Автоматизированная резка панелей. Сообщение 2.

 

Предпроектные работы часто приостанавливаются из-за отсутствия данных для проведения простых конструкторских расчетов. Отсутствие информационного поля данных становится серьезным ограничением так же и при проведении аналитических исследований технологических процессов. Эти ограничения постепенно становятся частью работы инженера в самом начале работы над проектам. Как решать эти задачи доступными средствами? Если на вашем ПК установлены продукты Autodesk  для машиностроения, то задача становится решаемой. Нужно сформировать два блока задач. Первый касается определения свойств материалов, второй - построения расчетной модели.

Формулировка задачи в данном проекте определена вектором поиска силы резания панели ленточной пилой. Это значит, что в расчетную модель должны быть введены геометрия и материалы пильной ленты с выбранным шагом зубьев и участок панели.

Панель представляет собой трехслойную конструкцию из двух тонких стальных листов и слоя базальтового утеплителя. Готовых данных по расчету усилия резания такого слоеного материала вы не найдете. Справочники обходят эту тему. Используем набор характеристик материалов, достаточный для редактирования библиотечных данных ALGOR.

Построение расчетной модели интуитивно понятно. Предварительно производим ориентировочный расчет параметра подачи на зуб, используя теорию проектирования пильного оборудования для древесины. Позиционируем зуб пилы относительно непропиленной части панели вдоль прорезанной дорожки на расчетное значение подачи на зуб. Что касается усилия приложенного к ленточной пиле, то оно состоит из двух составляющих. Первая -  это усилие предварительного натяжения ленты, вторая - непосредственно сила резания панели. Первой составляющей следует пренебречь, так как этот параметр распространяется на расчет запаса прочности самой ленточной пилы и сил сцепления с приводным шкивом машины. В качестве стартового значения силы резания используем данные расчета для пиления древесины. Выбранное значение прилагаем к плоскости поперечного сечения ленточной пилы.

Далее следует закрепить панель и направляющие для пилы и поправить свойства контактов между материалами или деталями. Соединение металлических обкладок с утеплителем панели определяем как Bonded, а ленточной пилы с обкладками, утеплителем и направляющими как Sliding/no separation. 

Таким образом, что бы привести систему в равновесие, ALGOR приложенную силу резания уравновесит реакцией в контакте зуба пилы с металлическими обкладками и базальтовым утеплителем. Напряжения в областях созданных реакций должны превышать предельные допустимые значения, что приведет к разрушению материалов панели. Что нам и нужно. Напряжения, кроме созданных реакций, так же определяет величина подачи на зуб, которая составляет доли миллиметров.

Согласно рекомендациям напряжением достаточным для резания в зоне взаимодействия зуба пилы с листовым материалом является превышение предела текучести материала в два раза. Для стали 3 этот показатель составит 500Н/мм² .

В пробном расчете сила резания, приведенная к ленточному ножу, была принята равной 115Н. ALGOR произвел вычисления и показал следующие результаты.

Получено максимальное напряжение 343Н/мм². По нашим ориентировкам этого не достаточно. Сила резания, принятая для древесины, оказалась недостаточной для резания панели с металлическими обкладками.

Правильно рассчитанное значение этого технологического параметра отражается не только на оптимальной мощности привода устройства резания, но и на выборе обоснованного параметра устойчивости каркаса машины. Поскольку машина участвует в двухкоординатном движении с ощутимыми ускорениями, то инерционные нагрузки определяют основную составляющую мощности приводов перемещения. Поэтому масса подвижных частей имеет значение.

 Увеличим силу резания до 190Н. Запустим повторный расчет. Параметр подачи на зуб определяется соотношением скоростей движения пилы, движения режущей машины. Эти соотношения приведены в соответствие с производительностью линии. Поэтому их мы изменять не будем.

Полученный результат соответствует нашему видению процесса резания. Последнее значение силы резания, приложенной к ленточной пиле, примем для проведения расчетов приводной системы полуавтомата. 

Данные, полученные в результате аналитического исследования процесса резания, могут быть интересны для анализа поведения самой пилы. Потому что система взаимодействий в матрице жесткости ALGOR является симметричной.

Трудно себе представить работу инженера в Inventor без ALGOR. Это как хождение по минному полю, да еще с завязанными глазами.

Автоматизированная резка панелей. Сообщение1.

В линиях непрерывного производства технологические циклы должны быть вписаны в определенный регламент. И он довольна жесткий. Ни одно устройство не должно выбиваться из общего ритма работы линии. В ее составе часто встречаются интересные экспонаты, в проектировании которых приходится использовать множество приемов, которыми богат Inventor. Поговорим о создании полуавтомата резки панелей, обладающим достаточной мобильностью и точностью резки. Это, кроме устройства резки, еще и счетно - решающее устройство. Процессор, встроенный в систему управления, обладает множеством функций, которые необходимо решать, выполняя цикл за циклом. Прототипом разрабатываемого полуавтомата является известный экспонат, работу которого можно посмотреть.

Разрабатываемый полуавтомат включает в себя множество движений, усложненных рамками необходимой синхронизации. Согласование скоростей движущейся панели со скоростью перемещения полуавтомата в момент резания является строгим условием работы линии. Поэтому приводные механизмы должны быть подчинены общей системе управления технологического блока.

Работая в Inventor, выводя грани, поверхности, строя эскизы, забываешь о времени. Создание подобных проектов похоже на работу художника.

Но в самом начале выстраивается точная хронометражная картина по тактам работы устройства. Каждое устройство обретает начальные характеристики скорости движения, с учетом переходных процессов, времени вступление в работу и мощности. 

Резание панелей, состоящих из листового металла и утеплителя, производится двумя инструментами - дисковой и ленточной пилой.

Полуавтомат должен обладать способностью резания как при прямом ходе устройства, так и при обратном. Для этого введем механизм разворота ленточной пилы на 180 градусов. Устройство натяжения ленты сохраняет основной параметр при работе устройства разворота.

Полуавтомат базируется на двух шасси продольного и поперечного перемещения. Массы, которые приводная система разгоняет в ограниченный период времени, достаточно ощутимы. Поэтому конструкция шасси вот такая.

Функциональную часть конструкции скрывают ограждения. Если их условно снять, то можно рассмотреть приводной и натяжной шкивы ленточного ножа. Устройства простые, но расчетная часть этих элементов конструкции оказалась витиеватой.

Существует теория расчета пиления однородных материалов. С трехслойными материалами все сложнее. Но без определения этого параметра рассчитать конструкцию и ее приводную часть не удавалось. В решении этой задачи был использован Algor. В данном случае это не совсем обычное его применение. Решению этой задачи будет посвящена вторая часть этой статьи. Определение свойств материалов и построение расчетной модели тоже заслуживают внимания. Но это позже.

У нас появилась новость по CAE от Autodesk  - http://engineeringexploration.autodesk.com/

Первый беглый обзор материалов, размещенных на главной странице сайта.

Материалы, предлагаемые для ознакомления, расположены в определенном порядке и доступны для понимания как студентов, желающих освоить основы технологий CAE, так и для инженеров, имеющих опыт в работе с данными технологиями.

Сайт представляет собой материалы информационной поддержки для будущих и состоявшихся специалистов, использующих в своей практике продукт CAE  Simulation Multiphysics. Описание приемов работы и последовательности ее выполнения выведены на уровень, позволяющий освоить приемы аналитических исследований самостоятельно.

Значительный ресурс Autodesk Simulation Workshop ориентирован на молодых специалистов и студентов технических ВУЗов. Первая страница сайта проводит краткий экскурс по шести разделам, определяющим как последовательность выполнения аналитических исследований, так и основные их разновидности. 

      Первый раздел раскрывает особенности работы, связанные с импортом геометрии детали или сборочной единицы. 

      Раздел включает в себя 8 модулей, охватывающих функции от импорта до уточнения связей на контактирующих поверхностях между деталями. Открывающееся окно раздела предоставляет доступ к видеоматериалам, которые можно рассматривать как уроки по данной теме. Освоение этих уроков позволит избежать ошибки при работе с информационной моделью. Она включает в себя как геометрию модели, связи между элементами модели, материалы элементов или деталей, так и характер поведения материалов под воздействием нагрузок или возмущений разного рода. 

Достоверность результатов, полученных в результате аналитических исследований информационной модели, во многом зависит от правильности выполнения этих первых этапов настройки системы. В тех соединениях, которые допускают взаимное смещение, необходимо будет вносить поправки на базе типов соединений, выполненных по умолчанию. Свойства материалов деталей, взятых из библиотеки, или импортированных из CAD системы, должны соответствовать характеру нагружения и  реакции выбранных материалов на возмущения.

Если мы предполагаем, что материалы, которые применены в модели, имеют явно выраженную область упругости, а напряжения, которые будут материалы испытывать, за область упругости не выходят, то форма конечных элементов и метод решения матрицы жесткости будет находиться в рамках, например, Elastic/Isotropic или Elastic/Orthotropic.

Если ожидаемые напряжения в материалах столь велики, что выходят в область пластичности материалов, то форма конечных элементов и метод решения матрицы жесткости будет находиться в рамках, например, Viscoelastic/ Viscoelastic Arruda-Boyce. Данная настройка предполагает использование биаппроксимированной ломанной деформационной диаграммы растяжения материалов построенной на трех данных - модуле упругости первого рода, пределе пропорциональности и модуле пластичности. Данные исследования напряженно-деформированного состояния модели предполагают относительно большие деформации конструкции.

Часто бывает так, что деформационные параметры материала не имеют явно выраженной области упругости и пластичности. В таком случае вводятся данные свойств материала в виде кривой с помощью таблицы параметров.

Ресурс Autodesk Simulation Workshop предполагает, что пользователь уже имеет навык в работе с CAD системой по созданию информационной модели.

 Второй раздел раскрывает особенности линейного анализа материалов. Он включает в себя решение задач аналитических исследований в области статики, частотного анализа, анализа запасов прочности, усталости и их модификаций. 

      Раздел включает в себя 9 модулей, охватывающих функции от построения расчетной схемы до анализа полученных результатов. Открывающееся окно раздела так же предоставляет доступ к материалам, которые можно использовать для изучения на конкретных примерах.

Интерес представляют текстовые материалы в формате pdf. Они содержат достаточно подробное описание последовательности выполняемых процедур при работе с Autodesk  Simulation. Предлагаются и презентационные материалы которые так же разделены по темам, удобно сгруппированы и понятны для освоения.

Следует уделить внимание инструментам приложения внешних воздействий на информационную модель, закрепления ее в пространстве и достижению равновесия. Система, состоящая из внешних воздействий, реакций модели на воздействия, должна быть абсолютно симметричной. 

     Третий раздел раскрывает особенности нелинейного анализа материалов.

      Причем нелинейность рассматривается как физическая, так и геометрическая. Раздел включает в себя 6 модулей, охватывающих особенности упругопластического и вязкоупругого поведения материала информационной модели. Открывающееся окно раздела так же предоставляет доступ к материалам, которые можно использовать для изучения на конкретных примерах.

Помимо нелинейного поведения материала под воздействием нагрузок, которое характеризуется переходом напряжений и деформаций за пределы пропорциональности, рассматриваются варианты статического и динамического нагружения.

Удобство пользования материалами ресурса Autodesk Simulation Workshop объясняется тем, что они сгруппированы по разделам и расположены в иерархической последовательности. Это облегчает задачу поиска нужных материалов и экономит Ваше время.

В последующем обзоре будет добавлен материал еще о трех разделах ресурса.

 

Умная машина.

Машины - автоматы, автоматические линии. Этот уровень технологий раскрывает простор для фантазий. Еще более захватывающая тема кроется под определением технологический интегратор. Такие машины составляют достойную конкуренцию техническим эмигрантам, которые по понятным причинам имеют весьма чувствительные ограничения к качеству сырья, с которым им приходится работать.

Дополняя алгоритм управления новыми возможностями самоконтроля можно получить почти думающую машину. Во всяком случае, так может показаться со стороны, когда наблюдаешь за ее работой.

Американское военное научно-техническое агентство (DARPA) объявило конкурс на создание человекоподобного робота. Будем догонять.

Эта машина выполняет работу за шесть человек и, как видим, не очень то утруждается. Каждый механизм вступает в работу в заданное время. Сенсорные датчики отслеживают положение каждого механизма и положение детали в каждой позиции.

Технологии информационного моделирования Inventor вместе со встроенными технологиями прямого редактирования позволяют вдохнуть жизнь в проект еще до его рождения. Знание основ материаловедения на уровне разработчика штампов здесь весьма к стати. И логика построения алгоритмов управления то же пригодится. 

Остановимся на конструкции устройства оправки. У него так же достаточно адаптивных возможностей, как и у некоторого множества пуансонов. Этот технологический блок подвергается постоянному силовому воздействию и является той конструктивной частью устройства, которая замыкает силовой пояс технологического воздействия. 

Модель устройства оправки содержит в себе свойства различных марок сталей, от конструкционных до инструментальных. Консольное крепление оправки, работающей как наковальня, обусловлено требованиями быстрой смены инструмента. Кроме того устройство содержит механизм сталкивания готовых деталей. Эти требования привели к тому конструктивному решению, которое здесь видно.

Расчетная модель устройства оправки включила в себя только те объекты, которые участвуют в замкнутом силовом поясе. Технологическое усилие воздействия на оправку известно. Свойства материалов заданы. Осуществляем экспорт модели из Inventor в Algor и строим сетку конечных элементов.

 Перед тем как приступить непосредственно к решению задачи прочности и деформации конструкции необходимо определиться с некоторыми деталями. Зададимся начальными условиями. Конструкция должна быть жесткой и работать в условиях упругих деформаций. Поэтому при настройке условий решения матрицы жесткости определим следующее:

- условие решения уравнений Лагранжа может быть не обновляемым;

- свойства материала являются изотропными;

- свойства материала относятся к категории физической линейности.

После проведения всех настроек проверяем систему на равновесие и запускаем расчет.

 Первый результат получен, он подтверждает правильность выбранных размеров устройства и материалов деталей. Результат можно посмотреть по разным критериям прочности. Критерий Мизеса применим для изотропных материалов, имеющих вязкий характер разрушения.

Нанесенные тензоры показывают численные значения напряжений в данных характерных точках. Эти же точки получат иные значения при использовании иного критерия прочности. Критерий Треска - критерий максимальных касательных напряжений.

 Материал, заложенный в конструкцию оправки, подходит по двум критериям. Величина деформации при воздействии пуансонов составляет сотые доли миллиметра. Хотя можно посмотреть как конструкция работает под нагрузкой.

Круг задач, который приходится решать в повседневной работе, стал отличаться разнообразием в последнее время. Тематика постепенно мигрирует в область интересов строительной отрасли. Им тоже нужны умные машины. Одна из задач была связана с технологией непрерывного производства трехслойных панелей. Варианты решения задачи построения архитектуры базовой машины не трудно найти в интернете.

Эта задача легко поддается информационному моделированию в среде Inventor. Немного терпения, немного упорства и наработанные навыки простых операций выдавливания, вращения и Булевых операций порождают замысловатые модели деталей, сборочных единиц. Если параллельно поиграть текстурами и светом, то работа становится менее утомительной и рождаются осмысленные формы будущей конструкции.

Элемент, который заслуживает внимания и проверки на прочность, представляет собой деталь гусеничного пресса, названная треком. При формировании панели на основе утепляющего слоя из пенополиуретана в зоне прессования возникает избыточное давление 2 bar. Эта нагрузка распределяется по контактным поверхностям треков верхнего и нижнего гусеничного транспортера и перенолится на рельсовые пути.

В построении расчетной модели всегда присутствует доля импровизации. Применяя правила переноса сил, замены сил на реакции и т. д. можно прийти к упрощенной расчетной модели, отбросив из расчета все второстепенное. Анализируя поведение твердого тела трека приводим расчетную нагрузку на прямолинейную поверхность и закрепляем рельсовый путь. Все остальное в контактах деталей сборки уточняем характером связей.

Если материалы каждой детали определены при построении моделей деталей сборки то следует использовать экспорт модели в среду Algor с сохранением этих данных. Используя меню "Надстройки" отправляем модель сборки в область аналитических исследований.

Деление на сетку конечных элементов требует наработанных навыков. Форма конечных элементов в Algor разная и применяется в зависимости от принципиальной формы самой детали. Обычно создание сетки не получается сразу. Algor указывает на зоны, которые не поддались делению. Нужно несколько раз уточнять форму конечных элементов. Когда результат получен остается ожидать как аналитический блок построит матрицу жесткости и решит ее используя все резервы вашего компа. 

Вот и результат. Теперь его нужно прочитать. Индикаторы или тензоры указывают количественное значение напряжений в выбранных точках. Эти значения не радуют. Но отрицательный результат  тоже результат. Рассчитать такую геометрию обычным путем на базе символьных выражений и численных значений рядовому инженеру конструктору не по силам. Algor приходит на помощь.

Управляя видимостью и прозрачностью моделей деталей сборки средствами Algor можно добраться до деталей, которые обычно не видны в конструкции. Но параметры их состояния под нагрузкой являются отправной точкой для уточнения материала или размера критичных сечений. 

Моделируя конструкции машин и механизмов можно параллельно продвигаться в информационном поле напряжений, мигрирую из Inventor в Algor и обратно. Это позволяет уверенно продвигаться вперед в конструировании не заботясь о уже созданных частях устройства.