При разработке документации на изделие у конструктора часто возникает вопрос: "Правильно ли выбран профиль, материал и конфигурация детали? Способна ли она выдерживать действующие нагрузки?". И чем ответственнее деталь, тем больше сомнений возникает.

Конечно, можно выйти из данной ситуации разными способами: увеличить сечение, выполнить поиск опасных сечений и произвести расчет, используя знания "Сопротивления материалов".

И в итоге в первом случае получается лишние затраты материала, во втором - увеличение времени на разработку и вероятность пропустить на самом деле опасное место, которое на первый взгляд не покажется таковым. Оба эти варианта ведут к удорожанию детали.

В конечном счете, все ответственные детали проходят расчет в программных модулях, результаты расчета которых подтверждены испытаниями. Но это долгосрочное и не дешевое "удовольствие". 

Для предварительных конструкторских расчетов существуют более простые расчетные программные продукты, которые уже в ходе начальной проработки конструкции способны указать на "слабые места" с достаточной точностью. Именно о таком продукте пойдет дальнейший разговор.

Для того, чтобы не быть голословным, рассмотрим простой пример - анализ балки двутаврового сечения с последующей оптимизацией. Расчетная схема приведена на рисунке ниже.

 

 Обе опоры имеют вращательную степень свободы и правая опора может перемещаться вправо-влево свободно.

В первую очередь перенесем данную расчетную схему на 3D модель. При этом вид ее будет следующий.

 

Проведя прочностной расчет получим следующие результаты. Слева - напряжения, возникающие в балке, справа - деформация.

 Принимаем для стали σ02=325 МПа. Как видно из результатов, максимальное напряжение составляет σmax=78 МПа. Коэффициент запаса при этом составит 4,2. Поскольку условие прочности выполняется, то расчет можно считать законченным.

Однако конструкцию детали нельзя считать оптимальной, поскольку для неответственных деталей из стали и не испытывающих динамических нагрузок можно использовать меньше коэффициент запаса, что позволит сэкономить материал и снизить массу детали, а следовательно и ее стоимость.

Принимаем коэффициент запаса 1,6 и проведем оптимизацию балки. При этом целью оптимизации для этого случая будет являться минимизация массы с повышением предельных напряжений до 200 МПа. Результаты оптимизации приведены на рисунке ниже.

 

 После оптимизации удалось снизить общую массу балки с 723кг до 501кг. Толщина профиля при этом уменьшилась с 40мм до 25 мм.

Бесспорно, зачастую оптимизация проходит по нескольким размерам для получения наилучшего результата. Но в данном случае преследовалась цель не оптимизировать балку, а показать возможности программы.

Оптимизация на самом деле долгий и сложный процесс и не всегда удается добиться полностью желаемых параметров. Это происходит из-за того, что параметры заданы слишком жесткие и их невозможно добиться при данных условиях, либо конфигурация детали не позволяет изменить ее форму настолько, чтобы прийти к желаемому результату. Однако, улучшение конструкции находится всегда, хотя и не совсем ожидаемое.

Данный анализ был произведен при наличии конкретных исходных данных и схемы нагружения. Однако существуют случаи, когда необходимо произвести прочностной расчет узла механизма. С первого взгляда это кажется простой задачей, но разбираясь детально возникают следующие вопросы: в каком положении рассчитываемого узла действуют максимальные силы и каково их направление? Для примера произведем расчет шатуна кривошипно-шатунного механизма.

 

Предположим, что на поршень действует сила и учтем в расчете силу гравитации. В итоге за оборот в шатуне возникают силы, приведенные на графике ниже.

 Как видно из графиков, максимальные силы действуют на шатун в момент времени 3,5 сек. Именно эти силы будут автоматически перенесены на модель для прочностного расчета аналогично уже рассмотренному выше. Перенесенные на модель силы показаны на рисунке ниже.

 

Подведя черту под всем выше сказанным, хочется отметить, что предварительные расчеты делать все-таки необходимо. В конечном счете это позволит сэкономить материал и уменьшить финансовые затраты на изготовление детали.

Если же деталь ответственная и предстоит расчет в специализированных программных продуктах, предварительный расчет позволит отдавать на окончательный расчет не "сырую" деталь, которая в результате может оказаться не достаточно прочной и весь расчет будет пустой тратой и времени и средств, а заранее просчитанную и подготовленную. Хотя и в этом случае в результате расчета могут быть "сюрпризы", поскольку в ходе предварительного расчета могут быть применены упрощения, которые позволят делать расчет быстрее - на то он и предварительный расчет. 

©  Копирование материалов приветствуется при наличии активной ссылки на наш ресурс по разработке и изготовлению металлических корпусов - http://niokr.by. Спасибо за понимание!