автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование точности закрепления деталей в приспособлениях, содержащих гибкие элементы, при автоматизированном проектировании технологических процессов

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор и постановка задачи исследования

1.1. Обзор конструкций приспособлений, содержащих гибкие элементы.

1.2. Обзор задач, решаемых с использованием метода конечных элементов.

1.3. Обзор вопросов по оценке точности на этапе проектирования технологического оборудования.

1.4. Обзор систем инженерного анализа.

1.5. Постановка задачи исследования.

1.6. Выводы по главе

Глава 2. Математическая модель взаимодействия гибких деталей с узлами приспособления.

2.1. Выбор метода решения.

2.2. Вывод основных соотношений для контактных задач гибких деталей.

2.2.1. Основная концепция дискретной модели точности

2.2.2. Трехмерное напряженное состояние.

2.2.3. Изгиб пластин.

2.2.4. Изгиб оболочек.

2.2.5. Жесткость фиктивного поворота

2.2.6. Моделирование кинематических условий контакта

2.3. Выводы по главе 2.

Глава 3. Методика расчета погрешности закрепления.

3.1. Расчетная схема и принятые допущения.

3.2. Алгоритм решения и перечень необходимых данных

3.3. Выводы по главе

Глава 4. Выбор рациональных параметров приспособления с гибкими звеньями.

4.1. Одределение погрешности закрепления гидропластовой оправки.

4.2. Определение влияния параметров гибкого звена приспособления на погрешность закрепления.

4.3. Выводы по главе 4.

Одной из актуальных проблем современного машиностроения является сокращение сроков создания новых изделий высокого качества. Этой задаче отвечает разработка методов автоматизации проектирования технологических процессов и, в частности, технологической оснастки.

При автоматизированном технологическом проектировании приспособлений необходимо заранее предвидеть ожидаемую точность процесса обработки. В этом направлении проведено значительное количество работ по расчету и проектированию приспособлений.

Известные работы в основном охватывают конструкции приспособлений, в которых взаимодействуют достаточно жесткие элементы, в то время, как существует технологическая оснастка, в которой используются звенья с повышенной деформативностью (гибкие элементы). Как показал опыт, если вопросы базирования в таких приспособлениях изучены достаточно подробно, то процесс формирования погрешности закрепления и влияния на него повышенной деформативности гибкого элемента практически не изучен. Тем не менее, деформации гибких элементов, как собственные, так и контактные, соизмеримы с погрешностью закрепления.

Поэтому углубленное изучение на математических моделях размерных связей с учетом деформативности гибкого звена и её влияния на точность закрепления детали является актуальным.

Цель работы:

Повышение качества и сокращение сроков проектирования на основе рекомендаций по оценке точности установки деталей в приспособлениях, содержащих элементы повышенной изгибной податливости.

Научная новизна:

Выявление функциональных связей между параметрами, определяющими точность установки и обработки с одной стороны и совокупностью размерных, силовых и физико-механических факторов при базировании деталей в приспособлениях с гибкими элементами, с другой.

На защиту выносится:

1. Конечно-элементная модель контактного взаимодействия обрабатываемой детали и баз приспособления, содержащего гибкие элементы.

2. Методика определения погрешности закрепления при установке детали в приспособлении с гибкими звеньями.

3. Информационная модель, алгоритмическое и программное обеспечение.

1. Проведенный анализ показал, что в технологии машиностроения оценка точности закрепления деталей в приспособлениях, содержащих гибкие деформируемые элементы, производится на основе геометрических расчетов без учета собственных и контактных деформаций обрабатываемой детали и элементов приспособления.2. Оценка точности закрепления производится на основе полученного решения задачи взаимодействия гибких элементов с элементами приспособления с учетом влияния собственных и контактных деформаций детали и гибких элементов приспособления.3. Для универсального описания задачи взаимодействия гибких элементов приспособления с обрабатываемой деталью, в которой учитываются совокупность геометрических свойств объемов, оболочек и поверхностей, их физико-механические свойства, следует использовать дискретную модель точности, согласно которой конструкции приспособлений аппроксимируются набором объемных (оболочечных, тетраэдральных, «кирпичиков» и т.д.) и поверхностных (треугольных, прямоугольных) элементов.4. Оценку погрешности закрепления следует осуществлять на основе учета собственных и контактных деформаций, при этом связь между контактируемыми телами описывается на основе кинематических условий контакта или стержневой модели, учитывающих как контактные и собственные деформации, так и зазоры в стыках.5. Зазоры между стыкуемыми поверхностями рекомендуется находить после определения опорных точек при контакте гибкого элемента с заготовкой.6. Методика оценки погрешности закрепления детали в приспособлении, содержащем гибкие деформируемые элементы, учитывает собственные и контактные деформации детали и элементов приспособления, позволяет в автоматическом режиме определить искомые точностные показатели, контактные давления и области их распределения.7. При проведении машинных экспериментов получены зависимости распределения контактных давлений и перемещений точек обрабатываемой поверхности от жесткости центрирующей втулки приспособления. Для расчетной конструкции оправки полученные перемещения составили 0,014 мм по краям детали и 0,017 мм в середине.8. Разработанные алгоритмы и пакеты программ реализованы на языке С-ь+ в среде программирования Borland C++Builder, удовлетворяют основным требованиям к средствам моделирования. Разработанное программное и методическое обеспечение используется в качестве подсистемы в АСТГШ.

1. Алгоритмы построения разрешающих уравнений механики стержневых систем / А.П. Филин, О.Д. Тананайко, И.М. Чернева, М.А. Шварц. -Л. : Стройиздат, 1983. -232 с.

2. Александров А.В. и др. Методы расчета стержневых систем, пластин и оболочек с использованием ЭВМ. В 2-х ч. - М.: Стройиздат, 1976. Ч. 1 - 248 с , Ч. 2 - 240 с.

3. Андреев Г.Н., Новиков В.Ю., Схиртладзе А.Г. Проектирование технологической оснастки машиностроительного производства: Учеб. пособие для машиностроит. спец. вузов / Под ред. Ю.М. Соломенцева. - М.: Высшая школа, 1999 - 415 с.

4. Ансеров М.А. Приспособления для металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1975. - 656 с.

5. Аргирис Дж. Современные достижения в методах расчета конструкций с применением матриц. - М.: Ш1, 1968. - 240 с.

6. Архангельский А.Я. Программирование в C-H-Builder 4. - М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000. - 1088 с.

7. Бабанов В.В. Общие принципы расчета конструкций на упругом основании методом конечных элементов. В сб.: «Труды Ленинградского инженерно-строительного института». Вып. 1. - Л.: Ленинф. инж.-строит. ин-т, 1976.

8. Базров Б.М. Расчет точности машин на ЭВМ. - М.: Машиностроение, 1984. - 256 с.

9. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самопод- настраивающихся станков. - М.: Машиностроение, 1978. - 216 с.

10. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 1969. - 559 с.

11. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. В 2-х кн. - М.: Машиностроение, 1982. Кн. 1 - 283 с , Кн. 2 - 268 с.

12. Батыров У.Д., Косов М.Г. Имитационные контактные задачи в технологии. - М.: Янус-К, 2001. - 102 с.

13. Волков А.С. Исследование напряженно-деформированного состояния пластин и коробчатых конструкций с применением МКЭ. -М.:МИИТ, 1975.-162 с.

14. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах: Учеб. для вузов. / Петров А.В., Алексеев В.Е., Титов М.А. и др.; Под ред. А.В. Петрова. - М.: Высшая школа, 1984. - 320 с.

15. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. - М.: Мир, 1984.-539 с.

16. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. - М.: Наука, 1966. - 340 с.

17. Глас Р., Нуазо Р. Сопровождение программного обеспечения. - М.: Мир, 1983.-158 с.

18. Гласе Р. Руководство по надежному программированию. - М.: Финансы и статистика, 1982. - 256 с.

19. Горанский Г.П., Горелик А.Г., Зозулевич Д.М. Элементы теории автоматизации машиностроительного проектирования с помощью вычислительной техники. - Минск: Наука и техника, 1976. -336 с.

20. Горинштейн A.M. Практика решения инженерных задач на ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1984. - 232 с.

21. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. - М.: Мир, 1984. - 334 с.

22. Елсукова К.П., Сливкер В.И. Некоторые особенности МКЭ при расчете конструкций на упругом основании. - Л.: Машиностроение, 1983.-212 с.

23. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975.-542 с.

24. Зубчанинов В.Г. Основы теории упругости и пластичности: Учебник для машиностроит. спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1990.-368 с.

25. Исследование жесткости соединения. Экспресс-информация «Детали машин. Технология изготовления. Автоматизация производства»^ № 8 . - м . : ВИНИТИ, 1999, реф. 152.

26. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: Учеб. для машиностроит. спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1999. - 591 с.

27. Колтунов М.А., Кравчук А.С., Майборода В.П. Прикладная механика деформируемого твердого тела. - М.: Высшая школа, 1983. -350 с.

28. Корнеев В.Г. О методе конечных элементов для решения задач упругого равновесия. - В сб.: Строительная механика сооруже-ний.-Л.:ЛПИ, 1971. с. 32-48.

29. Корсаков B.C. Основы конструирования приспособлений в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1983. - 277 с.

30. Корсаков B.C. Технология машиностроения. - М.: Машиностроение, 1984.-316 с.

31. Косов М.Г. Моделирование точности при автоматизированном проектировании и эксплуатации металлорежущего оборудования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. -М.: Станкин, 1985.

32. Косов М.Г., Кутин А.А., Саакян Р.В., Червяков Л.М. Моделирование точности при проектировании технологических машин: Учебное пособие. - М.: МГТУ «Станкин», 1997. - 104 с.

33. Косов М.Г., Феофанов А.Н. Расчет точности технологического оборудования на ЭВМ: Учебное пособие. - М.: Мосстанкии, 1989.-65 с,

34. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. - М.: Машиностроение, 1971. - 264 с.

35. Любимов В.Я., Преображенский Н.Н., Сурков А.И. Определение напряжений в станинах закрытого типа. - В сб.: Расчеты на прочность р жесткость. - М.: Мосстанкии, 1979, вып. 3, с. 62-77.

36. Майерс Г. Искусство тестирования программ. - М.: Финансы и статистика, 1982. - 176 с.

37. Маталин А.А. Технология машиностроения: Учеб. для машино- строит. вузов. — Л.: Машиностроение, 1985. 512 с.

38. Математика и САПР: В 2-х кн. Пер. с франц. / Шенен П., Коснар М., Гардан И. и др. - М.: Мир, 1988. Кн. 1 - 204 с . Кн. 2 - 264 с.

39. Мелещенко Н.Т. Конечно-элементный анализ явлений в плоском контакте упругих шероховатых тел под действием нормальной и касательной нагрузок. - Л.: Центр. НИ дизельн. институт, 1977. -/ Рукопись депонирована в ВИНИТИ 15.07.77 № 28881-77, 17 с.

40. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений / В.А. ПОСТНОЕ, А. Дмитриев, Б.К. Елтышев, А.А. Родионов. - Л.: Судостроение, 1978. - 288 с

41. Методы исследования деформации подшипников качения. Экспресс-информация «Автоматические линии и металлорежущие станки», № 31. - М . : ВРШИТИ, 1978, реф. 169.

42. Механика больших космических конструкций / Н.В. Баничук, И.И. Карпов, Д.М. Климов и др. - М.: Издательство «Факториал», 1997.-302 с.

43. Митрофанов В.Г., Схиртладзе Л.Г. Моделирование процесса кон- . сольного растачивания отверстий. - «Станки и инструмент», 1981,№9, с. 24-27.

44. Митчелл Э., Уэйт Р. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными. - М.: Мир, 1981. - 216 с.

45. Мяченков В.И., Григорьев И.В. Расчет оболочечных конструкций на ЭВМ: Справочник. - М.: Машиностроение, 1981. — 216 с.

46. Мяченков В.И., Мальцев В.П. Методы и алгоритмы расчета пространственных конструкций на ЭВМ ЕС. М.: Машиностроение, 1984.-280 с.

47. Мяченков В.И., Папанов В.К., Петров В.Б. К расчету пластин произвольного очертания. - В кн.: Расчеты на прочность. - М.: Машиностроение, 1980, вып. 21, с. 189-197.

48. Мяченков В.И., Петров В.Б., Преображенский Н.П. Численное решение трехмерной задачи теории упругости. - В кн.: Расчеты на прочность. - М.: Машиностроение, 1983, вып. 23, с. 61.

49. Нигина Е.Л. К решению контактных задач МКЭ. - «Машиноведение», 1978, №5, с. 87-92.

50. Новые САПР. Реферативный журнал «Технология машиностроения», №7. - М.: ВИНИТИ, 1997, реф. 7Б48.

51. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. - М.:Мир, 1981.-266 с.

52. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. - М.: Мир, 1976. - 464 с.

53. Петров В.Б. Численное исследование деформативности пространственных пластинчатых систем. - В кн.: Расчеты на прочность. - М.: Машиностроение, 1983, вып. 24, с. 246-254.

54. Писаренко Г.С, Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев: Наукова Думка, 1975. - 704 с.

55. Портман В.Т. Суммирование пофешностей при аналитическом расчете точности станка. - «Станки и инструмент», 1980, №1, с. 6-8. .

56. Постнов В.Л. Численные методы расчета судовых конструкций. - Л.: Судостроение, 1977. - 280 с.

57. Прикладная механика: Для студентов втузов / Г.Б. Иосилевич, П.А. Лебедев, B.C. Стреляев. - М.: Машиностроение, 1985. - 576 с.

58. Применение метода конечных элементов к решению динамических задач / Шапошников Н.Н., Римский Р.А., Полторак Г.В., Бабаев В.Б. — В кн.: Расчеты на прочность. - М.: Машиностроение, 1982, вып. 23, с. 73-86.

59. Проников А.С. Надежность машин. - М.: Машиностроение, 1979. - 592 с.

60. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1977. - 392 с.

61. Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин В.Л. Автоматические станочные системы. - М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.

62. Развитие металлорежущих станков. Экспресс-информация «Детали машин. Технология изготовления. Автоматизация производства», № 24. - М.: ВИНИТИ, 1998, реф. 229.

63. Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение. - М . : Мир, 1984.-264 с.

64. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость / Н.Н. Шапошников, Н.Д. Тарабасов, В.Б. Петров, В.И. Мя-ченков.-М.: Машиностроение, 1981.-334 с.

65. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. - М.: Машиностроение, 1979. - 702 с.

66. Расчеты. Каталог программного обеспечения. - М.: Русская промышленная компания, 2001. - 4 5 с.

67. Розин Л.А. Метод конечных элементов. Расчет гидротехнических сооружений на ЭЦВМ. - Л.: Энергия, 1971. - 280 с.

68. Розин Л.А. Основы метода конечных элементов в теории упругости. - Л.: ЛПИ, 1972. - 192 с.

69. Руководящий технический материал 5-30 (РТМ-732). Применение гидропластмассы в приспособлениях и контрольно-измерительных приборах. СССР, Министерство авиационной промышленности, 1954. - 73 с.

70. Саакян Р.В. Дискретная модель точности закрепления деталей в приспособлениях и соединениях на этапе проектирования (плоская задача). Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - М.: МГТУ «Станкин», 1995.

71. Самоподнастраивающиеся станки, (под ред. Б.С. Балакшина). - М.: Машиностроение, 1970. - 418 с.

72. САПР для станкостроения. Реферативный журнал «Технология машиностроения», №4. - М.: ВИН14ТИ, 1997, реф. 4Б41.

73. Свстлицкий В.А., Нарайкин О.С. Упругие элементы машин. - М.: Машиностроение, 1989.-.264 с.

74. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир, 1979.-392 с.

75. Сегида А.П. Расчет стационарных температурных полей металлорежущих станков. - Вестник машиностроения, 1982, № 9, с. 37-41.

76. Сегида А.П. Расчет температурных полей и тепловых деформаций шпиндельных узлов и коробок. - Станки и инструмент, 1984, № 2, с. 23-25.

77. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н. Зуева; Под ред. В.Ш. Барбакадзе. - М.: Стройиздат, 1993. - 664 с.

78. Синицын А.П. Метод конечных элементов в динамике сооружений. - М.: Стройиздат, 1978. - 232 с.

79. Советов Б.Я., Яковлев А. Моделирование систем: Учеб. для вузов по спец. «Автоматизир. системы обработки информ. и упр.». - М . : Высшая школа, 1998. -319 с.

80. Соломенцев Ю.М., Косов М.Г., Митрофанов В.Г. Моделирование точности при проектировании процессов механической обработки. Обзор. - М.: НИР1МАШ, 1984. - 56 с.

81. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Протопович СП. и др. Адаптивное управление технологическими процессами. - М.: Машиностроение, 1979. - 536 с.

82. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. Учебник под ред. Г.С Варданяна - М.: Издательство АСВ, 1995.-568С.

83. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1985. Т. 1 -656 с , Т.2-496 с.

84. Станочные приспособления: Справочник. В 2-х т. Ред. совет: Б.1!. Вардашкин (пред) и др. - М.: Машиностроение, 1984. - Т.1 Под ред. Б.Н. Вардашкина, А.А. Шатилова, 1984 - 592 с. Т.2 Под ред. Б.Н. Вардашкина, В.В.Данилевского, 1984 - 656 с.

85. Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций / А.В. Кармишин, В.А. Лясковец, В.И. Мяченков, А.Н. Фролов. -М.: Машиностроение, 1975. - 376 с.

86. Степанов Ю.С. Современные конструкции станочных оправок. - М.: Машиностроение, 1996. - 184 с.

87. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. - М.: Мир, 1977.-350 с.

88. Строительная механика. Тонкостенные конструкции: Учеб. для вузов / А.В. Александров, Б.Я. Лащенников, Н.Н. Шапошников; Под ред. А.Ф. Смирнова. - М.: Стройиздат, 1983. - 488 с.

89. Суржанинов М.В. Моделирование точности закрепления корпусных деталей в условиях автоматизированного проектирования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. -М.: МГТУ «Станкин», 2001.

90. Схиртладзе А.Г. Технологическая оснастка машиностроительных производств: Учебное пособие. В 2-х ч. - М.: МГТУ «Станкин», 1998.Ч. 1 -598с . ,Ч .2 -615с .

91. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем: Учебник для вузов. - Мн.: ДизайнПРО, 1997. - 640 с.

92. Тимошенко СП. Курс теории упругости. - Киев: Наукова Думка, 1972.-508 с.

93. Тимошенко СП., Войновский-Кригер Пластинки и оболочки. - М . : Наука, 1966.-635 с.

94. Тимошенко СП., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. -576 с.

95. Филин А.П. Матричная форма методов строительной механики. - М.: Стройиздат, 1966. - 254 с.

96. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. - М.: Мир, 1980. - 280 с.

97. Шабров Н.Н. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей. —Л.: Машиностроение, 1983. - 212 с.

98. Шевелёва Г.И. Численный метод решения контактной задачи при сжатии упругих тел. - «Машиноведение», 1981, №5, с. 90-95.

99. Шипачев B.C. Высшая математика: Учеб. для немат. спец. вузов. / Под ред. акад. А.Н. Тихонова. - М.: Высшая школа, 1990. - 479 с.

100. Штернберг Л.Ф. Разработка и отладка программ. - М.: Радио и связь, 1984.-88 с.

101. Bruce Eckel. Thinking in C++. Volume 1. - PubHshed by Prentice Hall Inc., Pearson Higher Education, Upper Saddle River, New Jersey, 2000.

102. Bruce Eckel. Thinking in C++. Volume 2. - Published by Prentice Hall Inc., Pearson Higher Education, Upper Saddle River, New Jersey, 2000.

103. Object-oriented finite-element software. Al Vermeulen / Dr. Dobb's Journal, №6, 1993.

104. Stephen A.C., Taylor S. Computer analysis of machine tool structures by finite element method. "Advances Mach. Tool Design and Res., 1968, Part 2". Oxford et al., 1969, 751-761.