанасошибками, неизбежно возникающими при любой попытке математическогомоделирования реальных процессов. В течение трёх последних десятилетий,идея уточнения конечно-элементной модели механических конструкций взадачах динамики с использованием экспериментальных данных изменилась отнепосредственной калибровки коэффициентов матриц жёсткости и масс системыдо полуавтоматических итерационных методов.
Несмотря на большоеколичество разработок в этой области, в настоящее время лишь в несколькихкоммерческих программных продуктах (LMS Virtual.Lab, MEScope, FEMTools)представлены необходимые средства и инструменты для уточнения конечноэлементных моделей по результатам модальных и вибрационных испытаний.Уточнение численных моделей динамики деталей и элементов станка приобработке резанием является задачей, требующей применения особых подходовк проведению испытаний и идентификации модальных параметров.В данной главе приведены результаты обзора публикаций, посвященныхметодам экспериментального модального анализа, методам уточнения конечноэлементных моделей, а также подходам к моделированию динамики процессарезания и методам детектирования «чаттера» при фрезерной обработке.
Врезультате анализа литературы сформулированы задачи диссертационногоисследования.1.1.Расчетный и экспериментальный модальный анализВ настоящее время, для решения задач механики повсеместно применяетсяметод конечных элементов (МКЭ). Данный метод активно развивался в период1960-1980годоввсвязисвозрастающейпотребностьювыполнениявысокоточных расчетов в аэрокосмической и автомобильной промышленности16[49]. Большинство современных компаний-лидеров в области конечноэлементных программ было основано именно в эти годы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
