Разработка руководства по эксплуатации и ремонту компонентов визира оптического устройства

дипломная работа

4.3 Расчет напряженно - деформированного состояния детали в среде SolidWorks Simulation

Прежде всего, необходимо создать твердотельную модель детали в среде SolidWorks.

Проводим исследование напряженно-деформированного состояния, имитируя работу червячного вала под действием сил, действующихсо стороны зубчатого колеса и червячного сектора.

Расчет детали «червяк» производится с использованием модуляSimulation.Модуль предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния стержневых, пластинчатых, оболочечных и твердотельных конструкций, а также их произвольных комбинаций. Модуль Simulation организован таким образом, что в его рамках можно рассчитать все многообразие существующих конструкций, собирая их из вышеперечисленных макроэлементов. Внешняя нагрузка, так же как и условия закрепления конструкции, могут быть произвольными как по характеру, так и по местоположению.

Данный модуль позволяет решать следующие задачи:

- Тип анализа и их особенности;

- Линейный динамический: модальный; случайные колебания; гармонический;

- Нелинейный динамический;

- Нелинейный с учетом физической и геометрической нелинейности.

Свойства материалов:

- В нелинейном динамическом анализе для тел и оболочек: пластические по Мизесу, гиперупругие по Муни-Ривлину и Огдену, вязкоупругие, с эффектом памяти формы;

- В статическом нелинейном анализе - те же, плюс материалы с ползучестью. Поддерживается модель больших перемещений и больших пластических деформаций;

- В линейных динамических моделях можно определить коэффициенты демпфирования материалов.

Граничные и начальные условия, параметры настройки:

- Для статического нелинейного анализа - история нагружения;

- Для динамической модели в дополнение к статической и в зависимости от типа динамического анализа - перемещения, скорости, ускорения, спектр возбуждения, параметры гармонических нагрузок;

В зависимости от типа анализа тип и параметр модели демпфирования: модальное и Рэлеевское.

Виртуальные соединители:

- Болты с предварительным натягом, соединяющие как тела, оболочки;

- Штифты с конечной бесконечной жесткостью;

- Пружины, "сосредоточенные" и "распределенные", в том числе и с предварительным натягом. Пружины, соединяющие концентрические грани с радиальной и тангенциальной жесткостью;

- Шариковые и роликовые подшипники;

- Точки контактной сварки;

- Жесткая связь граней;

- Жесткий стержень

Сетки:

- Многослойные анизотропные плоские и криволинейные оболочки с назначенным углом армирования для каждого слоя;

- Трехслойные сэндвич-панели.

Результаты:

- Доступны параметры, присущие динамическим эффектам: скорости, ускорения, спектральные характеристики;

- Абсолютное большинство результатов доступно в зависимости от времени;

- Для большинства всех типов можно получить кривые отклика;

- Анимация динамических эффектов.

Вал с подшипниками и колесом изображен на рисунке 34.

Червячный вал

Выбирая тип расчетной опоры, необходимо учитывать, что деформативные перемещения валов - малы, и если конструкция действительной опоры допускает хотя бы небольшой поворот или перемещение, то этого достаточно чтобы считать ее шарнирной или подвижной.

Вал можно рассматривать как балку с шарнирно - подвижными опорами или с одной шарнирно - подвижной и одной шарнирно - неподвижной опорами.

В данном механизме червяк опирается на шариковые радиальные однорядные подшипники 1000093 ГОСТ 8338-75, поэтому в расчетной схеме вала эти подшипники заменим на шарнирно - подвижные опоры.

Подшипники, воспринимающие только радиальные нагрузки, изображаются в виде шарнирно - подвижных опор.

Ниже на рисунке 35 изображена схема нагружения вала.

Кинематическая схема червяка

Передача вращательного движения осуществляется от электродвигателя ДПМ - 20 -Н1 - 08Т ОСТ 160.515.022 - 76 через шестерню прямозубой цилиндрической передачи. Так как передача прямозубая, то осевой силы Faв зацеплении не будет.

Технические характеристики электродвигателя:

1. Номинальный вращающий момент: T = 1,96 (мНм);

2. Частота вращения вала: n = 4500 (об/мин.);

3. Мощность: P = 0,92 (Вт).

Движение в червячных передачах осуществляется по принципу винтовой пары или по принципу наклонной плоскости.

Определим вращающие моменты, передаваемые:

1) Цилиндрическим колесом:

2) Червяком:

Вычислим частоту вращения n2:

где Uц. п.- передаточное число цилиндрической передачи.

Тогда частота вращения n2определится:

Определим мощность P2червяка:

где зц. п. - КПД цилиндрической передачи.

Теперь найдем значение T2:

Силы в червячном зацеплении:

Силу взаимодействия червяка и колеса - Fn принимают сосредоточенной и приложенной в полюсе зацепления по нормали к рабочей поверхности витка. Ее задают тремя взаимно перпендикулярными составляющими: Ft,Fa, Fr.

На рисунке 36 показаны силы, действующие в зацеплении червячного вала с колесом.

Сечение червяка в осевой плоскости

1) В цилиндрической передаче:

Окружная сила:

Радиальная сила:

2) В червячной передаче:

Осевая сила:

Окружная сила:

Радиальная сила (раздвигает червяк и колесо):

Вычислим значение нормальной силы Fn:

В месте контакта червяка и колеса возникает изгибающий момент Mот действия осевой силы Fa.

Приступая к расчету, предварительно намечаем опасные сечения вала, которые подлежат расчету. При этом учитывается характер эпюр изгибающих и крутящих моментов, структурная форма вала и места концентрации напряжений.

Теперь проведем расчет и анализ напряженно - деформированного состояния вала в программной среде SolidWorksSimulation. На рисунке 37 показана трехмерная модель рассматриваемого вала.

Трехмерная модель червячного вала

На витках червяка создадим небольшие вырезы (площадки) - концентраторы напряжений, чтобы приложить давление, создаваемое нормальной силой Fn.

Нормальную силу Fnраспределим между тремя соседними витками червяка таким образом, что 50% этой силы будет приходиться на средний, а на

два крайних соседних витка - по 25%.

Шариковые радиальные подшипники при расчете заменим жесткой заделкой. На рисунке 38 изображены силы, действующие на вал.

Вал с приложенными нагрузками и закреплением

Для расчета вала создаем сетку конечных элементов (рисунок 39).

Сетка конечных элементов

На рисунке 40 показано распределение нормальных усилий и диаграмма напряжений.

Вал и эпюра нормальных напряжений.

Определим давления, приложенные к виткам:

где S - площадь вырезов на витках.

P1 = 0,1741 (Н/мм2);

P2 = 0,145 (Н/мм2);

P3 = 0,166 (Н/мм2).

На рисунке 41 приведено изображение эпюры перемещений.

Рисунок 41 - Вал и эпюра перемещений.

По цветной легенде, находящейся около рисунка, можно определить максимальные значения того или иного параметра и сделать следующие выводы о прочностных характеристиках детали.

По диаграмме нормальных напряжений видно, что напряжения в полюсе зацепления вала с червяком не значительны. А по диаграмме перемещенийясно, что перемещения витков очень малы.

В ходе расчетов, проведенных методом имитационного моделирования, были получены аппроксимированные результаты: наибольшие значения статического напряжения и деформационного растяжения, определенных разработчиком как допустимые при указанных нагрузках, деталь имеет необходимый запас прочности, требуемый для безопасного использования изделия в целом.

Делись добром ;)