Система моделирования динамики отрывного вибрационного перемещения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Орлонский гооударетиышип

-',3 ТОХПИЧООКИЙ уШПЮрОНТОТ

•i. ^ «V

lia lipa на к ¡»уконшш

RüíO'iMiii Дмитрии Ап.пож-.едШ'И

"Система модслшроплшш динамики отрывного шшргщиошшго переменивши"

Специальность 01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

A 8ÎTÛ РЕФЕРАТ

диссертации на еюнекашт ученой стгиени кандидата технических наук

Орел - 1097

Работа ныполпена на кафедре "Проектирование I! производство ^лементои" Тульского государ-стт^шого университета.

I) а учи и и рукотюднтел ь: кгимндаг н;ишнч'ких паук-, доцент Бляхеров И.С.

Официальные оппоненты: док юр нхннчоских наук, профессор Мшшхов ИЛ!, кяплшли юхпнчсгких пну к, лоиенг Лпчншкипп Л.Ф.

Нодущое предприятие: ДО " Iульпсий шп роинмн зяпод" г, 'Гул»

Защита диссертации состоится "Л5" " мая 1997г. н .М масон на заседании специализированного сочота Д 004.7;).01 в Орловском государственном техническом университете (302020, г. Орел, Паугор окое шоссе, 29).

С диссертацией можно ознакомиться ¡з библиотеке Орловского государственного технического уни-нерси юта

Пат отзыв па автореферат п одном экземпляре, за-перонииП. печатью, просим направлять по указанному адресу.

Гптореферат разослан "3 " апреля 1997г.

Учены!) сокрогарь специализированного совета доктор технических наук, арофеоеор

ЧСрНЬШЮН В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ!'.

Стриикоо БйбрОШЮННОР перемещение яироко попользуете и и рвзлгюякх узгрсйсгглах кгхапчзацпа н пвтомз'ппа-

у о миогИя отраяляп пропзтюдсгпгд: у мкшшссгрослпи, гор;юдоСчвою)цса промигалснности, «трсит&йьс!:;«» ц произ-содстез строга о льйиз: маториаясз, сольскон лсзяйстпо, ЛЁГКОЙ п ПШ^СЕОП промышленности. П СОЧСГСК'ГИ с простотой иоаструкппн, они обзспсчизаглу шсскуя прокзоодитель-тгооть, рягулкруеиу» в широком дпапззоко, поозояяот с коду транспортирования шнолнять вокоторнх технологические ошрашп*. Позотрчгшоа гпфхщпоипос псг^псщонио является чясх-ким случаем отр^пиого.

Осноппшп! гштсрзсугсу'иич прсогага-

Р'лмдики прт исследовании дпир.мшси ироцоссоп слрнзиэго вибрационного перемещения, ягляатгл характер движения Транспортируемого предлога обработки И средняя скорость. Исслодопашш б длиной области рассиатрипаля расчетный олеин, ориентирозашиа на определенные процесск, который ¡и; иоглп Спть прпнзнояп ко ипопь создстаомим устройства! I, использующим нокка факторы, влияющие но виб-ронорамощонио. Кроме того, уравнения, описывающие процесс, носят нелинейный характер, и получение решений требует значительных затрат времени проектировщика ив проведений расчетов и сопряжено с большой вероятностью ошибок при их .выполнении. Перспективным подходом к решению данной задачи является внедрение о процесс проок-

тирорания ередсггв пь'чиеяк-гзльной техники для моделирования и анализа. '

■ MIMIíbHQCJb_РЩЩЩЯ ойоскоБьшаатся иео&:оди-

.мостьп соидаииг» универсальных, удобны?., достаточно точных и надежшдк модалгй к моторов исследования дияаикки механических процессов отравного вибрационного перемещения ири максимально расширенном набора входные факторов, иог*;-;е;-.:постью формирования на этой основа расчетных схем раэлкч'инз: видов,- п том число для вновь создаваемых устройств, оС&апоч<5Нк©:.? доступности ррозодьния такого анализа разработчиком, но имеющим г.ысокой математической и компьютерной квалификации.

НВЛЬ)!) РАВОТН является обеспеченна восмокжеотой получения требузных технологических характорист&к вибрационных устройств на основе- разработки е&фекаивных нз-тодов, алгоритмов, и енотами ч'исленкого моделирования г. анализа динамики процессов отравного вибрационного перемещения материальной частицы.

НЕТОЛИКА ИССЛЕДОВАНИЯ основывается на применении положений теоретической механики и теории колебаний, численных методов интегрирования, дифференцирования и интерполяции, проверке достоверности результатов при различных сочетаниях входных факторов и режимах, экспериментальном исследовании зависимости средней скорости вибрационного перемещения от некоторых входных факторов и сопоставлении их с результатами чнеяопного моделирования.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

- R -

1. Постановку и погоди решения задача дшшкш« ог-рнвиого вибрационного перомсдошш матариалыюй ччи?шц«1 с расширошшн набором входных факторов;

2. Алгоритма численного рсшштия слотами дпОД&рыщи-альяих урчкксниЗ движения материальной частицы - основа для моделирования процесса и прогнозирования ¡саран-'K-p?«ef?at рассиатриваемпт. устройств;

3. Кснпштерку» систему моделирования отрывного влСрационьогс лерсчаирлшя для исследования динамики сссл-ззтствущих продоссоч, совершенствования и проакти-розашш миграционной техники.

НЛУЧРА.Ч НЛШЩЛ сеггск? в ясотроонии расширенной »атеистической подели огрквного вибрационного перемещения с учатом большинства сушествоыных факторов (произвольного закона колебаний пасущей плос!сости, сил сопротивления, пнсшшх ессродсаечеаных сил, различных моделей трения и соударзния, наличия асимметрии трания п оопрогивяпшш), разработке новых алгоритмов моделирования процесс/}, визуализации, построения зависимостей н параметрического синтеза, создании принципиально нового инструментария исследования динаншш отрывного вибрационного перемещения.

ИТПМРС]íЛЯ_ЛíLAÍ1ННОСПЪ результатов состоит а со-¡!ср:ийнствоплйИн натодсв исследования динамики отрывного вибрационного нарп^ощания, пош-шошш иг достоварно-otií и точноСистема Ч?ЮЛ01Ш01Ч) моделирования ыочкзт найти пра;<тичсскоа примененч-з при ррлрайотгсй и модерии-2-аЦШ1 устройств вябрадноаного ТрЗКСПСрТГ.роааИиЯ и mió-рационной cSpaícnw утучни:' дегалой, бспопнш ."юдяоды а

ы&тьиатлчоской модели и оо прсграммцой реализации могут «спольйо'ьаи.ся при построении моделей более олоаних процессов.

чиваех\зя нрннсионпгм в р&ира&отгшиой модзли адекватних эдконов движения материальной чаоткци, учитом пргктиче-ски всех сущемварн!.« факторов, приманенном строгого математического аппарата к многократно проварен «аз: чпо лаяния, алгоритмов; сопоставлением получении:; результатов с окспоримонтацп и данному другая ^еслсдспаталай.

АПРОБДЦ'ЛЯ РАЕО.ТР Результату работп докладывалась на паучник конференциях в ТулП/, II Всероссийской научно-тахшшеской Конференции "Внбрационниэ машины и технологии" 14>35 года е города Куроке, IV Мо:.ч.цуцародиой конференции "Иолипейнис .колебания ноканических систем" lö9ö года в Циклом Новгороде, Ш Международно:.! конгресса "Конетрукторако-ьегнологичеокая информатика" КТИ-С8 р городе Ыоокве, Международном семинаре "¿итоматыадция: проблема, идеи, решения" 1809 года в городе. Туле, Неидуда-родиой конференции Еосток-Бапад цо взаимодействии чв-лоаеиа с компьютером "Чоловоческие факторы компьютер-лих 6кэнес-приы0{шнйй" 1EQ3 года з юроде Москве, внетай-ке-сешшзрв программного продукта в области артомативв-цпн инженерной деятельности и информационной интеграции производства ц ЫГТУ им. li.ü. Баумана 1998 года, Демидовских чтенцнк 1905 года в города Туле.

Щ'ЕДЦМАШШх По тоне диссертации и сановным результатам опубликовано 11 научные работ,

А

СТРУКТУРА H OBbS'f РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, саключения. Изложена на 200 страницам нашннопиоИого текста, включает 51 рисунка, 2а таблиц й список лптгратурц па 18Э наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

D глава' 1 "Современное состояний теории и методов ис-олодоваййл динамикя отравного вибрационного перемерзни.ч" рассматривается область исследования - вибрационные технологические и загрузочные устройства, проводится анализ современного состояния работ но исследованию динамики процессов отрывного вибрационного перемещения.

Вопросам исследования динамики отрывного и безотрывного вибрационного перемещения материальной частицы посалщонп t-шсгочйсленнио научное работы Блехмана И.К., Гончаревнча И.Ф., Паноако Г.Л., Лавендела Э.Э., Гулбе А.К., Крюкова В.И., Малкина Д.Д., Нагаева Р.Ф., Пановко Г.Я., Попи-дайло В.Д., ПотураеЕа D.H., Усонко H.A., Якубовича В.И., Клок-гауза 0., Вемейера К., Зайделл Г. и многих других.

Анализ существующая способов вибрационного перемещения и материалов литературных источников показывает, что из всего возможного набора факторов, определяющих вибрационное перемещение в ныне существующих, а также и в принципиально новых устройствах, влияние далеко не всех факторов ранее исследовалось. Методики определения средней скорости и характера движения частицы затрудняют получение результатов при различных наборах исход-

- о -

ных данных, а в ряда случаев носят лишь приблизительный характер.

Перспективным в решении данной задачи представляется использование вычислительной техники и реализация вычислительного эксперимента, в основу которого положена обобщенная математическая модель процесса, а решение уравнений осуществляется численными методами на персоиальнш; ЭЕИ.

Для ращения задачи динамики отрывного вибрационного перемещения необходимо создать такую математическую модель, которая бы учитывала все существенные факторы, оказывающие влияние на процесс.

В главе 2 "Теория и принципы численного моделирования отрывного вибрационного перемещения" рассмагри-ваются вопросы создания обобщенной математической модели процессов отрывного вибрационного перемещения.

Принята классическая постановка задачи вибрационного перемещения материальной частицы. Правомерность этого обусловлена тем, что предметы обработки движутся по плоскости поступательно, высота микрополетов при отрывах относительно невелика, а вращение и взаимное влияние исключены конструктивно.

Все силы, действующие на частицу, приведены к центру масс. Расчетная схема приведена на рис.1.

Возбуждение колебаний по произвольному закону производится в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Закон задается аналитически, графически или таблично.

|

-С**»

P.tcI. Расчетная с:;ема.

где:

■ Т-З- сила тят-зсти; N - нормальная реакция опоры;

Г? Г? •

- переносные силы инерции;

??

•• ti- сила трения;

* f-» ¿п

-V.t» : 'су1Vîtj'^v - силк сопротивления;

р г>

-Г*> ?сосредоточенные сила. 3 иодяли наштЧ отраженна кулонсца и нокулопова модели трония с позно'.г'нсстьэ яйиимйгрии.

' 3 пачоотнп нодсл^ ссударалия -модель Ньюгоиа-Рзуеса допуске г.ща я S варианта: нсулругоо соударений,

упругое соударение с постоянными коэффициентами, упругое соударение со стохастическими коэффициентами.

Динамика материальной частицы на плоскости описывается нелинейными неоднородными дифференциальными уравнениями второго порядка, учитывающими все существенные входные факторы. Качественно анализируя движение частицы, ¡^ожно выделить 3 характерных ¡этапа: етап покоя, ьтап скольжения и этап полета. Итоговые уравнения движения на этапах скольжения и полога имеют вид:

1. Этан скольжения:

Фх ¿/"ц (Гд . . !/..

~г»

&! № Сй '

( ■ <-?<' 1 /. - 2 „ , , О

V а; (Г ПР и

Си ^х

1 / 1 V

ИЩУ-—" сше-йссй«—+ к2угу -(- Ру_ -Ру^

2. Этап полета:

. . , 2\

-----/-ссьсг—--гаш-^апа-ь----! ~ ""

с'г (¿1 иг

¿а ~

где:

- коэффициент трения покоя;

3

Ць = (ч, + 1 ) - параметр некулонова трения

Численно интегрируя полученные уравнения, кокаю получить кинематические характеристики вибрационного перемещения

Численное решение уравнений динамик',! прэисводится однопыгоьим исподом Рунго-Кутга четвертого порядка точ-

- и -

ностн с равномерным шагом. Сопоставление различных методов решения выявило наибольшую эффективность В ратании данной задачи именно одношаговых методов с равномерным шагом.

Так как на каждом интервале времени неизвестно состояние материальной частшш, то рассматриваемая задача вибрационного перемещения решатся для двух уравнений в предположении движения частицы и вперед, и назад, а на основании полученных данных принимается окончательной .решение. Полученные конкретные числовые данные используются как для принятия решения о поведении частицы.

!3 главе 3 "Алгоритмы моделирования процесса отрывного вибрационного перемещения" описаны алгоритмы управления процессом моделирования, определения длительности скольжения, остановки и полета, анализа параметров движения за пикл колебаний, визуализации, четы рех методов исследования динамлкк.

Для оценки характера движения частицы предусмотрена возможность визуализации процесса и получения графиков кинематических характеристик. Описаны особенности четырех методов компьютерного исследования динамики процессов Даны рекомендации по сочетанию различны? методов при проектировании или модернизации устройств.

Исследование и синтез часто требуют большого времени расчетов, поэтому о системе предусмотрена возможность прерывания с последующим продолжением моделирования.

В главе 4 "Структура, ^ункционирсааиие и проверка работоспособноеги компьютерной системы моделирования

- is -

динамики отрывного вибрационного перемощения" опиоц-вастая разработанная компьютерная система моделирования динамики отрцвнсго вибрационного перемещения е двух варианты*: для операционных сред DOS н Windows. (рис.2). содержащая основную чаете - вычислительно-иоделируищеа ядро и сервисную часть, реализующую разнообразные фушешш' формирование различите законов колебаний, получение промежуточной числовой или графической информации, выполнение, четырех иэтодои исследования с возыс-кностьи получения необходимый числовых протоколов или графических копий, запиаьи ысед цслод-них дашшх, ьаконоп, результатов и листингов в Gasy дьц-ны:г.

При создании моделирующего ядра ярораде^ы иаащела-саиия точности численного моделирования г? еавксииоетл от количества точьк разбиения газового цикла колеоанщ.;. Показано, что погрешность результата растет с уменьишшек числа точек раьбионнй различно для каждого конкр&г^огс варианта. Установлено, что усиление асимметрии кеде? к снижению погрешности численного моделирования. Выявлена наиболее оцтина-льная соласть для провадащш jicojiefjio-ваний по какдому из нетодои. Перевод к огрывнщ* релизам вцоращюшюго поромедения с^ц&ет* погрощвсияф. онрвда-ланв« средний скорости по срак нению с безотрывным*?. '

Для кот-рол;; в а вравидвноегьй чрелкиного. моделирования процесса рйИом&ндоиано «спользов4?ь гцзуаляга-. ц»ш, коаьоляащуа• фа:ро винзить ногр£-:.г«ость как искала ннб' траекторий ркзуалиайциа явлл&тся тмазэ мощным шь струменток анализа характера движения .ччелщы."

Rítreni tPíiicí ifíCjíft» ¿sxra Ддал" Г'Ж'П.; ga?» Пзяз'.и

VI8PO-2.0 Tun О

¡ ÜSCJlfi«

г

4r¿?5

"Щ

"

iíl

Cpcast-í3 o.ef ?кь Vqs, SflM?

ms

Ш

«?ШП№ЯЯ1 Ж21

I "ГЧ

1.1 л

±1

í4*"] ji^ :»-

íl

й

*IS!

"i

ЗгХЗК

ЖЖЕ

jffertq Kástíjs'áf.! trjwríB яфодозгсга глггй tí Hj|

Рлс.2! Система моделирования "Vibro Я.СГ для Hindoos.

В глава 5 "Достоверность численного моделирования динамики отрывного вибрационного перемещения" приведены результата сопоставления компьютерного моделирования заданных значениях входных факторов с экспериментальными данными других исследователей или полученными по другим методам. Для сопоставления использованы результаты, полученные с помощью расчета по методам других исследователей и данные численного моделирования. Наиболее подходящими для таких целей оказались результаты, полученные с помощью расчета по проверенным мето-

дай Влохмаиа И.Л. для прямолкнэШшз и эллиптических колебаний рабочего органа, многочисленные экспериментальные данные но исследованию динамики отрывного пиб-рзционпого Перемещения Гончаревича И.О. и Якубовича В И., отдельные результаты расчета с учетпи эффекта "прилипания" по Повидайло 13.А. и так далеа.

Подробно описана методика проведенных вкоперкмен-тальных исследований динамики отрывного вибрационного перемещения на транспортирующих устройствах различных типов.

Статистическая обработка полученных результатов доказала адекватность математической моделй к возможность получения с ее помощью -»^»дп^лагаемын значений средней скорости. Во всех опытах расхождение таорзтическпк и экспериментальных значений не превысило 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе решена научная задача разработки математической модели, методов исследования динамики отрывного вибрационного перемещения материальной частицы, и создания на их основе законченного программного продукта - системы численного моделирования динамики отрывного вибрационного перемещения при расширенном наборе входных факторов. Решение данной задачи содействует дальнейшему развитию научно-технического направления использования вибрационного перемещения в различных технологических устройствах. .

- lñ -

Рашщс данной рздачк позволяет: шл-м/еифициройс'к проведение исследований динамики про)?,caca при различном сочетании вход них факторов; дать предварительный прогноз о целесообразности выбранной расчетной схемы конструкции, :-5 том числе и при использован «и новых способов яспбуядзння колебаний или влиянии новых факторов; снизить вероятность получения отрицательного результата иь-за недостаточной квалификации разработчика; значите льчо уменьш-уь затраты материальных средств и времени на проведений прбдзарптольнн.ч исследований и окспери-кентальную доводку; создать на основе предложенного подхода, математической модели и алгоритмов подобные системы для анализа более'сложных процессов, базирующихся на принципе отрывного вибрационного перемещения.

Новые научные результаты, • полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1. Сформирован набор входных факторов, позволяющий охарактеризовать все возможные па сегодняшний день способы вибрационного перемещения.

2. Разработана обобщенная математическая модель динамики вибрационного перемещения материальной частицы по шероховатой вибрирующей поверхности с учетом всевозможных сочетаний произвольных законов колебаний на широком диапазоне частот, амплитуд и фазовых углов, сосредоточенных сил произвольного направления, различных видов сопротивления движению, кулоновой и некулоновой моделей трения, асимметрии сил трения и вяакого сопротивления, ноупругой, упругой и стохастической моделей соударения. ■

- 1С -

Создал общий алгоритм моделирований дчпапикн процесса стрипиого вибрационного перемещения. Создаян алгоритмы и их программные реализации для анализа динамики процесса па каждом аз трех воумошшг этапов вибрационного перемещения: покоя, сколькенна, свободного полете.

4 Создана компьютерная система моделирования динамики процессов вибрационного перемещения материальной частица "\Iibro 2.0" п двух версиях для наиболее распространенных операционных Сред: Ы3-003 ц М£-и1пс1о?:£

5. Предложено четыре метода компьютерного моделирования динамики процессов отрывного вибрационного пер>

0. Выявлены наиболее ого-нмальша значения чу;слл точек разбиения и оффек-гшлюегь использования визуализации для оценки верности численного отображения процесса.

7. Доказана достоверность получаемых, с помощью системы результатов путем сопоставления .результатов численного моделирования и данных других авторов при одинаковых уровнях входных факторов

В. Проведены собетаещше исследования динамики обрывисто вибрационного перемещения в Багруеочнш. устройствах для штучных ааготовок. Путем статистической обработки результатов доиаг-аиа адекватность предложенной математической модели.

0. 'Коьпыитерная система "У.1Ьго 2.0" может бцть использована прь проектирований вибрационных выгрузочных и

тзхиологичеокпд: уотро.'!см, кеслйдоваиш? динамика соот-всачпвуюцизг процессов, в учебном процесса.

Оеиопкоэ содярааняа яиосгфтацни опубликовано следужщи к работая:

1. Вляхсфоо И.П., Ко"очкш1 Д.Л. Сервисное сбсскечекнч имптациокиого НОДОЛП;)ОЕЭГГ-!Л виорлциошюге перемгчцз-ЙЯЯ. - АЛГОРИТМЫ "'! структуры опегям сОррботкн информации. Гула: ТулГГ/, 1994, О. 14; -Г47.

2. ]Зял2Горсв И.С., Ко-ючкни Д.Л. Коппь'от.арноо иттщи-гнно'Э моделирование процессов очгзотрмвпого вибрационного перенесения - II иаучио-тггшнческая конференция "■Бдбрдцнойпкэ пашшм п тэкнологки". дек. 1905 г.: Сбор, докл. - Курск, 1ь'35, с. 54-Ь7.

3. Влнг.ероп И.С., Ксзочшш Д.Л. Моделироваипз процессов вибрационного порсмощенчя с тз^иологическиу уот-роПствагс с использованном ко^пьюгорню: сист-зч. - III дународнкй котросс "Конотрукторско-тогиолопгобская информатика" - КТИ-50, май 1033 г.: Труд:-? коигр. - Москва, 1956, С. 27-2В.

Л. Влялсров И .С., Козочкин ДА. Моделирование динамики материальной частица при вибрационном переиздании. Прикладное задачи газодинамики и механики деформкру-з-мых и недеформируемцх тпе-рдык тел. Тула: ТулГУ, 1983, с. 5350.

5. Влялороз И.С., Козочкин Д.Л. К.вопросу использования' компьютеров для -'моделирования процессов в средствах механизации и автоматизации. - Вопр. оборон.

техн. сер. 1:1 КомплексьгШ автоматизация проигаодотва I? роторные лнг-ши. -1993. - Вып. 1, 2.

0. Бляхерои И.С., Козочипн Д.Л. Интенсификация иссяч-цопашш процессов вибрационного перемещении с иомоюью компьютерных систзы. - Демидовские ч гения. Второй юбилейный выпуск, 19С0, с. 99-302.

7 Ноэочкш? Д.Л. К вопросу использования ВДОШСЛИ-тотыюго зкепйримонта при исследовании отрывного вибрационного лере.меко:шя. - Автоматизация технологически;: процессов в машшостроакии: Ме:>:иузоиокпй сборник научны?; трудов. - Оолгоград: ВодПУ, 1995, с. 62-03

н Копочкин ДА, Вдяу.ероо'И.С. К вопросу компьютерного моделирования стрыпн.п'о вибрационного неромелрляя. -¡1 нау«ио-технической коа^эрэищш "Вибрационные каткгл и технологии", дек. 19.1)5: Сбор. докл. - Курск, 193а, с. 62-25.

9. Коэочкин д.д., Вля:юров И.о. Иододь ?: р^кими системы численного моделирования отрывного вибрационного перемещения. - IV конференция "Нелинейные колебания механических систем", сонт. 1093: Тез. докл. - Шшпкй Новгород, 1930, с. 70.

10. Коэочкин Д.Д. Компьютерная система моделирования отрывного вибрационного перемещения. - Ыекд. семинар "Автоматизация: проблемы, идеи, решения1'', март 1893: Тез. докл. - Тула, 1ВЗЗ, с. 75-76. ■ .

11 Козочкин Д.Л. Вопросы проектирования устройств отрывного вибрационного перемещения с помощью компьютерной системы. - Вопр. оборон, техн. Сср.13. Комплексная автоматизация производства и роторные линии. - 1997. - Вып. 1,2. ¿> . :