автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Математическое моделирование пневмогидравлических устройств систем подрессоривания транспортных средств

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

Глава 2. Основные физические процессы и явления в ПТУ.

2.1. Уравнение состояния газа в газовой полости ПТУ.

2.1.1. Уравнение состояния идеального газа.

2.1.2. Уравнения состояния реальных газов.

2.1.3. Сравнительная характеристика точности эмпирических уравнений состояния газа.

2.2. Уравнение термодинамического процесса в газовой полости ПТУ.

2.2.1. Уравнение политропного процесса

2.2.2. Получение дифференциального уравнения термодинамического процесса.

2.3. Математическая модель теплопроводности с распределенными параметрами.

2.3.1. ММ теплопроводности в неограниченной пластине.

2.3.1.1. Разработка ММ теплопроводности.

2.3.1.2. Задание краевых условий для ММ теплопроводности

2.3.1.3. Исследование ММ теплопроводности.

2.3.2. ММ теплопроводности в бесконечном осесимметричном цилиндре.

2.3.2.1. Разработка ММ теплопроводности.

2.3.2.2. Исследование ММ теплопроводности.

2.4. Разработка ММ местного гидравлического сопротивления

2.4.1. Общие положения.

2.4.2. Эквивалентная схема гидравлической подсистемы ММ местного сопротивления.

2.4.3. Эквивалентная схема тепловой подсистемы ММ местного сопротивления.

2.5. Моделирование трения в ПГУ.

2.5.1. Математическая модель сухого трения.

2.5.2. Математическая модель жидкостного трения.

2.6. Математическая модель механического упора

Глава 3. Разработка математических моделей типовых конструктивных элементов ПГУ.

3.1. Разработка функциональной модели ПГРиПГА.

3.1.1. Методика ЮЕБО.

3.1.2. Функциональная модель ПГР.

3.1.3. Функциональная модель ПГА.

3.1.4. И-ИЛИ-граф вариантов структурных решений ПГУ.

3.1.5. Основные конструктивные элементы ПГУ.

3.2. Математическая модель пневмоцилиндра.

3.2.1. Эквивалентная схема механической поступательной подсистемы ПЦ.

3.2.2. Эквивалентная схема гидравлической подсистемы ПЦ.

3.2.3. Эквивалентная схема тепловой подсистемы ПЦ.

3.3. Математическая модель гидроцилиндра.

3.3.1. Математическая модель гидроцилиндра с двумя рабочими полостями.

3.3.1.1. Эквивалентная схема механической поступательной подсистемы ГЦ с двумя рабочими полостями.

3.3.1.2. Эквивалентная схема гидравлической подсистемы ГЦ с двумя рабочими полостями.

3.3.1.3. Эквивалентная схема тепловой подсистемы ГЦ с двумя рабочими полостями.

3.3.2. Математическая модель гидроцилиндра с одной рабочей полостью.

3.3.2.1. Эквивалентная схема механической поступательной подсистемы ГЦ с одной рабочей полостью.

3.3.2.2. Эквивалентная схема гидравлической подсистемы ГЦ с одной рабочей полостью.

3.3.2.3. Эквивалентная схема тепловой подсистемы ГЦ с одной рабочей полостью

3.4. Математические модели элементов дросселирующих систем

3.4.1. ММ местного гидросопротивления «внезапное сужение-расширение».

3.4.2. ММ местного гидросопротивления «диафрагма».

3.4.3. Моделирование гидравлических клапанов в ПТУ.

3.4.3.1. Математическая модель обобщенного клапана.

3.4.3.2. Математическая модель кромочного клапана прямого действия.

Глава 4. Разработка методики получения ММ ПГУ на основе ММ типовых конструктивных элементов.

4.1. Методика получения ММ ПГУ на основе ММ типовых конструктивных элементов.

4.2. Применение методики для получение эквивалентных схем ПГУ различных типов.

4.2.1. Получение эквивалентной схемы ПГР с одной ступенью давления.

4.2.2. Получение эквивалентной схемы ПГР с двумя ступенями давления.

4.2.3. Получение эквивалентной схемы ПГР с противодавлением

4.2.4. Получение эквивалентной схемы ПГР с подвижным гидроцилиндром.

4.3. Разработка ММ пневмогидравлического амортизатора изделия ГМ

4.3.1. Структурная схема ПГА.

4.3.2. ММ предохранительного клапана.

4.3.3. Эквивалентная схема ММ ПГА.

4.3.4. Параметризация ММ ПГА.

4.4. Исследование ММ пневмогидравлического амортизатора.

4.4.1. Определение демпфирующей характеристики амортизатора

4.4.2. Построение кривых нагрева амортизатора.

4.4.3. Определение усилия на штоке амортизатора при реальном внешнем воздействии.

Общие результаты и выводы.

В современных условиях большинство проектируемых объектов отличается сложностью, а процесс их проектирования ■• значительной трудоемкостью и продолжительностью. Уменьшить время, необходимое для проектирования сложных объектов, а также повысить качество получаемых проектных решений возможно при использовании систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе ЭВМ с привлечением современных математических методов.

Примером таких сложных объектов являются пневмогидравлические устройства (ПГУ) систем подрессоривания транспортных средств, которые в последние десятилетия находят широкое применение в подвесках колесных и гусеничных машин высокой проходимости,

К ПГУ, получившим наиболее широкое распространение в транспортной технике можно отнести пневмогидравлические рессоры (ПГР) и пневмогидравлические амортизаторы (ПГА) телескопического типа, в компенсационной камере которых газ находится под давлением в несколько раз выше атмосферного.

Подвески на основе ПГУ обладают следующими преимуществами:

- имеют более благоприятные упругие и демпфирующие характеристики;

- дают возможность сочетания в одном узле упругих и демпфирующих элементов системы подрессоривания;

- открывают широкие возможности регулирования через подвеску клиренса машины, дифферента корпуса, жесткости, энергоемкости и уровня демпфирования подвески.

Вместе с преимуществами ПГУ обладают и рядом недостатков, главными из которых являются высокая трудоемкость проведения опытно-конструкторских работ при их проектировании и изготовлении, а также зависимость их упругих и демпфирующих свойств от температуры рабочих тел. Поэтому на этапе проектирования этих устройств перед разработчиком неизбежно встает вопрос о наиболее рациональном выборе их конструктивных параметров, для чего ему необходимо иметь информацию о силовой и тепловой нагруженности элементов ПГУ, о параметрах протекающих в них физических процессов в зависимости от различных дорожных условий.

В настоящее время в большинстве случаев оценка нагруженности ПГУ и экспериментальная оценка стабильности их характеристик осуществляется в процессе дорожных или стендовых испытаний. Однако при стендовых испытаниях трудно имитировать различные факторы, характерные для реальных дорожных условий. В свою очередь, испытания ПГУ в эксплуатационных условиях характеризуются высокой стоимостью и значительной продолжительностью, а также трудностью учета многих совместно действующих факторов.

Альтернативным способом получения необходимой информации является математическое моделирование рабочих процессов в ПГУ, которое позволяет ускорить процесс проектирования этих устройств, а также открывает возможность оптимизации их конструктивных параметров. К преимуществам математического моделирования по сравнению с экспериментальными методами исследования можно отнести - меньшие сроки на подготовку анализа, значительно мейыпую материалоемкость, возможность оценки влияния одного выделенного параметра на характеристику устройства, возможность выполнения вычислительных экспериментов на критических режимах, которые привели бы к разрушению объекта исследования. В этой связи, актуальной является задача математического моделирования рабочих процессов в ПГУ и разработка эффективной методики получения ММ ПГУ.

Активное развитие вычислительной техники в последнее десятилетие, отразившееся, прежде всего, на увеличении быстродействия ЭВМ, позволило решать более сложные задачи за приемлемое, с практической точки зрения, время. Это дает возможность при создании ММ ПГУ более детально рассматривать различные физические явления и более полно учитывать сложный характер взаимодействия физических процессов между собой.

Следует отметить, что разработка ММ ПГУ - процедура трудоемкая, требующая от разработчика знаний как в предметной области, так и в области вычислительных методов, а также навыков программирования. Кроме того, ПГУ, применяемые в системах подрессоривания транспортных средств, отличаются большим разнообразием конструкций и создание модели «с нуля» для каждой конструкции является нерациональным. Поэтому представляется целесообразным, применив принцип декомпозиции, выделить в составе ПГУ набор типовых конструктивных элементов и создать библиотеку их ММ. После этого ММ конкретного ПГУ может быть получена соединением ММ элементов на основе разработанной методики.

В этой связи, целью работы является создание библиотеки ММ типовых конструктивных элементов и разработка на ее основе методики получения ММ ПГУ.

В первой главе дан обзор областей применения ПГУ в современных транспортных средствах, отмечены преимущества и недостатки ПГУ. Подробно рассмотрены рабочие процессы в ПГУ и основные методы, применяемые для их анализа, а также методы получения математических моделей динамических систем.

Вторая глава посвящена вопросам математического моделирования основных физических процессов и явлений, характерных для работы ПГУ:

- выбору уравнения состояния газа;

- моделированию термодинамического процесса в газовой полости ПГУ;

- моделированию процессов теплопроводности;

- моделированию гидравлических сопротивлений;

- моделированию сил сухого трения и механического упора.

Третья глава посвящена вопросам выделения типовых конструктивных элементов и разработке их математических моделей.

В четвертой главе изложена методика получения ММ ПГУ на основе ММ типовых конструктивных элементов. С использованием данной методики разработана ММ пневмогидравлического амортизатора изделия ГМ-569, проведено ее исследование и сравнение результатов математического моделирование с экспериментальными данными с целью определения адекватности и точности модели.

1. Акопян Р. А. Пневматическое подрессоривание автотранспортных средств. - Львов: Вища школа Изд-во при Львов, ун-те, 1984.-Ч. 3. -240 с.

2. Дмитриев А. А., Чобиток В. А., Тельминов А. В. Теория и расчет нелинейных систем подрессоривания гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1976. - 207 с.

3. Котиев Г. О. Метод прогнозирования нагруженности элементов системы подрессоривания транспортных гусеничных машин: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.-М.:МГТУ, 1993.- 84 с.

4. Ротенберг Р. В. Подвеска автомобиля. Изд. 3-е, перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1972. 392 с.

5. Дятченко М. Г. Исследование влияния системы подрессоривания боевых гусеничных машин на работоспособность специального оборудования: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГТУ, 1997. - 118 с.

6. Теория и конструкция танка / Под ред. П. П. Исакова. М.: Машиностроение, 1985. - Т.6. Вопросы проектирования ходовой части военных гусеничных машин. - 244 с.

7. Военные гусеничные машины: Учебник, в 4-х т. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1990. - Т. 1, кн. 2. Устройство. - 336 с.

8. Соколов А. В. Повышение плавности хода многоосного автомобиля с управляемой подвеской: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГТУ, 1992. - 215 с.

9. Запрягаев М. М., Крылов Л. К., Магидович Е. И. Ходовая часть и органы управления. М.: Военное издательство МО СССР, 1970. -480 с. (Армейские автомобили. Конструкция и расчет / Под ред. А. С. Антонова, ч. 2.

10. Расчет и конструирование гусеничных машин / Н. А Носов., В. Д. Галышев, Ю. П. Волков, А. П. Харченко. Л.: Машиностроение, 1972.- 560 с.И.Раймпель Й. Шасси автомобиля: Конструкция подвесок: Пер. с нем. В. П. Агапова. М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

11. Беленький Ю. Б. И др. Исследование плавности хода автомобиля большой грузоподъемности с регулируемой характеристикой подвески // Автомобильная промышленность. 1972. -№9.-С. 14-16.

12. Веселов Г. П., Густомясов А. Н. Критерий оценки температурной чувствительности телескопических пневморессор. // Известия вузов. Машиностроение. 1986. - №12. - С. 76-78.

13. Веселов Г. П., Густомясов А. Н., Богвелишвили 3. В. Зависимость упругих свойств пневмогидравлической рессоры от ее температурного состояния // Сообщения АН Грузинской ССР. 1985. - Т. 120, №3. - С. 601-604.

14. Дербаремдикер А. Д. Амортизаторы транспортных машин 2-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 200 с.

15. Веселов Г. П. Исследование динамических свойств одноопорной подрессоренной системы с пневмогидравлической рессорой: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МВТУ, 1975. - 145 с.

16. Виноградов Ю. Б. К вопросу испытаний амортизаторов на специальных дорогах // Научно-технический сборник в/ч №63539.-Бронницы, 1973. С. 30 - 35.

17. Дущенко В.В. Исследование динамики гусеничной машины с гидропневматическими рессорами и оптимизация параметров подвески // Проблемы совершенствования транспортных гусеничных машин. Тезисы докладов научно-технического семинара. М., 1985. -48 с.

18. Веселов Г. П., Густомясов А. Н. Реальные свойства рабочего газа и упругие характеристики пневморессор бронетанковой техники //Проблемы совершенствования транспортных гусеничных машин. Тезисы докладов научно-технического семинара. М., 1985. - 48 с.

19. Веселов Г. П., Густомясов А. Н. О взаимосвязи параметров состояния рабочего газа пневморессоры // Известия вузов. Машиностроение. 1980. - №5. - С. 74 - 77.

20. Густомясов А. Н., Веселов Г. П. Анализ температурной нестабильности упругих характеристик пневморессор, заполненных различными газами // Известия вузов. Машиностроение. 1984.-№9. - С. 85 - 87 .

21. Галашин В. А. Исследование работы диафрагменной пневматической подвески автомобиля: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МВТУ, 1963. - 135 с.

22. Певзнер Я. М., Горелик Я. М. Пневматические и гидропневматические подвески. М.: Машгиз, 1963. - 319 с.

23. Галашин В. А. Регулируемые системы подвески. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1972. - 22 с.

24. Аврамов В. П. Динамика гусеничной транспортной машины при прямолинейном движении по неровностям: Учебн. пособие. Киев: НМК ВО, 1992.- 100 с.

25. Михайлин А. А., Маринкин А. П. Расчет гидропневматической подвески // Автомобильная промышленность. 1999. №2, С. 17-19.

26. Веселов Г. П., Густомясов А. Н. Определение условного показателя процесса сжатия-расширения газа пневморессор транспортных машин // Известия вузов. Машиностроение.-1986. №12. С. 83 - 85.

27. Журавлев С. С. Определение сил сухого трения в пневмогидрав-лических подвесках большегрузных автомобилей // БПИ Автомобиле- и тракторостроение (Минск). 1974. Вып. 5. - С. 23-26.

28. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для втузов / Под ред. И. П. Норенкова, в 9-ти кн. Трудоношин В. А., Пивоварова Н. В. Математические модели технических объектов. М.: Высшая школа, 1986. - Кн. 4. - 160 с.

29. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для втузов / Под ред. И. П. Норенкова, в 9-ти кн. Норенков И. П. Принципы построения и структура. М.: Высшая школа, 1986. -Кн. 1.-127 с.

30. Сикорский Ю. С. Обыкновенные дифференциальные уравнения с приложением их к некоторым техническим задачам / Под ред. С. Г. Михлина. М. - Д.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1940. - 154 с.

31. Кулешов В. А. Аналогии: отношение аналогии моделей. Минск: Навука 1 тэхшка, 1992. - 415 с.

32. ПМК ПА-7: Руководство пользователя / МГТУ им. Н. Э. Баумана М. 1992. - 64 с.

33. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для втузов / Под ред. И. П. Норенкова, в 9-ти кн. Кузьмик П. К., Маничев В. Б. Автоматизация функционального проектирования. -М.: Высшая школа, 1986. Кн. 5. - 144 с.

34. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галёркина: Пер. с англ.- М.: Мир, 1988. 352 с.

35. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. - Т. 1. - 504 с.

36. Марчук Г. И., Агошков В. И. Введение в проекционно-сеточные методы. М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 416 с.

37. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов: Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

38. Коннор Дж., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкостей: Пер. с англ. JL: Судостроение, 1977. - 264 с.

39. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов.: Пер. с англ. М.: Мир, 1977. - 349 с.

40. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. - 318 с.

41. Сабоннадьер Ж.-К., Кулон Ж.-Л. Метод конечных элементов и САПР: Пер. с франц. М.: Мир, 1989. - 190 с.

42. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под ред. И. С. Григорьева, Е.З. Михайлова." М.: Энергоиздат, 1991. 1232 с.

43. Техническая термодинамика: Учебник для вузов. Под. ред. В. И. Крутова 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1981. - 439 с.

44. Термодинамические свойства азота. В. В. Сычев, А. А. Вассерман, А. Д. Козлов и др. М.: Издательство стандартов, 1977. - 352 с.

45. Базаров И. П. Термодинамика: Учеб. для вузов. 4-е изд.- М.: Высшая школа, 1991. - 376 с.

46. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание в 4-х томах. М.: Наука, 1978. - Т. 1, кн. 1. - 642 с.

47. Вентцель Е. С., Овчаров В. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1988. - 480 с.

48. Mathcad 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95.: Пер. с англ. М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1996. - 712 с.

49. Теория тепломассообмена: Учебник для технических университетов и вузов/ С. И. Исаев, И. А. Кожинов, В. И. Кофанов и др.; Под ред. А. И. Леонтьева. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 683 с.

50. Алабовский А. H., Недужий И. А. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие 3-е изд. - Киев: Вища школа, 1990. -255 с.

51. Арсенин В. Я. Методы математической физики и специальные функции. 2-е изд. - М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 384 с.

52. Машиностроительный гидропривод / JI. А. Кондаков, Г. А. Никитин, В. Н. Прокофьев и др.; Под ред. Прокофьева В. H. М.: Машиностроение, 1978. - 495 с.

53. Грамолин В. А., Кузнецов А. С. Топливо, масла, смазки, жидкости, материалы для эксплуатации и ремонта автомобилей. М.: Машиностроение, 1995. - 64 с.

54. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.

55. Основы теории и конструирования объемных гидропередач / А. В. Кулагин, Ю. С. Демидов, В. Н. Прокофьев, Л. А. Кондаков М.: Высшая школа, 1967. - 400 с.

56. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник для машиностроительных вузов/ Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

57. Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости): Учебн. пособие для вузов. 2-е изд. -М., 1975.-323 с.

58. Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления. М.: Недра, 1970. - 587 с.

59. Бартенев Г. М., Лаврентьев В. В. Трение и износ полимеров. Л.: Изд-во «Химия», 1972. - 240 с.

60. Крагельский И. В., Добычин M. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

61. Амальник М. С. Методология конструирования механизмов в САПР // Автоматизация проектирования. 1998. - №1. - С. 3 - 9.

62. Дмитров В. И., Макаренков Ю. М. Аналитический обзор международных стандартов STEP, PJLIB, MANDATE // Информационные технологии. 1998. - № 4. С. 12 -15.

63. Дмитров В. И., Макаренков Ю. М. CALS-стандарты // Автоматизация проектирования. 1997. - №2. С. 16-23.

64. Платонов В. Ф. Полноприводные автомобили 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.

65. Петренко А. М. , Галашин В. А. Эластичный разделитель в телескопических пневморессорах // Известия вузов. Машиностроение. -1977.-№10. С. 119-121.

66. Гусеничная машина ГМ-569 и ее модификации. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Военное изд-во, 1985. -296 с.

67. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. / Н.Б. Вар-гафтик, JL П. Филиппов, А. А. Тарзиманов, Е. Е. Тоцкий. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

68. Н. Б. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

69. Рябинин В. А., Остроумов М. А., Свит Т. Ф. Термодинамические свойства веществ: Справочник. Л.: Химия, 1977. - 389 с.

70. Определение тепловых режимов работы гидроамортизаторов изделия ГМ-569: Отчет / ПО «Метровагонмаш», Инв. № 0994.- Мытищи, 1977. 7 с. - д. с. п.

71. Испытания подвески с управляемым сопротивлением прямого хода 4-х передних амортизаторов и электрогидравлической системой управления амортизаторами: Отчет / ПО «Метровагонмаш», Инв. № 7103. Мытищи, 1990. - 45 с. - д. с. п.