автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Рациональное проектирование несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков

г* л_________ г*

На правах рукописи

АТАПИН ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ТЯЖЕЛЫХ И УНИКАЛЬНЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ

Специальность: 05.03.01 - Процессы механической и

фивико-технической обработки, стачки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научные консультанты: -доктор технических наук, профессор, лауреат Ленинской премии, заслуженный деятель науки и техники РФ -доктор технических наук, профессор

МИГИРЕНКО Г.С. ХОМЯКОВ В. С.

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор

-доктор технических наук, профессор

-доктор технических наук, профессор

БУ1ИУЕВ В.В. ЛЕВИНА З.М. УТЕНКОВ В.М.

Ведущая организация: АО "Тяжстанксгидропресс"(г.Новосибирск)

Защита состоится Г цищя 1998г. в час. мин. на заседании диссертационного совета Д.063.42.01 в Московском Государственном Технологическом Университете "СТАНКИН" (МГТУ "СТАНКИН") по адресу: 101472, Москва, Вадковский пер., д.За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

ИВАНОВ В.И.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ------Актуальность _ проблемы___Совершенствование^. развитие машиностроения, как основы научно-технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства, связано с прогрессом технологического оборудования. Основным видом технологического оборудования для размерной обработки деталей является металлорежущий станок. Расширение функциональных возможностей металлорежущих станков, обеспечение их высокого качества и эффективности, точности, эксплуатационной надежности и стабильности привело к тому, что станки стали значительно сложнее при проектировании, изготовлении и эксплуатации. В результате решения проблемы автоматизации производства появились качественно новые металлорежущие станки с ЧПУ, резко изменившие традиционную конструкцию станков 60-х годов. Так, для обработки сложных корпусных деталей применяют сверлильно-фре-зерно-расточные станки с ЧПУ с устройствами АСИ и АСЗ, получившими название многоцелевых станков (МС).

Усложнение конструкций современных станков сопровождается ростом трудоемкости проектно-конструкторских работ. Использование традиционных методов проектирования конструкций приводит к существенному удлинению сроков разработки,.снижению ее технико-экономической эффективности и ухудшению качественных показателей. Анализ технических характеристик ряда серийно выпускаемых тяжелых МС показал, что станки одного типоразмера и класса точности имеют существенное различие по массе (до 2,8 раз). Так как несущие конструкции (базовые детали) по массе составляют 80-85 X от массы станка, то технико-экономические показатели станка в большой мере •определяются качеством их проектирования.

Выходом из сложившегося положения является использование автоматизированных методов проектирования металлорежущих станков с использованием ЭВМ, а также совершенствование организации проектных работ. Здесь существенная роль сводится к развитию теории и методов проектирования на основе достижений вычислительной • математики, системного анализа, теории оптимизации, теории моделирования, механики, практики конструирования металлорежущих станков.

Сейчас уже недостаточно использовать просто приемлемое техническое решение, а требуется оборудование оптимальное по своим конструктивным, технологическим и эксплуатационным характеристикам. Создание методов повышения технических параметров станков при сокращении сроков проектирования является, наряду с задачами

организации производства и эксплуатации, одной из самых актуальных проблем станкостроения.

Современное состояние методов расчета несущих конструкций станков в существенной мере определяется работами отечественных ученых Д.Н.Решетова, В.А.Кудинова, В.В.Каминской, З.М.Левиной, В.Э.Пуша, В.С.Хомякова и др. известных ученых, а также организаций НИИМАШ, НПО ЭНИМС, МГТУ "Станкин", МГТУ им.Н.Э.Баумана, Ульяновское ГСКБФС, Одесское СКВ прецизионных станков, ОКБС станкостроительного ПО им. Я.М.Свердлова (г.С-Петербург), ПО "Тяжстанко-гидропресс"(г.Новосибирск) и др.

Основное направление рационального проектирования конструкций станков в настоящее время связано с использованием при их расчете метода конечных элементов (МКЭ) в сочетании с методами оптимизации. Однако в станкостроении данное направление является' наименее развитым, что связано со сложностью задачи - большая размерность системы, экспоненциальный рост объема вычислений при увеличении числа переменных проектирования, отсутствие объективной достоверности значений весовых коэффициентов в целевой функции и др. В этой связи в литературе рассматривается оптимизация либо небольших по габаритам конструкций станков (переменные проектирования - толщина стенок профиля, сетка МКЭ постоянна), либо отдельных несущих конструкций крупногабаритных станков. Поэтому важными представляются разработки по совершенствованию оптимизационного подхода к проектированию станков, особенно крупногабаритных, решение задач по интегрированной работе численных и оптимизационных методов при создании программного обеспечения.

При классическом методе проектирования станок разбивают на-отдельные узлы по конструктивной зависимости. Однако разбиение станка на отдельные узлы дает возможность лишь распределить работу между разработчиками узлов станка, при этом внутренние взаимосвязи (силовые, деформационные) на границах контакта узлов остаются неизвестными. В результате разработка отдельных узлов идет методом бесконечного приближения взаимных требований. При проектировании новых узлов станков, особенно тяжелых и уникальных, доминирует эмпирический подход, основанный на интуиции и опыте конструктора, а также широком применении заимствованных унифицированных и стандартных решений. Расчеты на основе норм жесткости ГОСТ применимы лишь для станков основных типов, тогда как для новых станков с ЧПУ, в частности, тяжелых и уникальных многоцеле-

вых, нормы жесткости отсутствуют. Следовательно, актуальной

- - представляется - разработка- на - базе - аппарата - системного—анализа--------------• -

технологии проектирования несущих конструкций станков с учетом информации о требуемых точности и производительности механической обработки, что позволит проектировать станки с заданными выходными характеристиками при наименьшей металлоемкости.

Делью настоящей работы является разработка технологии рационального проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков без избыточной металлоемкости.

Достижение поставленной цели автор видит в разработке технологии проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков как системы, учитывающей работоспособность станка в условиях интенсивных механических воздействий и позволяющей вести параметрическую оптимизацию в процессе проектирования.

Методы исследований. Изложенные в работе теоретические и экспериментальные исследования базируются на методах механики деформируемого твердого тела, линейной алгебры, численного анализа, практики конструирования металлорежущих станков; широко используются методы технической кибернетики - математическое моделирование, системный анализ, применение ЭВМ для исследования сложных систем, нелинейное программирование.

Научная новизна работы заключается в разработке технологии проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков на основе использования результатов предварительного расчета компоновки станка с учетом контактных деформаций (внутренние силы, перемещения) как граничных условий для проектирования отдельных несущих конструкций, позволяющей получить конструкцию с геометрией поперечного сечения, имеющую минимально возможную массу при удовлетворении заданных норм производительности и точности механической обработки.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Метод проектирования несущих конструкций станков, позволяющий:

- проводить сквозное проектирование конструкций с уровня технического предложения до уровня рабочего проекта,

- проводить статические и динамические расчеты, параметрическую оптимизацию конструкций,

- результаты первого уровня задачи проектирования несущей системы выбранной компоновки (деформационные, силовые, геометрические па-

раметры) использовать как граничные условия для решения второго уровня задачи (проектирование отдельных несущих конструкций).

2. Алгоритм параметрического синтеза конструкций позволяющий получить конструкцию с реальной геометрией поперечного сечения, имеющую минимально возможную массу при удовлетворении заданных норм производительности и точности механической обработки.

Практическая значимость результатов работы состоит в: -методике проведения расчетно-конструкторских работ при проектировании несущих конструкций станков с применением ЭВМ; -разработанном программном обеспечении, реализующем интегрированную работу численных методов (МКЭ) и методов прикладной оптимизации, что позволяет конструктору проводить всесторонний анализ реакций конструкций на внешние воздействия, на стадии проектирования конструкций обоснованно выбирать их конструктивные параметры, обеспечивающие минимально возможную массу конструкции, прогнозировать работоспособность конструкций в условиях интенсивных механических воздействий;

-сокращении сроков и снижении трудоемкости проектирования.

Разработанная технология проектирования несущих конструкций станков использована при проектировании уникального многоцелевого станка сверлильно-фрезерно-расточной группы (масса 378,8 т). Для заданной производительности и точности обработки достигнуто снижение массы несущих конструкций на 12-33 % по сравнению с их серийным исполнением.

Реализация результатов работы. Исследования выполнялись на кафедре "Теоретическая механика и сопротивление материалов" Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) в рамках госбюджетной и хоздоговорной тематики в соответствии с координационным планом НИР АН СССР по проблеме 1.11.1 "Теория машин и систем машин" на 1986-1990 гг., а также по специальным планам отраслевых министерств. Материалы диссертации нашли практическую реализацию при выполнении таких работ:

- "Расчет статических и динамических характеристик несущих систем тяжелых станков на ЕС ЭВМ". Хоздоговор N ТрМх-12-89/А от 01.04.89 г. Заказчик ПСГТяжстанкогидропресс", г.Новосибирск;

- "Математическое моделирование в проектировании металлорежущих станков". НИР НГТУ N20 от 01.01.93 г.(финансирование по ЕЗН);

- "Исследование динамики перспективных машин и аппаратов".

Хоздоговор N ТМ и СМ 1-95 от 01.05.95 г. Заказчик ТОО Фирма "Юкон", г. Новосибирск;

""Теоретические исследования контактного взаимодействия в элементах машиностроительных конструкций". НИР НГТУ N1.95 от 01.01.95 г. (финансирование по ЕЗН).

Материалы диссертационной работы и разработанные на их основе программные средства используются в учебном процессе при изучении ряда дисциплин специальностей 1201,1202 в Новосибирском государственном техническом университете. Вопросы построения моделей станков, анализа их статических и динамических свойств используются ь курсах лекций, в исследовательской работе студентов, а также при подготовке магистров по направлению "Интегрированное математическое моделирование и оптимизация новой техники".

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Первом Всесоюзном съезде технологов-машиностроителей, Москва, 1989 г.;

- Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация

исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем", Калуга, 1989 г. ;

- Региональной научно-технической конференции "Моделирование л автоматизация проектирования сложных технических систем", Калуга, 1990 г.;

- Международной конференции "Математические модели и численные методы механики сплошной среды", Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 1991 г. ;

- Первом Конгрессе по инженерной механике, Испания, Мадрид, 1993 г.;

- Международной конференции "Вибрационные машины и технологии", Курск, Курский политехнический институт, 1993 г.;

- Сибирской конференции по прикладной и индустриальной математике памяти лауреата Нобелевской премии Л.В.Канторовича, Новосибирск, Институт математики СО РАН, 1994 г.:

- Втором Сибирском Конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-96), посвященной памяти А.А.Ляпунова, А.П.Ершова, И.А.Полетаева. Новосибирск. Институт математики СО РАН, 1996 Г.;

- семинаре, руководимом академиком РАН М.М.Лаврентьевым (Институт математики СО РАН, 1988, 1992 гг.);

- семинаре, руководимом проф.В.В.Бушуевым (МГТУ "Станкин", 1995,1997 гг.);

- объединенном семинаре кафедр "Металлорежущие станки и инструмент", "Прочность летательных аппаратов","Теоретическая механика и сопротивление материалов" Новосибирского государственного технического университета (1994 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 18 печатных работах, трех учебных пособиях и в ряде отчетов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (207 на-имен.), приложения. Основная часть работы изложена на 214 страницах машинописного текста и содержит 55 рисунков, 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, указаны основные научные положения, которые выносятся на защиту. Здесь дан обзор литературы.

В первой главе рассматривается постановка задачи исследования. Сформулирована следующая задача исследования: заданными считаются компоновка станка, ограничения внешних размеров несущей системы, силы, действующие на нее, условия опирания. Требуется определить такое распределение материала по несущим конструкциям, чтобы они удовлетворяли условиям прочностной надежности и имели минимально возможную массу, а несущая система, состоящая из этих конструкций, отвечала заданным нормам производительности и точности механической обработки. Обсуждается роль и место поставленной задачи в эскизном, техническом и рабочем проектировании.

На основе анализа технико-экономических показателей станка (производительность, точность, масса, прочность, экономические) подробно обосновывается выбор массы в качестве характеристического показателя качества проекта. Остальные показатели формируют ограничения задачи. В пользу такого подхода говорит следующее:

1) в работе рассматривается проектирование тяжелых и уникальных станков, масса которых составляет десятки и сотни тонн, при этом масса несущих конструкций составляет 80-85 % от массы станка,

2) на все критерии, за исключением массы, можно назначить допускаемые значения (допускаемое напряжение, допускаемое перемещение и т.д.), 3) проведенный сравнительный анализ технических ха-

рактеристик ряда серийных многоцелевых станков показал, что стан-ки_одного..-типа. и. класса точности, существенно,различаются, по,массе_

(до ~3 раз).

Обосновывается выбор методов исследования. Отмечаются следующие характерные особенности задачи исследования: 1) конструкции испытывают обычно сложное напряженное состояние в пределах упругости и имеют очень высокую степень статической неопределимости, 2) конструкции имеют большие габариты (до 10-15 м) и достаточно сложные законы распределения материала по объему.

Проектирование несущих конструкций минимальной массы формулируется как задача математического программирования в случае, когда задана компоновка станка. Проектные параметры выбираются сравнительно легко - это площади поперечного сечения стержневых элементов, толшдаа пластинчатых элементов и т.п. Целевая функция обычно линейна. Основные трудности - большое число проектных параметров и трудоемкость проверки ограничений задачи, носящих алгоритмический характер.

В диссертации выбраны следующие методы исследования: из численных методов - метод конечных элементов (универсальность, алго-ритмичность), из методов оптимизации - метод штрафных функций для решения задач условной оптимизации, метод ДФП для решения задач безусловной оптимизации с использованием кубической интерполяции (универсальность, простота реализации, эффективность).

Во второй главе предлагается технология проектирования несущих конструкций стачка с оптимальными параметрами. Полагаем, что компоновка станка выбрана на этапе технического предложения. На этапах эскизного и технического проектирования суть предлагаемой технологии состоит в следующем (рис.1).

1. В ограниченные внешние размеры несущих конструкций вписывается непрерывная упругая среда и формулируется краевая задача проектирования. Так как геометрия поперечного сечения конструкции на этапе технического предложения неизвестна, то отдельная несущая конструкция моделируется пространственной структурой коробчатого поперечного сечения без каких-либо подкреплений. Для выбранной компоновки несущей системы станка, составленной из конструкций упрощенной геометрии, решается задача о предварительном распределении материала по конструкциям. Задача проектирования формулируется как задача математического программирования в форме:

Рис.1. Блок-схема метода проектирования несущих конструкций

- 11 -

f(X) - min , X € Rn (1) при условии, что gj(X) > О , ______3 £ __________________________(2)

где: f(X), gj(X) - заданные функции переменных проектирования, Rn, N - пространство переменных проектирования и его размерность.

В соответствии с задачей исследования за целевую функцию принимается масса конструкции (pj- плотность материала): п

М = Е Ith , itii=ps JdV, (3)

i-l v

Ограничения (2) задачи формируются на основе условий прочности

(черновая обработка) и жесткости (чистовая обработка, нормы точности механической обработки). Производительность обработки учитывается через силы резания. Переменной проектирования является толщина стенки сечения конструкции. Расчет проводится с учетом контактных и собственных деформаций в системе.

В результате решения задачи для данной компоновки несущей системы (этапы 1-3, рис.1) устанавливается полный набор Граничных условий (силовых и кинематических) для каждой несущей конструкции, что позволяет в дальнейшем рассматривать их независимо друг от друга. Вследствие трехмерного характера действующих нагрузок и большой степени статической неопределимости системы невозможно найти указанные граничные условия иным путем.

2. Рассмотренные этапы 1-3 применены к станку в целом для учета взаимодействия между несущими конструкциями. Выполнение этого требования обязательно для получения действительно оптимальных характеристик, но для такого сложного оборудования, как станок, невозможно вследствие недостаточной мощности современных вычислительных средств. Поэтому целесообразно разделить несущую систему станка на отдельные конструкции (подконструкции) и достичь оптимума посредством их анализа. Указанная процедура приведет к оптимальному решению для станка в целом, если его подконструкции будут моделировать все основные внутренние взаимосвязи и другие характеристики станка. На практике это достигается путем выделения конструктивно независимых подконструкций, взаимодействие между которыми локализована и легко определимо.

На примере уникального многоцелевого станка рассмотрена процедура его представления набором подконструкций (рис.2). Нулевому уровню (0) подконструкции соответствует элементарный конечный элемент, из которого собираются типовые структуры первого уровня

I (макроэлементы). Из макроэлементов формируются укрупненные под-конструкции (1-6) уровня II, имеющие законченные конструктивные формы (стойка, шпиндельная бабка, станина и др.). Из подконструк-ций уровня II формируется уровень III сборки, представляющий собой конструкцию в целом.

Представление несущей системы станка с упрощенными конструкциями соответствует уровню III декомпозиции (рис.2). На этом уровне наряду с разбиением конструкции на подконструкции (уровень

II декомпозиции, несущие конструкции) происходит также разделение всех узлов несущей системы на граничные и внутренние и соответствующее структурирование матрицы жесткости. Величины, относящиеся к граничным и внутренним узлам, отмечаются соответственно нижними индексами В и I.

Уравнения равновесия МКЭ:

(К-матрица жесткости, И-вектор узловой нагрузки, а-вектор узловых перемещений) для подконструкции с текущим номером 1=1,...,а

Kq = F

(4)

Рис.2. Декомпозиция несущей системы уникального многоцелевого станка

-13-

(з-число подконструкций) запишутся в виде:

к1Вш Кп(1)

(5Г

. I 1 = I р1(1> .

Исключив величину чв11) из второй строки (5), получим:

К1(15Ч1(1) = ри(1). (6)

Здесь обозначено: К1и) = Кцш + КВ1(1)а1П,

= - кш(П/к вв(П, = Г!П) + о(!)гв(П.

3. Далее (этапы 4-7, рис.1) соответствующая подконструкция рассматривается изолированно, связь между перемещениями и силами определяется уравнением (6). С учетом конструктивных и технологических требований разрабатываются компоновки несущих конструкций с реальным поперечным сечением согласно замыслу конструктора.

Решается задача об окончательном распределении материала для отдельной конструкции при удовлетворении граничных условий, полученных на этапе моделирования несущей системы. Переменными проектирования являются геометрические параметры конструкции.

4. Полученная несущая система с оптимальными в статике конструкциями отражает и некоторые требования динамики. Так, ограничения по статической жесткости (точность обработки, этапы 2,6), по собственным частотам (этап 6) также ограничивают и динамическую жесткость. Однако для наиболее полной оценки выходных параметров станка на заключительной стадии проводится динамический анализ или имитационное моделирование несущей системы, составленной из спроектированных конструкций, для типовых условий эксплуатации. При разработке динамической модели несущей системы используется опыт, накопленный в станкостроении, прежде всего, опыт таких организаций, как НПО ЭНИМС, МГТУ "Станкин", Ульяновское ГСКЕФС.

Изложенный подход к проектированию несущих конструкций станка обусловлен двумя обстоятельствами: во-первых, большой размерностью системы и недостаточной мощностью современных вычислительных средств; во-вторых, желанием повысить надежность расчетов за счет снижения уровня недостоверности в назначении исходных данных задачи. Зто достигается тем, что на этапе расчета несущей системы станка заданной компоновки с упрощенными конструкциями определяются внутренние силы на границах контакта этих конструкций и их поля перемещений, удовлетворяющие требованиям производительности и точности механической обработки. Эти данные являются граничными

условиями для второго этапа задачи - проектирования отдельной несущей конструкции реальной геометрии. В случае больших габаритов конструкция на основе декомпозиции может быть представлена совокупностью характерных подконструкций (уровень I, рис.2) с последующим исследованием подконструкции и обобщением результатов на конструкцию в целом. При расчете сложной конструкции увеличение числа уровней декомпозиции в целом более экономично, чем непосредственное решение для всей конструкции.

Такой подход позволяет не усложнять математическую модель механической системы станка, рассматривать ее поведение с учетом физико-механических и геометрических параметров. Другим важным преимуществом является то, что моделирование поведения конструкций, степень детализации не сказывается на общей сложности модели. Построенная математическая модель удовлетворяет известным принципам:

- адекватности - правильному формализованному отображению тех физических процессов, которые имеют место в станке при механических воздействиях,

- получения максимального гарантированного результата,

- универсальности - применение единой методологии для решения задач проектирования достаточно широкого класса конструкций станков,

- иерархического построения моделей.

При заданной компоновке станка предложенная технология обеспечивает конструктору сквозное проектирование несущих конструкций с уровня их упрощенного компоновочного представления до уровня обоснованного рабочего проекта (конструкции с реальной геометрией поперечного сечения, размерами, исследованной реакцией на внешние воздействи^и др.).

Для обоснования построения ограничений задачи оптимизации несущих конструкций дан анализ возможных видов нарушения их эксплуатационных качеств. На этапе проектирования отдельной несущей конструкции ограничения задачи оптимизации учитывают упругую деформацию, вязкое и хрупкое разрушение, локальную потерю устойчивости, собственные частоты колебаний.

Разработано математическое и программное обеспечение. Решаются задачи линейной статики, параметрической оптимизации, динамики. Решена задача интегрированной работы численных методов и методов оптимизации (рис.3). Дана оценка точности и достоверности

INPUT - считывание исходных данных и формирование массивов

данных для работы всех подпрограмм,

STAT - решение задач статики,

ОРТ - решение задач параметрической оптимизации,

REAK - вычисление реакций отдельного конечного элемента,

FORMK - формирование матрицы жесткости конструкции,

SOLVE - решение системы алгебраических уравнений,

STRESS- вычисление напряжений в конечном элементе,

STAB - решение задач устойчивости,

FREQ - решение задачи на собственные значения,

DIN - решение задач динамики

Рис.3. Блок-схема программного обеспечения

разработанного нами программного обеспечения на стандартных процедурах. В качестве примера приведем результаты тестирования разработанной нами программы по методу оптимизации Давидона-Флетче-ра-Паузлла (ДФП) при использовании функции Розенброка:

£ (X) =100 (Х2-Х12) 2+ (1-Х1)2. В табл.1 приведены результаты исследования в сравнении с точным

решением и решениями, приведенными в СРеклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн.-М. .-Мир, 1986,-Кн. 1] (методы используют кубическую интерполяцию при одномерном поиске) . Программное обеспечение написано на алгоритмическом языке ФОРТРАН, имеет модульную структуру и является развивающейся системой.

Таблица 1

Результаты исследования функции розенброка (Х(0)=С-1,2;1,03)

Метод Значение ИХ) Значения переменных Количество вычислений Г (X)

XI х2

Точное решение 0,0 1,0 1.0 -

Коши 6,19е-9 • 10685

Флетчера-Ривса 2,77е-7 273

ЛФП 4,30е-8 239

Бройдена-Флет- 3,90е-9 204

чера-Шэнно(БФШ)

ДФП(автор) 2,84е-9 1.0 1.0 99

В третьей главе излагается методика моделирования несущей системы станга с конструкциями упрощенной геометрии поперечного сечения (рис.1, этапы 1-3) на примере уникального многоцелевого станка (МС) сверлшгьно-фрезерно-расточной группы (ПО"Тяжстанко-гидропресс", г.Новосибирск). МС предназначен для обработки деталей массой до 200 т, имеет габариты 21,9x16,5x10,9 м, массу 378,8т, его компоновка представлена на рис.4.

Рассмотрены конструктивные особенности серийных несущих конструкций МС, назначена система исходных данных для расчета конструкций на основе паспортных данных и заводской методики испытаний станка.

На этапе моделирования несущей системы математическая модель имеет следующий вид:

п

минимизировать ф0 = Е р^ (7)

1=1

при ограничениях на:

-напряжения^_____________<и = 1_-

леремещения по оси:

х - -

у - Фз=1

г - Ф4 = 1 переменные

проектирования - +5

- 17 -бэкв

/ Гб] > О,

1 - Дх(0) /ГДХ](0) > О, | Ау(0) /[йу](0) > О, >

й,(0) /[Д?](0) > О, I

1,2,.

,П,

/

расчетные и до-

VI > О,

где Дх(0),Ду(0),Лг(0) и [Лх](0>ДДу](0),[Д2](0) пускаемые перемещения центра фрезы (т.О) по осям х,у,г соответственно (рис.4), бЭкв, эквивалентное и допускаемое напряжения. Допускаемые перемещения в зоне обработки назначаются на основе норм точности для торцового фрезерования, где точность и производительность для данного класса станков близки к предельным. Рамки задачи ограничены учетом отклонений от плоскостности и прямолинейности обработанной поверхности. Сформулирована система предпочтений - эффективным считается вариант с наименьшей массой и перемещениями в зоне обработки, не превышающими допускаемых.

Рис.4. Несущая система станка с упрощенными конструкциями

Перемещения в воне обработки складываются из перемещений в соединениях и собственных перемещений несущей системы. В работе дан сравнительный анализ наиболее распространенных методов расчета контактных деформаций в соединениях станка : технического расчета с использованием эмпирических зависимостей, методов на основе сферической и стержневой моделей шероховатой поверхности. С учетом проведенного исследования за основу принята стержневая модель шероховатой поверхности.

В связи с тем, что структурно МС выполнен из двух несвязанных между собой частей - стол и собственно станок (общий Фундамент) , расчет проводится отдельно для стола и собственно станка. Внешней нагрузкой для собственно станка являются силы резания, а для стола - вес обрабатываемой детали 2 МН (силы резания ввиду их малости по сравнению с весом детали не учитываются).

В табл.2 приведены результаты исследования несущей системы различного исполнения и для разных условий эксплуатации. Под типовыми условиями эксплуатации понимаются следующие (данные предприятия): чистовая обработка, фреза торцовая 0250 мм, число зубьев 20, глубина резания 0,5 мм, подача на вуб 0,05 мм, частота враще-

Таблица 2

Результаты расчета несущей системы (НС)

Параметр Условия эксплуатации

предельные типовые

Вариант НС базовый опытный базовый

Размеры сечения,м:

стойка 2,0x2,46 2,3x2,3 2,46x2,46 2,0x2,46

шп.бабка 1,3x2,20 1,8x1,9 1,30x2,20 1,3x2,20

ползун 0,6x0,80 0,7x0,7 0,80x0,80 0,6x0,80

Перемещение т.О.м:

ось X, 10 0,7339 0,6746 0,6428 0,6279

(норма 0,141-Ю-4)

ось У, 10~4 0,1989 0,1989 0,1989 0,1989

(норма 0,199-Ю"4)

ось 2, КГ4 0,1158 0,1174 0,1156 0,1120

(норма 0,225-Ю-4)

Масса, т 169,9 179,7 181,0 119,3

- 19 -

ния шпинделя 170 мин"1 (максимальная частота 500 мин-1).

Результаты исследования показывают, что при расчете_ с танка на предельные условия эксплуатации базовый вариант имеет меньшую массу. Активным ограничением является перемещение по оси Y (максимальная составляющая силы резания). Если при проектировании станка ориентироваться на типовые условия эксплуатации, то выигрыш по массе составляет около 30 %.

Для каждой несущей конструкции определены внутренние силы в местах ее контакта с другой конструкцией, а также поле перемещений, обеспечивающее выполнение заданных норм точности на обработку в т.О (рис.4). Внутренние силы на границах контакта конструкций и поля перемещений формируют граничные условия для следующего этапа проектирования.

В четвертой главе излагается методика проектирования отдельной несущей конструкции (рис.1, этапы 4-7).

Впервые для рассматриваемого здесь MC проведен всесторонний анализ реакций (напряженное, деформированное состояния) серийных несущих конструкций на внешние воздействия в зависимости от геометрических параметров, компоновки поперечного сечения и др. Разработаны обобщенные расчетные схемы конструкций для проектирования новых и модернизации серийных конструкций.

Установлено, что напряженное состояние конструкций не является определяющим при их проектировании по сравнению с деформированным состоянием из-за малости действующих напряжений. Практически по всем конструкциям предложены пути улучшения их проектов в сторону снижения массы с сохранением жесткости, упрощения конструкции и др., в частности:

- жесткость стойки с равномерной толщиной стенки поперечного сечения и стойки, имеющей утолщенную переднюю стенку, практически одинакова, а масса на 12 Z меньше; жесткость стойки с ромбическим расположением ребер жесткости повышается на 44 Z по сравнению с их расположением типа "вафельницы";

- корпус шпиндельной бабки и ползун имеют наименьшую жесткость поперечного сечения в направлении наибольшей составляющей силы резакия;

- минимальная толщина фундамента в рассматриваемых условиях составляет 2 м, что как минимум вдвое меньше планируемой;

- станина может быть выполнена как составная конструкция с длиной секции, соизмеримой с областью приложения нагрузки (здесь 3,6 м);

увеличение шага опор с 0,4 м до 0,8 м приводит к увеличению деформации станины б 1,5 раза; минимальная толщина масляного слоя для нормальной работы направляющих равна 40 мкм; - палета имеет повышенную жесткость и массу для принятого критерия жесткости (относительная вертикальная деформация, определяемая на поверхности палеты); расчетом МКЭ предложен вариант пале-ты, имеющий меньшую массу на 36

Рассмотрена методика проектирования отдельных несущих конструкций с целью получения конструкций с оптимальными параметрами в зависимости от их габаритов - для конструкции в целом и с использованием подконструкции. Здесь конструкции представляются реальной геометрией поперечного сечения. Математическая модель имеет следующий вид:

к т

минимизировать ф0 = Р С £ VI + £ ) (9)

1-1 3-1

при ограничениях на:

напряжения- <н = 1 - бЭкв /СбЗ > 0, (10)

перемещения по оси: х- Фг = 1 - 8Х / [бх3 > О, (И)

У- Фз = 1 - 8У / СбуЗ > 0, (12)

г- и = 1 - е2 / СбгЗ > 0, (13)

локальную потерю

устойчивости- 4>5 = 1 - Пб / бкр > О, (14)

собственную частоту- <|>б » Р1 / СргЗ - 1 >0, (15)

переменные

проектирования- Ф? =» VI > О, 1 = 1.....к, (16)

<1>8 = Чз > 0, 3 = 1.....ш, (17)

где к.т - число пластинчатых и стержневых КЭ соответственно, [бх3, СбуЗ, [б23 - допускаемая относительная деформация по осям х,у,г соответственно, определяемая в результате расчета несущей системы. В модель введено ограничение (14) на возможную локальную потерю устойчивости пластин и стержней вследствие изменения их толщины в процессе оптимального поиска (коэффициент запаса п=2). Учитывается ограничение (15) на низшую частоту собственных колебаний, при этом [р13=10,8 Гц (определяется из расчета частоты вращения шпинделя 500 мин-1 с отстройкой от резонанса 30 %).

На примере палеты рассмотрена методика проектирования конструкции как единое целое. Масса оптимальной палеты снижена на 35,5 % по сравнению с серийным вариантом (табл.3). Этот результат

совпадает с результатом, полученным на основе МКЭ, что подтверждает достоверность оптимального поиска. Различие наблюдается в "значениях'^^дённых"-тодаш-1фофйля, однако проведенный анализ влияния переменных проектирования на ограничения подтвердил правомерность значений толшин, найденных в результате оптимизации (табл.4). Установлено превалирование критерия жесткости над другими критериями. Это позволяет при оптимизации несущих конструкций станка основной поиск вести по критерию жесткости, а по остальным критериям осуществлять лишь проверку их выполнения на заключительных стадиях оптимального поиска.

Показано, что применяемый на практике критерий жесткости (относительная вертикальная деформация на поверхности лалеты)

Таблица 3

Результаты оптимизации палеты

Проект палеты Толщина, мм Максимальное вертикальное перемещение, мм Масса, т

верх. плита бок. стенка внутр. стенка ребро

Серийный 60,0 60,0 50,0 60,0 0,249 38,12

МКЭ 60,0 '30,0 20,0 60,0 0,427 24,40

Оптим-й 29,0 36,3 36,3 69,5 0,452 24,59

Таблица 4

Оценка влияния переменных проектирования на ограничения

N Переменные проектирования (толщина) Чувствительность ограничений, X

Перемещения Эквивалент, напряжения Устойчив. Частота

1 Боковые и внут-

ренние стенки

(0,0363м) 73,4 54,6 51,5 5,4

2 Верхняя плита

(0,029м) 16,7 4,9 8,2 85,8

3 Ребра (0,0695м) 15,2 10,4 25,1 0,2

приводит к зависимости целевой функции от особенностей МКЭ (густота сетки) и самого критерия. Если эту деформацию (2хЮ~5 на поверхности палеты) использовать непосредственно на направляющих стола, то при числе КЭ=757 целевая функция составит 34,17 г против 6,04 т. Рекомендовано для конструкций аналогичных паяете вычислять относительные деформации непосредственно на направляющих. При таком способе формирования критерия жесткости целевая функция зависит лишь от особенностей МКЭ. Для возможного диапазона изменения критерия жесткости (2-4)х10"5 при числе КЭ=757 достигается снижение массы от 10,4 % до 48,8^.

На примере стойки рассмотрена методика проектирования крупногабаритной конструкции на основе подконструкции (рис.5). Выделенная подконструкция должна включать достаточное число связей (обеспечивается равновесие и кинематическая неизменяемость конструкции) и обладать свойством полноты с позиции оптимизации (учет возможных видов нарушения работоспособности, характерных для конструкции). Выделенная подконструкция в узлах 1-12 нагружается внутренними силами, найденными на этапе расчета несущей системы. Допускаемая деформация [53 назначается для узлов 1-3, 9 передней стенки стойки, положение которой определяет точность обработки. Определение [53 проводится по формуле: Дополнительно в узлах 1-12 вводятся упругие связи, жесткость которых определяется как отношение сила/перемещение для конкретного узла. Значение жесткости упругой связи автоматически вводится в матрицу жесткости подконструкции.

Задача проектирования подконструкции с оптимальными параметрами заключается в нахождении переменных проектирования (толщина стенки, ребра) при удовлетворении поля перемещений, полученного для стойки при расчете несущей системы. При этом, как показал расчет палеты, можно использовать упрощенную математическую модель на основе (9)-(13), (16), (17). Результаты оптимального проектирования подконструкции стойки для различных условий приведены в табл.5 (здесь п - коэффициент запаса по жесткости, введенный вследствие невозможности учета всех влияющих на конструкцию факторов) .

Сравнивая полученные результаты (табл.5) с параметрами подконструкции серийной стойки (толщина стенки в плоскости хг.уг -0,030 м, в плоскости ху - 0,045 м, масса - 6,46 т) можно сказать, что серийная стойка реально спроектирована на типовые условия

геометрией поперечного сечения

Таблица 5

Результаты оптимального проектирования подконструкции стойки

Параметр Условия 31 предельные ссплуатации типовые

п=1,5 П=1,0 п-1,5 п=1,0

Толщина, м: плоскость хг.уг плоскость ху Масса, т 0,0797 0,0923 15,30 0,0527 0,0830 11,62 0,0463 0,0565 9,04 0,0284 0,0415 6,08

эксплуатации с коэффициентом запаса по жесткости несколько больше 1,0. В результате оптимизации подконструкции полученное поле перемещений (табл.7) согласуется с допускаемым полем перемещений (табл.6) этой подконструкции, полученным при расчете несущей системы. Строго выполняется ограничение по допускаемой деформации для т. 1-3 по оси У (0,45х1СГб). Таким образом, определяющее значение на конструкцию стойки оказывает наибольшая составляющая силы резания по оси У. Угол поворота передней стенки оптимальной стойки меньше, чем стойки в составе несущей системы с упрощенными конструкциями - 0,0778 рад и 0,1495 рад соответственно, т.е. крутильная жесткость новой стойки выше.

На этапе расчета подконструкции показана возможность анализа вариантов различных компоновок поперечного сечения стойки. В частности, применение ромбической решетки ребер в подконструкции приводит к снижению массы стойки на 10,08 % по сравнению с серийным вариантом.

Предложены для МС заданной компоновки несущие конструкции с оптимальными параметрами, удовлетворяющие условиям прочностной надежности при минимально возможной массе, а также заданным точности и производительности обработки. Достигнуто снижение массы на 12-33 % по отдельным конструкциям.

В пятой главе дана оценка динамических свойств спроектированных конструкций (заключительный этап проектирования несущих конструкций, рис.1). Проведены сравнительные расчеты несущей системы МС, составленной из совокупности оптимальных конструкций и серийного (базового) варианта.

Таблица 6

Поле перемещений узлов подконструкции стойки

Узел Перемещение по оси М, 10 5

X У г

1 0,340 -0,394 0,0265

о с 0,396 -0,421 0,0360

3 0,432 -0,439 0,0400

4 0,189 -0,378 0,1300

б 0,218 -0,416 0,1240

б 0,236 -0,435 0,1220

7 0,335 -0,095 -0,1034

8 0,392 -0,122 -0,1090

9 0,428 -0,141 -0,1110

10 0,186 -0,097 0,0080

И 0,217 -0,123 0,0140

12 0,235 -0,142 0,0160

Таблица 7

Поле перемещений характерных узлов оптимальной подконструкции (углы по табл.б)

1 Узел Перемещение по оси, м, 10 5

х У г

1 0,341 -0,378 0,0255

2 0,387 -0,408 0,0310

3 0,414 -0,423 0,0326

4 0,187 -0,343 0,1303

5 0,219 -0,364 0,1304

6 0,240 -0,380 0,1304

гч 0,336 -0,198 -0,0953

8 0,387 -0,226 -0,0947

9 0,413 -0,243 -0,0948

10 0,186 -0,182 0,0095

11 0,221 -0,213 0,0115

12 0,243 -0,231 0,0130

Динамический анализ системы проводится в два этапа: 1) определяется спектр собственных частот и форм колебаний: 2) исследуются вынужденные установившиеся колебания несущей системы под действием гармонических нагрузок, возникающих при чистовом фрезеровании в типовых условиях эксплуатации. На систему с частотой вращения ы шпинделя действует сила резания F(t)=Fsin(wt). Кроме того, с частотой w®=wz/2rt (z-число зубьев фрезы) имеет место импульсное возмущение, связанное со входом и выходом зубьев фрезы в зоне резания. На столе находится обрабатываемая деталь массой 200 т.

Разработана динамическая модель несущей системы уникального многоцелевого станка для сравнительных динамических расчетов на стадии проектирования. Несущая система станка представляется в форме пространственной стержневой конструкции, формируемой по схеме МКЭ.

Впервые для данного типа станка получены расчетный спектр собственных частот и форм колебаний несущей системы. Анализ форм колебаний несущей системы МС показывает, что в указанном диапазоне собственных частот наиболее интенсивными являются колебания стойки и шпиндельной бабки, а низшая частота колебаний стола определяется массой собственно стола (пакета, сани), остальные частоты принадлежат станине. Спектр собственных частот оптимальной несущей системы сдвинут в область более высоких значений по сравнению со спектром частот серийного варианта.

Сравнительные динамические расчеты (табл.8) показывают, что качество несущей системы, составленной из оптимальных конструкций, в основном, выше, чем у базового варианта (выделены две формы колебаний наиболее близкие к резонансной с частотой ы). Для несущей системы собственно станка при некотором ухудшении показателя податливости по оси X получено улучшение на 30 Z этого показателя по оси Y при одновременном снижении массы на 14,5 X. Если учесть, что при проектировании станка перемещение по оси У является лимитирующим (гл.З), а перемещения по осям X.Z были меньше допускаемых, то данный вариант несущей системы является достаточно хорошим для принятой системы предпочтений. Показатели качества несущей системы стола за исключением массы практически не изменились, т.к. здесь улучшилась лишь конструкция палеты (гл.4), масса которой уменьшилась на 12 т. Существенное влияние на динамику стола также оказывает масса обрабатываемой детали (200 т). Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об имеющихся резервах улучшения показателей качества конструкций МС.

Таблица 8

------------Сравнительные- показатели- качества" несущей~ системы" МС ~

(базовая/оптимальная)

Несущая система Форма колебаний Податливость Масса

кх ку к2

Собственно станок 1 о С, 0,91 1,15 1,3 1 ,2 1,00 1,15 1,17

Стол 1 2 1,01 1,02 1,02 1,01 1,02 1,02 1,12

В шестой главе демонстрируется эффективность рассмотренной технологии проектирования несущих конструкций станков и обосновывается достоверность получаемых на ее основе результатов путем сравнения с известными в литературе данными расчетов конструкций горизонтального координатно-расточного и токарно-карусельного станков. Качественная картина одинакова, количественное совпадение зависит от полноты приводимых в литературе необходимых исходных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей работе изложена научно обоснованная технология проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков, внедрение которой вносит значительный вклад в решение проблемы повышения эффективности конструкторского проектирования станков. Технология проектирования конструкций представлена как система, обеспечивающая создание станков без избыточных возможностей, прогнозирование их работоспособности в условиях интенсивных механических воздействий и научное обоснование выбора проектных решений.

Основные результаты работы можно свести к следующему:

1. Предложенный и практически реализованный метод проектирования несущих конструкций станков с уровня технического предложения до уровня рабочего проекта позволяет:

- на этапе предварительного расчета компоновки станка с учетом контактных деформаций формировать граничные условия (силовые и кинематические) для отдельных несущих конструкций, имеющих упрощенную геометрию поперечного сечения, при удовлетворении заданных

норм производительности и точности механической обработки;

- на этапе проектирования отдельной несущей конструкции получать оптимальную конструкцию с реальной геометрией поперечного сечения и минимально возможной массе при удовлетворении полученных ранее граничных условий;

- на заключительном этапе дать оценку динамических характеристик несущей системы станка, составленной из совокупности оптимальных конструкций.

2. Разработанная математическая модель для анализа и параметрической оптимизации несущих конструкций станка позволяет учитывать иерархию его построения, производительность и точность механической обработки, массу.

3. Проведенный анализ реакций серийных несущих конструкций уникального многоцелевого станка (ГО"Тяжстанкогвдропресс", г.Новосибирск) на внешние воздействия в зависимости от геометрических параметров, компоновки поперечного сечения и др. позволил:

- выявить пути улучшения их проектов в сторону снижения массы, упрощения компоновки и др. при сохранении требуемой жесткости;

- предложить несущие конструкции с оптимальными параметрами, которые в сравнении с их серийным исполнением имеют меньшую массу (на 12-33 % по отдельным конструкциям) при заданной производительности и точности обработки.

4. Предложенный и практически реализованный алгоритм параметрического синтеза сложных крупногабаритных конструкций на основе подконструкции, позволил:

- получить конструкцию с реальной геометрией поперечного сечения, имеющую минимально возможную массу при удовлетворении заданных норм производительности и точности механической обработки;

- уменьшить число расчетных переменных, время счета на ЭВМ, увеличить количество просматриваемых возможных ее компоновочных решений.

5. Разработанная динамическая модель уникального многоцелевого станка на основе балочной модели позволила получить расчетный спектр собственных частот и формы колебаний несущей системы. Сравнительные динамические расчеты показали улучшение динамического качества станка, составленного из оптимальных конструкций, по сравнению с серийным вариантом (масса несущей системы ~300 т)

- снижены податливость в зоне обработки на 30 % по основному лимитирующему перемещению и масса на 12,5 %.

6. Эффективность разработанной технологии проектирования несущих конструкций станков и достоверность получаемых на ее основе

результатов подтверждены сравнением с известными в литературе - - данными расчетов - конструкций - горизонтального—координатног расточ-_______________

ного и токарно-карусельного станков. Качественная картина одинакова, количественное совпадение зависит от полноты приводимых в литературе необходимых исходных данных.

7. Разработанная технология проектирования ориентирована на комплексное решение проблемы рационального проектирования несущих конструкций от выбора компоновочной схемы и оценки массы на этапе эскизного проектирования при удовлетворении норм точности и производительности механической обработки до назначения распределения материала на этапе рабочего проектирования. При этом достигается высокач степень "зрелости" конструкции, уменьшаются риск при запуске в производство и время на разработку проекта, снижаются затраты на исследования, возрастает конкурентоспособность станков в связи со снижением массы, упрощением конструкций и др.

8. Результаты работы нашли применение в реальном проектировании уникальных многоцелевых станков.

Публикации

1. Атапин В.Г., Талонов И.Е. О методах расчета корпусных деталей тяжелых поворотных столов //Динамика механических систем.-

Новосибирск: НЭТИ, 1988. - С. 125-129.

2. Атапин В.Г., Талонов И.Е., Павин А.Г. Автоматизация проектирования сложных пространственных конструкций //Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем: Тез.докл.Всесоюзной научн.-техн.конф.- Калуга, 1989,- С.199.

3. Атапин В.Г. Расчет деформированного состояния фундамента тяжелого многоцелевого станка //Вестник машиностроения.-1989.-N6. - С.31-32.

4. Атапин В.Г., Талонов И.Е., Павин А.Г. Автоматизация проектирования тяжелых многоцелевых станков //1 Всесоюзный съезд технол.-машиностр.: Тез. докл.- М., 1989. - С.42-43.

5. Атапин В.Г., Буторин В.Г., Талонов И.Е., Павин А.Г. Некоторые вопросы проектирования тяжелых металлообрабатывающих станков //Динамика механических систем.- Новосибирск: НЭТИ, 1989.-С.9-16.

6. Мигиренко Т.е., Атапин В.Г., Талонов И.Е. Жесткость тяжелых поворотно-подвижных столов //Станки и инструмент. - 1989. -N10,- С.34.

7. Атапин В.Г. Оптимальнее проектирование пространственных конструкций //Вопросы виброзащиты и вибротехники. - Новосибирск: НЭТИ, 1990. - С.92-97.

8. Аталин В.Г. Оптимизация несущих систем тяжелого многоцелевого станка //Моделирование и автоматизация проектирования сложных технических систем: Тез. докл. - Калуга, 1990. - С. 15.

9. Математическое моделирование в машиностроении: Учеб. пособие /П.И.Остроменский, В.А.Аксенов, Ю.С.Чесов, С.В.Птицын, В.Г.Атапин. - Новосибирск: НЭТИ, 1990. - 84 с.

10. Атапин В.Г., Павин А.Г. Анализ статических характеристик пространственных структур //Вопросы динамики механических систем. - Новосибирск: НЭТИ, 1991. - С.60-63.

11. Атапин В.Г. Оптимизация сложных структур //Динамика механических систем. - Новосибирск: НЭТИ, 1992. - С.82-87.

12. Шпигельбурд И.Я., Атапин В.Г. Основы расчета стержневых систем методом конечных элементов: Учеб.пособие.- Новосибирск: НЭТИ, 1992.- 50 с.

13. Атапин В.Г. Многоуровневое расчетное проектирование корпусных конструкций станочного модуля //Электронная техника, серия 7 "Технология, организация производства и оборудование". -1993. - Вып.2(177) - 3(178). - С.24-26.

14. Остроменский П.И., Аксенов В.А., Атапин В.Г. Математическое моделирование в машиностроении: Учеб.пособие.- Новосибирск: НГТУ, 1993.- 81 с.

15. Атапин В.Г. Моделирование несущей системы металлорежущего станка //Оборудование и технология машиностроительного производства.- Новосибирск: НГТУ, 1994. - С.23-33.

16. Атапин В.Г. Математическое моделирование в проектировании корпусных конструкций//Тез. докл. Сибирской конф. по прикладной и индустриальной математике памяти Л. В. Канторовича. - Новосибирск, 1994.-С.15-16.

17. Атапин В.Г. Оптимальное проектирование корпусных конструкций. тяжелых поворотно - подвижных столов //СТИН. - 1995.-N11.- С.16-19.

18. Атапин В.Г. Развитие методов расчета сложных машиностроительных конструкций//Тез. докл. Второго Сибирского Конгресса по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-96).- Новосибирск, 1996.- С.208.

19. Атапин В.Г., Родионов А.И-. Оценка влияния стыков станка на точность механической обработки // Сб.науч.трудов.- Новосибирск: НГТУ, 1996.- N3. - С.75-81.

ю о К) С/о ^

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АТАПИН ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ.КОНСТРУКЦИЙ ТЯЖЕЛЫХ И УНИКАЛЬНЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ

Специальность: 05.03.01 - Процессы механической и Физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени •доктора технических наук

Г

Ашт

¿¿Щ** / Научные консультанты:

/ д.т.н., профессор, лауреат Ленинской премии, „г; . .. .. . , заслуженный-деятель науки и техники РФ 44 ОС' .9/ .: Г.С.Мигиренко

_, д.. т. н.," -профессор В. С. Хомяков

-..-Г,:

Новосибирск 1У97

ОГЛАВЛЕНИЕ

РЕФЕРАТ................................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................-....................И

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ... .............................29

1.1. Формулировка задачи исследования.....................29

1.2. Выбор характеристического показателя качества проекта..................................................................................31

1.3. Выбор методов исследования.........................................39

1.3.1. Численные методы..................................................40

1.3.2. Методы оптимального проектирования............................46

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1......................................51

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

СТАНКОВ............................................52

2.1. Вводные сведения................................................................52

2.2.

9 С; . О-

Основные аспекты технологии проектирования

несущих конструкций............................. 53

Анализ возможных видов нарушения эксплуатационных

качеств несущих конструкций..................... 60

2.4, Вопросы прочностной надежности конструкций...... 63

2.5. Математическое обеспечение.................................67'

2.5.1. Математическое обеспечение МКЭ....................................67

2.5.2. Математическое обеспечение в оптимальном проектировании конструкций............................................69

6, Программное обеспечение......................... 72

¡с

2.6.1, Структура программного обеспечения............................72

2.6.2. Оценка достоверности получаемых результатов..........75

6.3. Программная реализация интегрированной -работы

МКЭ и методов оптимизации................................84

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2......................................................88

о

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСШЕЙ СИСТЕМЫ СТАНКА ЗАДАННОЙ

КОМПОНОВКИ...................................... 89

3.1. Компоновка уникального многоцелевого станка..... 89

3.2. Расчетные условия для несущей системы........... 97s

3.3. Расчет контактных деформаций в соединениях

станка..........................................101

3.3.1. Методы расчета контактных деформаций............101

3.3.2. Сравнительная оценка методов расчета контактных деформаций......................................104

3.3.3. Оценка контактных деформаций в неподвижных

стыках многоцелевого станка..................... 106

3.3.4. Расчет контактных деформаций в подвижных соединениях многоцелевого станка................108

3.4. Моделирование несущей системы...................111

3.4.1. Моделирование несущей системы собственно станка.111

3.4.2. Моделирование несущей системы поворотно-

подвижного стола................................ 114

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3, ............................. . 118

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СТАНКОВ

С ОПТИМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ......................120

4.1, Анализ реакций серийных несущих конструкций.....120

4.1.1. Стойка..........................................120

4.1.2. Шпиндельная бабка...............................128

4.1.3. Фундамент.......................................137

4.1.4. Станина.........................................141

4.1.5. Палета..........................................144

4.2. Проектирование несущих конструкций с оптимальными параметрами................................14?

4.2.1. Проектирование конструкции как единое целое.....149

4.2.2, Проектирование конструкции на основе

подконструкции,................................. 155

4.3. Несущие конструкции МС заданной компоновки с

оптимальными параметрами........................161

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4...............................166

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ.........169

5.1. Вводные сведения................................169

5.2. Динамическая модель уникального многоцелевого станка..........................................174

5.3. Анализ спектра собственных частот и форм колебаний....................................... 175

5.4. Исследование вынужденных колебаний..............177

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5...............................180

ГЛАВА 6. ПРИЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСУЩИХ

КОНСТРУКЦИЙ.....................................181

6.1. Горизонтальный координатно-расточный станок.....181

6.2. Одностоечный токарно-карусельный станок.........185

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6............................... 192

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................... 193

ЛИТЕРАТУРА...............................................197

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................215

- 5 -РЕФЕРАТ

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 207 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 214 страницах машинописного текста. Работа содержит 55 рисунков, 34 таблицы.

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ, НЕСУЩЕ (БАЗОВЫЕ) КОНСТРУКЦИИ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ, МЕТОД ШТРАФНЫХ ФУНКЦИЙ, ПРОЧНОСТНАЯ НАДЕЖНОСТЬ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

В диссертационной работе изложена научно обоснованная технология проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков, внедрение которой вносит значительный вклад в решение проблемы повышения эффективности конструкторского проектирования станков. Технология проектирования конструкций представлена как система, обеспечивающая создание станков без избыточных возможностей, прогнозирование их работоспособности в условиях интенсивных механических воздействий и научное обоснование выбора проектных решений.

На основе анализа технических характеристик ряда серийных многоцелевых станков показано, что станки одного типа и класса точности различаются по массе до -3 раз. Учитывая, что несущие конструкции по массе составляют 80-85 % от массы станка, очевидно, что технико-экономические показатели станка в большой мере определяются качеством проектирования его несущих конструкций.

Сформулирована следующая задача проектирования. Заданными считаются компоновка станка, ограничения внешних разме-

ров несущей системы, силы, действующие на нее, условия опи-рания. Требуется определить такое распределение материала по несущим конструкциям, чтобы они удовлетворяли условиям прочностной надежности и имели минимально возможную массу, а несущая система, состоящая из этих конструкций, отвечала заданным нормам производительности и точности механической обработки.

Для ее решения предложен метод проектирования несущих конструкций. Основные идеи в следующем. Для заданной компоновки станка в ограничения внешних размеров несущих конструкций вписывается некоторая континуальная модель с необходимыми внутренними полостями. Несущие конструкции представляют собой структуры с простой геометрией поперечного сечения (оболочечный коробчатый профиль»), т.е. без учета геометрических особенностей реальных конструкций (ребер жесткости, вырезов и др.). Решается задача о предварительном распределении материала по конструкциям. Модель системы включает целевую функцию (масса конструкции) и ограничения, учитывающие требования по производительности и точности механической обработки. В результате определяются силовые, деформационные и геометрические параметры для отдельных конструкций, образующих несущую систему станка.

На основе принципа декомпозиции далее решается задача об окончательном распределении материала по отдельным несущим конструкциям. Здесь конструкции представляются реальной геометрией поперечного сечения (с ребрами жесткости, вырезами и др.). Решается задача параметрической оптимизации. Модель системы учитывает в ограничениях задачи дополнительные требования прочностной надежности (устойчивость, резонансные явления и др.). На этом этапе окончательно определяются не-

обходимые геометрические параметры конструкции (толщина стенки, ребра и др.). Здесь также проводится анализ реакций серийных конструкций на внешние воздействия с целью определения возможных путей их совершенствования и формирования математических моделей для параметрической оптимизации.

На заключительном этапе исследуются динамические качества спроектированных конструкций и несущей системы, составленной из них, для принятия окончательного варианта. Такой подход обеспечивает сквозное комплексное проектирование конструкций с требуемой детализацией анализа их поведения с уровня технического предложения до уровня рабочего проекта.

Практическая реализация метода проектирования потребовала разработки математического и программного обеспечения. Решаются задачи анализа напряженно-деформированного состояния пространственных конструкций, параметрической оптимизации, динамики. Нами решена задача интегрированной работы численных методов и методов оптимизации. В работе для моделирования конструкций вследствие универсальности выбран метод конечных элементов. Для решения задач условной оптимизации по ряду причин (универсальность, простота реализации, использование хорошо разработанных и надежных методов безусловной оптимизации) выбран метод штрафных функций. Дана оценка точности и достоверности получаемых на основе нашего программного обеспечения результатов на стандартных процедурах. Программное обеспечение написано на алгоритмическом языке ФОРТРАН, имеет модульную структуру и является развивающейся системой.

Предлагаемая технология проектирования несущих конструкций рассмотрена в приложении к проектированию конструкций уникального многоцелевого станка (МС), предназначенного

для обработки деталей массой до 200 т (Ш"Тяжстанкогидроп-ресс", г.Новосибирск). На этапе расчета несущей системы станка, состоящей из совокупности конструкций с упрощенной геометрией поперечного сечения, сформулирована система предпочтений, согласно которой эффективным считается вариант с наименьшей массой и перемещениями в зоне обработки равными или близкими к допускаемым. Допускаемые перемещения назначаются на основе норм точности на обработку. Здесь учитываются отклонения от плоскостности и прямолинейности на обрабатываемой поверхности при торцовом фрезеровании. Перемещения в зоне обработки складываются из перемещений в соединениях и собственных перемещений конструкций. Расчет контактных деформаций проводится на основе стержневой модели шероховатой поверхности. Результаты исследования вариантов несущей системы станка с разными габаритными размерами конструкций показали преимущество серийного варианта МС для принятой системы предпочтений. Определены внутренние силы и поля перемещений для отдельных несущих конструкций.

На этапе проектирования отдельной несущей конструкции впервые для данного типа станка проведен анализ реакций серийных несущих конструкций на внешние воздействия в зависимости от геометрических параметров, формы поперечного сечения, расположения ребер жесткости и др. Показано, что практически по всем конструкциям можно предложить пути улучшения их проектов в сторону снижения массы с сохранением жесткости, упрощения геометрии и др. Разработаны обобщенные расчетные схемы рассмотренных конструкций для модернизации серийных и проектирования новых конструкций. Установлено, что наиболее существенным фактором при проектировании данных конструкций является их жесткость по сравнению с прочностью. Ре-

зультаты анализа реакций являются основой для формирования математических моделей конструкций для параметрической оптимизации.

При проектировании отдельной несущей конструкции решены методические вопросы расчета крупногабаритных конструкций. Предложен и реализован эффективный алгоритм параметрического синтеза сложных крупногабаритных конструкций на основе под-конструкции. В результате уменьшается число расчетных переменных, время счета на ЭВМ, объем вычислений и увеличивается количество просматриваемых возможных вариантов компоновки несущей конструкции. Для конструкций близких по форме к пластинам (палета стола) установлена зависимость целевой функции одновременно от особенностей МКЭ (густота сетки) и критерия жесткости (относительная деформация) при использовании заводской методики. По результатам исследований нами рекомендуется использовать в качестве критерия жесткости относительные деформации, вычисляемые непосредственно на направляющих конструкции, а не на ее поверхности. В результате целевая функция зависит лишь от особенностей МКЭ.

Для уникального многоцелевого станка предложены несущие конструкции с оптимальными параметрами- Оптимальные конструкции по сравнению с их серийным исполнением имеют меньшую массу (снижение на 12-33 % по отдельным конструкциям) при сохранении станком заданной точности и производительности механической обработки.

Построена динамическая модель несущей системы уникального многоцелевого станка на основе балочной модели для проведения сравнительных динамических расчетов. Впервые для данного типа станка получены расчетные спектры собственных частот и форм колебаний. Сравнительные динамические расчеты

показали улучшение динамического качества станка, составленного из оптимальных несущих конструкций, по сравнению с серийным вариантом для принятой в работе системы предпочтений. Имеет место снижение податливости в зоне обработки (на 30 % по оси У, лимитирующий фактор) и массы (на 14,5 % для собственно станка и 10,4 % для стола).

Показана эффективность и достоверность нашей технологии проектирования несущих конструкций на примерах других типов станков, имеющих известные решения в литературе (горизонтальный координатно-расточный и одностоечный токарно-карусельный станки). Качественная картина результатов одинаковая, количественные расхождения вызваны неполнотой исходных данных, приводимых в литературе.

Предложенная нами технология проектирования несущих конструкций станков апробирована в реальном проектировании.

- 11 -ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование и развитие машиностроения, как основы научно-технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства, связано с прогрессом технологического оборудования. Основным видом технологического оборудования для размерной обработки деталей является металлорежущий станок. Он представляет собой машину, обеспечивающую относительные перемещения металлорежущего инструмента и обрабатываемого изделия для придания изделию требуемой согласно чертежу формы с заданными производительностью и точностью путем снятия стружки.

Расширение функциональных возможностей металлорежущих станков, обеспечение их высокого качества и эффективности, точности, эксплуатационной надежности и стабильности сопровождается непрерывным возрастанием их конструктивной сложности, Так, в результате решения проблемы автоматизации производства появились качественно новые металлорежущие станки с ЧПУ, резко изменившие традиционную конструкцию станков 60-х годов. Появились устройства АСИ и ACS, различные виды обработки стали осуществляться при минимальном числе установок заготовки, возросли требования к точности, жесткости, надежности станков с ЧПУ. Станки стали значительно сложнее при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Для обработки сложных корпусных деталей применяют сверлильно-фрезер-но-расточные станки с ЧПУ с устройствами АСИ и ACS, получившими название многоцелевых станков (МС).

Усложнение конструкций современных станков сопровождается ростом трудоемкости проектно-конструкторских работ. Использование традиционных методов проектирования конструкций

приводит к существенному удлинению сроков разработки, снижению ее технике-экономической эффективности и ухудшению качественных показателей. Сейчас уже недостаточно использовать просто приемлемое техническое решение, а требуется оборудование оптимальное по своим конструктивным, технологическим и эксплуатационным характеристикам.

Выходом из сложившегося положения является использование автоматизированных методов проектирования металлорежущих станков с использованием ЭВМ, а также совершенствование организации проектных работ. Здесь существенная роль сводится к развитию теории и методов проектирования на основе достижений вычислительной математики, системного анализа, теории оптимизации, теории моделирования, механики, практики конструирования металлорежущих станков.

Особая роль в общем процессе автоматизированного проектирования отводится математическому моделированию физических процессов, протекающих в станках, направленному на обеспечение надежного функционирования оборудования в заданных условиях эксплуатации. Преимущества математического моделирования, как альтернативы макетированию и натурным испытаниям, очевидны: удешевление и ускорение процесса моделирования, высокая оперативность смены параметров в модели, возмож