Модуль UM Drilling и инженерное приложение UM Drillstring Analysis
Описание функционала и областей применения инструментов анализа бурильной колонны, реализованных в модуле UM Drilling и инженерном приложении UM Drillstring Analysis.
Презентация по новому полностью переработанному инструменту UM Loco/Rail Profile Wear Evolution предназначенному для прогнозирования износа профилей ж.-д. рельсов.
Инструмент UM Expert для КОМПАС-3D представляет собой
приложение, созданное для расширения стандартных возможностей САПР КОМПАС-3D
и работающее в его среде. КОМПАС-3D – это система трехмерного проектирования,
позволяющая выполнить полный цикл подготовки конструкторской документации.
Модель изделия, созданная в КОМПАС-3D, представляет собой набор геометрических
объектов, описание которых включает инерционные параметры – массу, моменты
инерции, положение центра масс. Инструмент UM Expert позволяет сделать следующий
шаг – исследовать кинематику и динамику движения изделия, если оно является
механизмом.
В результате моделирования динамики системы пользователь получает
возможность исследовать анимацию процесса, траектории точек, вектора
кинематических (скорости, ускорения точек, угловые скорости и ускорения
тел…) и силовых (силы и их составляющие) величин, строить графики их
зависимости от времени и между собой.
Статистика
Далее с помощью инструмента «Статистика» пользователь может
исследовать графики выходных величин в частотной области, определить
основные частоты в механической системе. Пример использования
инструмента «Статистика» – модель одноцилиндрового двигателя (видео 4).
Контактное взаимодействие
Контактное взаимодействие в UM Expert реализуется в виде модели
податливого контакта, при котором допускается внедрение контактирующих
элементов одного тела в поверхность, связанной с другим телом. При
возникновении внедрения считается, что произошёл факт контакта. В этом
случае между телами появляются контактные силы: нормальная реакция –
упругодиссипативно зависящая от глубины и скорости внедрения, и сила
трения, лежащая в касательной плоскости контакта. Пример моделирования
контактного взаимодействия – модель маятника (видео 2).
Упругие тела, раскраска
UM Expert позволяет включать в состав модели механической системы
упругие тела, совершающие произвольные пространственные перемещения.
Конечноэлементная модель упругого тела строится с использованием внешних
программ МКЭ (FIDESYS, ANSYS, NASTRAN, ABAQUS). После создания
конечно-элементной модели и выполнения необходимых расчетов, данные
импортируются вдинамическую модель. UM Expert позволяет исследовать
напряжённо-деформированное состояние (НДС) элементов и узлов упругого
тела. Для исследования НДС есть возможность построения графиков
напряжений и деформаций от времени, а также отображение упругого тела с
раскраской, соответствующей тому или иному параметру НДС. Примеры
моделирования динамики с учётом упругости отдельных тел –
одноцилиндрового двигателя (видео 4), модель четырёхцилиндрового
двигателя (видео 5).
Зубчатые передачи
Зубчатое зацепление реализовано в UM Expert в виде упрощенной
модели контактного взаимодействия шестеренок в зацеплении. С помощью
силового элемента данного типа можно моделировать цилиндрические
передачи (как внешнего, так и внутреннего зацепления), конические
передачи, реечные передачи. Все передачи моделируются с учетом
возможного люфта, зазора между зубьями и податливости самой передачи,
приведенной к контактной точке. Пример моделирования зубчатых передач –
модель редуктора (видео 1).
Линейный анализ
Помимо моделирования динамики системы во временной области UM
Expert позволяет исследовать поведение объекта в частотной области. Для
этого предназначен инструмент «Линейный анализ». В инструменте
реализованы алгоритмы поиска собственных частот и форм колебаний модели,
поиск положения равновесия, построения амплитудно-частотных
характеристик и корневых годографов и т.д. Пример использования
иструмента «Линейный анализ» – модель одноцилиндрового двигателя (видео
3).
Примеры
Редуктор Объект расчёта: тестовый
пример – двухступенчатый цилиндрический редуктор. Цель
расчёта: демонстрация моделирования динамики зубчатого зацепления.
Режим старта двигателя. Исследуемые величины: угловые скорости
входного, промежуточного и выходного валов редутора.
Маятник Объект расчёта: тестовый пример
– маятник с двумя сателлитами. Цель расчёта: демонстрация моделирования контактного
взаимодействия. Исследуемые величины: векторы контактных сил, вектор
минимального расстояния между сателлитом и основанием, график факта контакта
сателлитов с основанием.
Одноцилиндровый двигатель – линейный анализ Объект расчёта:
тестовый пример – одноцилиндровый двухтактный двигатель
внутреннего сгорания. Цель расчёта: демонстрация моделирования в частотной области. Исследуемые величины: частоты и формы двигателя.
Одноцилиндровый двигатель – моделирование динамики. Объект расчёта: тестовый пример – одноцилиндровый
двигатель.
Цель расчёта: демонстрация моделирования динамики
двигателя с учётом упругости шатуна. Режим старта двигателя. Исследуемые величины: угловая скорость коленчатого вала, линейная
скорость поршня, напряжённо-деформированное состояние шатуна,
эквивалентные напряжения по критерию Мизеса в контрольных точках
шатуна.
Четырёхцилиндровый двигатель Объект расчёта:
тестовый пример – четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.
Цель расчёта: демонстрация моделирования динамики
двигателя с учётом упругости коленчатого вала. Демонстрация работы
пружин клапанов.
Исследуемые величины: угловые скорости валов, линейные
скорости поршней и клапанов, напряжённо-деформированное состояние
коленчатого вала.
Захватное устройство Объект расчёта:
тестовый пример – захватное устройство. Цель расчёта:
демонстрация моделирования динамики захватного устройства. Исследуемые величины: перемещение толкателя, угол поворота вала
двигателя.
Модель тележки грузового железнодорожного вагона В моделе реализована система клинового гашения вертикальных
колебаний. Надрессорная балка тележки нагружается периодической
вертикальной силой. На графике отображается зависимость силы в
контакте клина и рамы тележки от вертикального перемещения
надрессороной балки. Хорошо виден гистерезис, возникающий при таком
нагружении. Площадь фигуры на графике равна рассеянной энергии в
клиновой системе за один цикл нагружения. Объект расчёта:
тестовый пример - тележка грузового железнодорожного вагона. Цель расчёта: демонстрация работы системы клинового гашения
вертикальных колебаний. Надрессорная балка тележки нагружается
периодической вертикальной силой. Исследуемые величины:
зависимость силы в контакте клина и рамы тележки от вертикального
перемещения надрессороной балки.
Хорошо виден гистерезис, возникающий при таком нагружении.
Площадь фигуры на графике равна рассеянной энергии в клиновой
системе за один цикл нагружения.
Модель кулачкового механизма Модель
предназначена для демонстрации работы кулачкового механизма. Ручка
механизма вращается с постоянной заданной угловой скоростью. Контакт
кулачка и толкателя в модели выполнены двумя различными способами:
1) с помощью контакта по графическому образу (силовой элемент
"Кулачок ГО") и 2) с помощью специальной силы типа "Кулачок"
(одноимённый силовой элемент). На графике предсталена контактная
сила в зависимости от времени. Первая половина моделирования
(примерно до 9 с) проводится с включённой силой "Кулачок" (синий
график и вектор силы). Затем сила "Кулачок" отключается и включается
"Кулачок ГО" (красный график и вектор силы). Как видно из графика,
результат моделиорования практически не зависит от выбора модели
контактной силы. Использование силового контактного элемента по
графическому образу приводит к появлению "мелкой пилы" на графике
силы и уменьшению скорости расчёта. Объект расчёта:
тестовый пример - кулачковый механизм. Цель расчёта:
демонстрация работы кулачкового механизма. Ручка механизма
вращается с постоянной заданной угловой скоростью. Контакт кулачка и
толкателя в модели выполнены двумя различными способами: 1) с
помощью контакта по графическому образу (силовой элемент "Кулачок
ГО"). 2) с помощью специальной силы типа "Кулачок"
(одноимённый силовой элемент). Исследуемые величины:
контактная сила в зависимости от времени. Первая половина
моделирования (примерно до 9 с) проводится с включённой силой
"Кулачок" (синий график и вектор силы). Затем сила "Кулачок"
отключается и включается "Кулачок ГО" (красный график и вектор
силы). Как видно из графика, результат моделиорования практически не
зависит от выбора модели контактной силы. Использование силового
контактного элемента по графическому образу приводит к появлению
"мелкой пилы" на графике силы и уменьшению скорости расчёта.
Клапан и распределительный вал Модель
демонстритует работу клапана двигателя внутреннего сгорания под
действием вращения распределительного вала. Вал вращается с заданной
постоянной угловой скоростью, заданной параметром omega. Клапан
движется поступательно вдоль своей оси. Клапан предварительно поджат
пружиной. В данно модели пружина моделируется двумя альтернативными
силовыми элементами: биполярным (bFrc Пружина) и специальным типа
"Пружина" (Пружина). Между клапаном и распределительным валом есть
кулачковое контактное взаимодействие. Оно моделируется двумя
альтернативными силовыми элементами: специальной силой типа
"Кулачок" (Кулачок) и контактной силой по графическому образу (CFrc
Поршень_Распредвал). На графиках представлены зависимости силы
прижатия пружины (Н) и контактной силы (Н) от времени моделирования
(с). В первой части моделиорования пружину моделирует биполярная
сила (bFrc Пружина), а контакт специальная сила (Кулачок). Далее эти
силы выключаются и включаются: специальная сила (Пружина) и
контактная сила по графическому образу (CFrc Поршень_Распредвал). Из
графиков видно, что при замене сил на альтернативные, моделирование
не изменяется ни качественно ни количественно, за исключением
появление высокочастотных составляющих в контактной силе по
графическому образу. Стоит отметить, что сила по графическому образу
в большинстве задач может применяться исключительно для анализа
движения в целом, и не для исследования величин контактных сил. Объект расчёта: тестовый пример - клапан и
распределительный вал. Цель расчёта: демонстрация
работы клапана двигателя внутреннего сгорания под действием вращения
распределительного вала. Вал вращается с заданной постоянной угловой
скоростью, заданной параметром omega. Клапан движется поступательно
вдоль своей оси. Клапан предварительно поджат пружиной. В данно
модели пружина моделируется двумя альтернативными силовыми
элементами: биполярным (bFrc Пружина) и специальным типа "Пружина"
(Пружина). Между клапаном и распределительным валом есть кулачковое
контактное взаимодействие. Оно моделируется двумя альтернативными
силовыми элементами: специальной силой типа "Кулачок" (Кулачок) и
контактной силой по графическому образу (CFrc Поршень_Распредвал). Исследуемые величины: зависимости силы прижатия пружины (Н) и
контактной силы (Н) от времени моделирования (с). В первой части
моделиорования пружину моделирует биполярная сила (bFrc Пружина), а
контакт специальная сила (Кулачок). Далее эти силы выключаются и
включаются: специальная сила (Пружина) и контактная сила по
графическому образу (CFrc Поршень_Распредвал). Из графиков видно,
что при замене сил на альтернативные, моделирование не изменяется ни
качественно ни количественно, за исключением появление
высокочастотных составляющих в контактной силе по графическому
образу. Стоит отметить, что сила по графическому образу в
большинстве задач может применяться исключительно для анализа
движения в целом, и не для исследования величин контактных сил.
Модель карданного вала Модель презназначена
для демонстрации передачи вращения с входного вала на выходной через
карданный. Входному валу задана начальная скорость 10 рад/с. На
графике виды зависимости угловых скоростей входного (пурпурный
цвет), карданного (синий цвет) и выходного (красный) валов. Угловые
скорости входного и выходного валов накладываются друг на друга. Из
графика также видно, что угловая скорость карданного вала изменяется
более неравномерно во времени, чем у входного и выходного валов. Это
происходит из-за геометрических особенностей карданной передачи. Объект расчёта: тестовый пример - система валов с карданным
валом. Цель расчёта: демонстрация передачи вращения с
входного вала на выходной через карданный. Входному валу задана
начальная скорость 10 рад/с. Исследуемые величины: зависимости
угловых скоростей входного (пурпурный цвет), карданного (синий цвет)
и выходного (красный) валов от времени. Угловые скорости входного и
выходного валов накладываются друг на друга. Из графика также видно,
что угловая скорость карданного вала изменяется более неравномерно
во времени, чем у входного и выходного валов. Это происходит из-за
геометрических особенностей карданной передачи.
Захват робота манипулятора Модель создана как
пример использования полигональных контактных силовых элементов.
Модель состоит из 5 деталей: приводного вала, двух шестерёнок и двух
пальцев. Ведущий вал совершает гармонические вращательные колебания
с заданными параметрами. Вращательное движение приводного вала
передаётся на шестерёнки с помощью червяных передач. Далее
вращательное движение шестерёнок передаётся на пальцы через
соответствующие реечные передачи. Все передачи моделируются с
помощью полигональных контактных силовых элементов. Объект расчёта:
тестовый пример - захват робота манипулятора. Цель расчёта:
демонстрация использования полигональных контактных силовых
элементов. Модель состоит из 5 деталей: приводного вала, двух
шестерёнок и двух пальцев. Ведущий вал совершает гармонические
вращательные колебания с заданными параметрами. Вращательное
движение приводного вала передаётся на шестерёнки с помощью червяных
передач. Далее вращательное движение шестерёнок передаётся на пальцы
через соответствующие реечные передачи. Все передачи моделируются с
помощью полигональных контактных силовых элементов.
Реечная прередача Модель состоит из одной
зубчатой пары. Вращательное движение шестерёнки задано гармонической
функцией времени. На графике представлены: угловая скорость шестерни
(рад/с) и линейная скорость рейки (м/с). Цвет графика совпадает с
цветом соответствующей детали. Объект расчёта: тестовый
пример - реечная прередача. Цель расчёта: демонстрация
работы зубчатой передачи. Модель состоит из одной зубчатой пары.
Вращательное движение шестерёнки задано гармонической функцией
времени. Исследуемые величины: угловая скорость шестерни
(рад/с) и линейная скорость рейки (м/с). Цвет графика совпадает с
цветом соответствующей детали.
Коническая прямозубая зубчатая передача Модель
состоит из одной зубчатой пары. На шестерню действует постоянный
момент сил, заданный параметром torque = 1 Н*м. На колесо действует
момент сил вязкого трения с заданным коеффициентом d_resistance =
0,5 Н*м*с/рад. На графике представлены зависимости угловых скоростей
шестерни и колеса в рад/с от времени моделирования, с. Цвет каждого
графика соответствует цвету зубчатого колеса. Отрицательная угловая
скорость соответствует вращению шестерёнки по часовой стрелке
относительно её оси. Объект расчёта: тестовый пример -
коническая прямозубая зубчатая передача. Цель расчёта:
демонстрация работы зубчатой передачи. Модель состоит из одной
зубчатой пары. На шестерню действует постоянный момент сил, заданный
параметром torque = 1 Н*м. На колесо действует момент сил вязкого
трения с заданным коеффициентом d_resistance = 0,5 Н*м*с/рад. Исследуемые величины: зависимости угловых скоростей шестерни и
колеса в рад/с от времени моделирования, с. Цвет каждого графика
соответствует цвету зубчатого колеса. Отрицательная угловая скорость
соответствует вращению шестерёнки по часовой стрелке относительно её
оси.