KACALAK Wojciech 1 RYPINA Łukasz 2 BAŁASZ Błażej 3 KRÓLIKOWSKI Tomasz 4

Transkrypt

1 KACALAK Wojciech 1 RYPINA Łukasz 2 BAŁASZ Błażej 3 KRÓLIKOWSKI Tomasz 4 Metoda postępowania w procesie projektowania i optymalizacji cech konstrukcyjnych ze względu na ich sztywność i minimalizację masy ramy naczepy niskopodwoziowej WPROWADZENIE Rozwój narzędzi do wspomagania projektowania wywiera na inżynierach coraz większą presję z wielu stron. Dotrzymywanie terminów, obniżanie kosztów, sprostanie wymaganiom klientów, wymuszają efektywne projektowanie, które należy rozumieć jako planowanie ( burza mózgów ) sztucznych układów, czyli systemów materialnych w zakresie techniki [1,10]. Powyższe stwierdzenia można śmiało przypisać do definicji optymalizacji. Tak więc droga od pomysłu projektu wykonania musi być najkrótsza i efektywna czyli optymalna. Zaproponowana przez autorów metoda postępowania pokazuje jak wielki ładunek pracy twórczej oraz umiejętności posługiwania się narzędziami do wspomagania projektowania spoczywa na dzisiejszych konstruktorach/technologach. Należy jednak podkreślić, że sama umiejętność posługiwania się narzędziami do wspomagania projektowania nie wystarczy, aby być dobrym konstruktorem/technologiem. W opracowaniu, cząstkowo przedstawiono obszary wiedzy tj. metaloznawstwo, wytrzymałość materiału, podstawy konstrukcji maszyn itp., które powinny być znane dla wszystkich inżynierów [11, 12]. 1. OKREŚLENIE CELU PROJEKTOWANIA Ważnym etapem w procesie projektowania jest sformułowanie zadania konstrukcyjnego, które należy rozwiązać. Błędny dobór problemów jest częstą przyczyną niewłaściwych poszukiwań rozwiązań. Chcąc prawidłowo określić cel etapu projektowania, należy: Określić istotę potrzeby, która ma zostać zaspokojona przez projektowany obiekt, czyli określenie celu projektowania, Uogólnić, ale i uściślić potrzeby, Poszerzyć pole poszukiwań rozwiązań, Eliminować ograniczenia i wymagania pozornie dobre, Przekształcić problem do takiej postaci, przy której można oczekiwać rozwiązań lepiej zaspokajających potrzebę, Przekształcić problem do takiej postaci, w której jest łatwiej rozwiązalny, [1] Zastosowanie narzędzi do wspomagania projektowania CAD/CAE, przy prawidłowym określeniu celu projektowania skonkretyzują problem, dzięki czemu w myśl zasady twórczego rozwiązywania zadań, która mówi że ilość możliwych rozwiązań rośnie razem z ogólnym postawieniem zadania projektowego a maleje ze wzrostem liczby zakazów i ograniczeń, będzie spełniona. [4] W niniejszej pracy autorzy określili cel projektowania w następujący sposób: projekt ramy naczepy niskopodwoziowej z uwzględnieniem optymalizacji cech konstrukcyjnych ze względu na jej sztywność i minimalizację masy. 1 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, wojciech.kacalak@tu.koszalin.pl 2 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, lukasz.rypina@tu.koszalin.pl 3 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, blazej.balasz@tu.koszalin.pl 4 Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska, tomasz.krolikowski@tu.koszalin.pl 2035

2 2. OKREŚLENIE WYMAGAŃ PROJEKTOWYCH ORAZ DOBÓR NARZĘDZI PROJEKTOWANIA Określenie wymagań stawianych przez konstruktorów, inżynierów a przede wszystkim samych klientów jest ważnym etapem w procesie projektowania. Przyjęty przez autorów podział nie jest ani rozdzielny, ani kompletny, lecz jest na pewno pomocny do zestawienia listy stawianych wymagań dla konstrukcji. Lista wymagań przedstawia się w sposób następujący: Wymagania funkcjonalne i niezawodnościowe; Wymagania ekologiczne; Wymagania technologiczne i ekonomiczne; Wymagania wynikające z ważności modelu matematycznego. W pracy autorzy główną uwagę skupili na wymaganiach funkcjonalnych i niezawodnościowych oraz wymaganiach wynikających z ważności modelu matematycznego. 3. WYMAGANIA FUNKCJONALNE I NIEZAWODNOŚCIOWE Projektowany obiekt nazywany naczepą niskopodwoziową, ma za zadanie przewozić ładunki tj. maszyny budowlane, ciągniki rolnicze itp. Wymaga się od konstruktorów, aby konstrukcja ramy naczepy była sztywna i lekka. Istnieje więc potrzeba doboru odpowiednich metod optymalizacji i doboru węzłów konstrukcyjnych. Najistotniejszym elementem funkcjonowania i niezawodności obiektu jest dobór odpowiedniego materiału, z którego będzie wykonana rama naczepy, zapewniającego wysoką wytrzymałość [1]. W celu zapewnienia tych wymagań, należy dobrać odpowiednie narzędzia do wspomagania projektowania CAD/CAE, które przyśpiesza pracę nad znalezieniem optymalnego rozwiązania. Narzędzia do wspomagania projektowania: Program Autodek Inventor umożliwi przygotowanie projektu ramy niskopodwoziowej naczepy (Rys. 1.). Baza materiałów opracowana przez Autodesk umożliwia dobór materiału z jakiego będzie wykonana konstrukcja. Rys. 1. Środowisko Autodesk Inventor - projekt ramy naczepy niskopodwoziowej Program Ansys umożliwi znalezienie optymalnego rozwiązania konstrukcji ramy naczepy niskopodwoziowej z uwzględnieniem dużej sztywności i małej masy (rys. 2). 2036

3 Rys. 2. Środowisko Ansys - model ramy naczepy niskopodwoziowej 4. WYMAGANIA WYNIKAJĄCE Z ZAKRESU WAŻNOŚCI MODELU MATEMATYCZNEGO Ilość dostępnych systemów obliczeniowych na rynku skłania inżynierów do poświęcenia szczególnej uwagi na wymagania wynikające z możliwości systemu obliczeniowego i zakresu ważności modeli matematycznych w nich zaimplementowanych. Tak więc modelując obciążenia jakie działają na ramę naczepy, należy bardzo dokładnie określić cel symulacji, warunki brzegowe obiektu badań oraz model materiałowy, które zostały przedstawione w dalszej części opracowania. 5. PROCES PROJEKTOWANIA OBIEKTU W tej części pracy opisane zostaną poszczególne czynności wykonywane w programach do wspomagania projektowania. Zaproponowane zostanie rozwiązanie konstrukcyjne pozwalające zachować dużą sztywność ramy pojazdu przy jednoczesnym zmniejszeniu masy. W celu weryfikacji poprawności nowego rozwiązania konstrukcyjnego autorzy porównali wyniki badań symulacyjnych z wynikami badań ramy naczepy niskopodwoziowej dostępnej na europejskim rynku. 6. ZASADY PROJEKTOWANIA RAMY NACZEPY NISKOPODWOZIOWEJ Przy projektowaniu ramy naczepy niskopodwoziowej należy ustalić jej wymiary gabarytowe oraz masę własną, w taki sposób, aby były zgodne z Kodeksem Drogowym. W skład ramy naczepy niskopodwoziowej wchodzą (rys. 3): 1) podłużnice, 2) poprzeczki, 3) obrzeże, 4) czop królewski, 5) mocowanie zawieszenia. 2037

4 Rys. 3. Rama naczepy niskopodwoziowej Rama naczepy niskopodwoziowej składa się z dwóch podłużnic połączonych ze sobą poprzeczkami o kształcie ceowym. Całość konstrukcji nośnej zamyka obrzeże w postaci ramownicy. Sworzeń królewski zamocowany jest w przedniej części ramy naczepy i służy do połączenia pojazdu z ciągnikiem siodłowym. Sworzeń jest elementem znormalizowanym i musi posiadać odpowiednie certyfikaty bezpieczeństwa. Elementy mocowania zawieszenia spawane są do konstrukcji w ostatnim etapie montażu ramy. W skład tych elementów wchodzą miechy, poprzeczki łączące miechy oraz podstawki pod poduszki zawieszenia [9]. 7. WYBÓR MATERIAŁU STOSOWANEGO DO PRODUKCJI RAMY Materiałem wybranym do produkcji ramy naczepy jest stal Domex 700 MC, o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych. Stal ta zaliczana jest do grupy extra wysokowytrzymałych stali do kształtowania na zimno. Materiał ten znalazł zastosowanie w konstrukcjach podwozi naczep i przyczep. Dzięki wysokiej wytrzymałości, Domex wykorzystywany jest w celu zmniejszenia masy pojazdu przy jednoczesnym zwiększeniu nośności pojazdu. Domex 700 MC jest to stal walcowana na gorąco jej skład chemiczny zawiera niski poziom węgla (C-0,12%) i manganu (Mn-2,1%), jest precyzyjnie uzupełniany składnikami uszlachetniającymi takim jak niob (Nb-0,09%), tytan (Ti-0,15%) oraz wanad (V-0,2%). Stal ta jest najlepszą alternatywą do produkcji produktów kształtowanych na zimno. Jej własności mechaniczne to: granica plastyczności minimalna Re 700 MPa, wytrzymałość na rozciąganie minimalna MPa, Faktyczna wytrzymałość stali Domex 700 MC, przedstawiona na rysunku 3, została sprawdzona na maszynie wytrzymałościowej, na której zostały zmierzone wartości naprężeń i odkształceń. Rys. 4. Wykres rozciągania stali Domex 700 MC 2038

5 8. OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE RAMY NACZEPY - OPIS BADANEGO OBIEKTU Obiektem badań jest rama naczepy niskopodwoziowej do przewozu np. ciężkiego sprzętu budowlanego. Rama obciążona jest siłami pochodzącymi od przewożonego ładunku. Poniżej przedstawiono III warianty obliczeń przy takim samym obciążeniu trzech różnych konstrukcji. Wariant I jest wariantem wzorcowym, który przedstawia rozwiązanie konstrukcyjne jednego z największych w Europie producentów. Wariant II i III przedstawia zaproponowane przez autorów nowe rozwiązanie konstrukcyjne ramy naczepy niskopodwoziowej. Różnica między wariantem I a II i III polega na zmianie rozwiązania konstrukcyjnego węzłów A i B pokazanych na rys. 1, 2 i 3. Zaproponowane przez autorów rozwiązanie ma dużą zaletę technologiczną. Nowe rozwiązanie umożliwia podział konstrukcji na 3 sekcje (balkon, środek, tylna część), które mogą być wykonywane przez 3 osobne brygady spawalnicze. W znacznym stopniu skróci to czas produkcji oraz zmniejszy koszty oprzyrządowania spawalniczego. Pomiędzy wariantem II i III istnieje niewielka różnica w węźle B (rys. 2 i 3). Różnica ta jest efektem poszukiwań optymalnego rozwiązania konstrukcyjnego węzła B, który zapewni dużą sztywność przy jednoczesnej minimalizacji masy. Wariant I. Przedstawia rozwiązanie konstrukcyjne jednego z liderów produkujących naczepy na europejskim rynku. Masa ramy 4201 kg. Zamodelowano obciążenie 12 t, który odzwierciedla przewożenie ładunku pojazdu typu koparko-ładowarka. Rys. 5. Wariant 1 Wariant II. Przedstawia rozwiązanie konstrukcyjne zaproponowane przez autorów opracowania. Masa ramy 2643 kg. Zamodelowano obciążenie 12 t, który odzwierciedla przewożenie ładunku pojazdu typu koparko-ładowarka. 2039

6 Rys. 6. Wariant 2 Wariant III. Przedstawia rozwiązanie konstrukcyjne zaproponowane przez autorów opracowania. Masa ramy 2637 kg. Zamodelowano obciążenie 12 t, który odzwierciedla przewożenie ładunku pojazdu typu koparko-ładowarka. Rys. 7. Wariant 3 9. CEL SYMULACJI Symulacja obciążenia konstrukcji nośnej pojazdu pozwoli przeanalizować 3 warianty rozwiązań konstrukcyjnych, w tym jeden wzorcowy. Analiza da odpowiedź, które cechy konstrukcyjne mają wpływ na sztywność i masę konstrukcji naczepy niskopodwoziowej. Uzyskane wyniki naprężeń oraz odkształceń będą wykorzystane przez konstruktora do oceny optymalnego doboru węzłów, przy zachowaniu właściwej sztywności i minimalnej masie konstrukcji. Wielkościami wejściowymi są: Siły działające od przewożonych ładunków F [N]. Stałe materiałowe. Wielkości wyjściowe: Przemieszczenia węzłów w ramie. Odkształcenia sprężyste materiału. Naprężenia zastępcze Hubera-Misesa. 2040

7 Zmienne niezależne: Wymiary geometryczne obiektu (x, y, z). Czas (t). 10. MODEL FIZYCZNY Rysunek 8 przedstawia rozkład sił działających na ramę pojazdu od przewożonego ładunku, obciążeń własnych oraz sił bezwładności. Obciążenie zostało zamodelowane poprzez przyłożenie sił w miejscach, w których umieszczany będzie ładunek [5]. F z = m z ( Q c -Q nr ) (1) gdzie: m z - bezwymiarowy współczynnik wzdłużnych sił masowych, Q c - ciężar całkowity nadwozia, Q nr - ciężar mas nieresorowanych, Siły te powodują powstawanie momentu M y moment zginania. Rys. 8. Rozkład sił działających na ramę Lista zjawisk: Powstawanie odkształceń sprężystych w materiale na skutek przyłożonych sił. Lista założeń: Model materiałowy jest jednorodny w całej swej objętości. Przy założonym obciążeniu nie została uwzględniona sztywność ładunku co niewątpliwie ma wpływ na wyniki obliczeń konstrukcji ramy. Pominięcie sztywności oznacza analizowanie gorszych warunków od rzeczywistych. Przyjęto, że w przypadku przyczep oddziaływanie dynamiczne siły jest 1,5 razy większe od obciążeń statycznych w związku z tym otrzymane wyniki zostaną pomnożone przez współczynnik k D =1.5. Otrzymany iloczyn zostanie porównywany z wartościami dopuszczalnych naprężeń. Naprężenia wynikające dla trzech pozostałych przypadków obciążenia ze względu na statyczny ich charakter nie były mnożone przez współczynnik dynamicznego działania siły. Lista uproszczeń: Model nie uwzględnia sztywności zawieszenia. 11. MODEL KOMPUTEROWY Model numeryczny zbudowano z użyciem aplikacji Ansys Workbench. Do budowy modelu wykonano następujące kroki: a) utworzono model geometryczny ramy przyczepy niskopodwoziowej, b) określono metody obliczeń oraz skalę dyskretyzacji, c) zdefiniowano materiały użyte w symulacji, modele wytrzymałościowe, 2041

8 d) dobrano rodzaj kontaktu w połączeniach śrubowych oraz spawanych, e) zdefiniowano parametry warunków brzegowych. Model geometryczny ramy naczepy niskopodwoziowej został przygotowany w środowisku Inventor Professional. Rys. 9. Model dyskretny naczepy niskopodwoziowej Symulację przeprowadzono za pomocą programu Ansys Workbench dla przypadku przestrzennego stanu odkształcenia. W celu sprawdzenia wytrzymałości konstrukcji oraz określenia wartości naprężeń i odkształceń posłużono się metodą całkowania niejawnego - zwaną metodą Implicit. W rozwiązywanym przypadku macierz sztywności układu przyjmuje ogólną postać [6]: [K]{u}={F} (4) gdzie: [K] globalna macierz sztywności konstrukcji o wymiarze M x M, M liczba stopni swobody całej konstrukcji, {u} wektor niewiadomych przemieszczeń węzłowych o wymiarze M, {F} dany wektor zewnętrznych zastępczych sił węzłowych o wymiarze M. Obiekt dyskretyzowano w wariancie I , wariancie II , wariancie III elementami 8 węzłowymi typu Solid 164. W miejscu mocowania kół do osi oraz siodła odebrano translacyjne oraz rotacyjne stopnie. Tab. 2. Parametry modelu materiałowego użytego w symulacji. Rodzaj stali Granica plastyczności R e [MPa] Granica wytrzymałości R m [MPa] Moduł Younga GPa [GPa] Liczba Poissona v Domex , WYNIKI SYMULACJI Wariant I Rysunek10 przedstawia wyniki ugięcia się ramy referencyjnej (w osi Y) pod wpływem działającego obciążenia 12 t pochodzącego od przewożonego ładunku. Największe ugięcie ramy występuje w środkowej części konstrukcji (kolor niebieski) i wynosi 3,7 mm. Rysunek 11 przedstawia wyniki naprężeń Hubera Misesa. W przedniej części konstrukcji w miejscu łączenia płyty oporowej z podłużnicą, występują naprężenia, które wynoszą 105 MPa. W tym miejscu powstał także karb numeryczny, który związany jest brakiem zaokrąglenia naroża oraz wielkości siatki. Karb numeryczny nie ma wpływu na wyniki symulacji i jest częstym zjawiskiem 2042

9 przy analizie modeli bryłowych ram pojazdu. W interesujących nas węzłach A i B, które w dalszej części analizy zostały poddane optymalizacji, wyniki naprężeń nie przekraczają 124 MPa. Rys. 10. Mapy deformacji naczepy w osi Y Rys. 11. Mapy naprężeń Hubera-Misesa Wariant II Rysunek 12 przedstawia wyniki ugięcia się ramy referencyjnej (w osi Y) pod wpływem działającego obciążenia 12 t pochodzącego od przewożonego ładunku. Największe ugięcie ramy występuje w środkowej części konstrukcji (kolor niebieski) i wynosi 5 mm. Rysunek 13 przedstawia wyniki naprężeń Hubera Misesa. W przedniej części konstrukcji w miejscu łączenia płyty oporowej z podłużnicą, występują naprężenia, które wynoszą 114 MPa. W interesujących nas węzłach A i B, których konstrukcja różni się od referencyjnej dość znacząco, wyniki naprężeń nie przekraczają 130 MPa. 2043

10 Rys. 12. Mapy deformacji naczepy w osi Y Rys. 13. Mapy naprężeń Hubera-Misesa Wariant III Rysunek 14 przedstawia wyniki ugięcia się ramy referencyjnej (w osi Y) pod wpływem działającego obciążenia 12 t pochodzącego od przewożonego ładunku. Największe ugięcie ramy występuje w środkowej części konstrukcji (kolor niebieski) i wynosi 5,2 mm. Rysunek 15 przedstawia wyniki naprężeń Hubera Misesa. W przedniej części konstrukcji w miejscu łączenia płyty oporowej z podłużnicą, występują naprężenia, które wynoszą 90 MPa. W interesujących nas węzłach A i B, których konstrukcja różni się od referencyjnej dość znacząco, wyniki naprężeń nie przekraczają 150 MPa. Rys. 14. Mapy deformacji naczepy w osi Y 2044

11 Rys. 15. Mapy naprężeń Hubera-Misesa PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki naprężeń oraz deformacji ramy pokazują, jaki wpływ ma zmiana cech konstrukcyjnych węzłów ramy niskopodwoziowej na wyniki sztywności konstrukcji przy minimalizacji masy. Warto podkreślić, że różnica masy pomiędzy konstrukcją referencyjną a rozwiązaniami zaproponowanymi przez autorów wynosi 1,5 tony. Analizując wyniki naprężeń należy uwzględnić, oddziaływanie dynamiczne siły, które jest 1,5 razy większe od obciążeń statycznych w związku z tym otrzymane wyniki zostały pomnożone przez współczynnik k D =1.5. Tak więc dla wariantu II I III po uwzględnieniu oddziaływania dynamicznego wyniki maksymalne naprężenia wynoszą MPa. Analizując wykres rozciągania stali Domex 700 widać, że granica sprężystości materiału wynosi ok 600 MPa. Wyniki naprężeń jakie występują w konstrukcji ramy naczepy niskopodwoziowej są prawie 3-krotnie mniejsze od zakresu stosowalności prawa Hook a. Przeprowadzona przez autorów analiza optymalizacji cech konstrukcyjnych ze względu na ich sztywność i minimalizację masy, pokazuje jak duże możliwości dają konstruktorom narzędzia CAD/CAE. Wyniki analiz oraz metodologia postępowania w procesie projektowania i optymalizacji cech konstrukcyjnych ramy naczepy niskopodwoziowej wykazały, że zaproponowane zmiany konstrukcyjne, umożliwiają zmniejszenie masy przy zachowaniu dużej sztywności i będą stanowiły podstawę dalszych badań autorów. Badania zrealizowano w ramach projektu pt. Teoretyczne podstawy automatyzacji procesów projektowania elementów i zespołów maszyn z zastosowaniem sztucznej inteligencji, w warunkach niepewności i niepowtarzalności procesów, realizowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/05/B/ST8/ Streszczenie Artykuł przedstawia jedną z metod postępowania w procesie projektowania i optymalizacji nowych rozwiązań konstrukcyjnych ramy naczepy niskopodwoziowej. Dostępność oprogramowania wspomagającego projektowanie w dzisiejszych czasach jest bardzo duża i nie jest ważne, jakie narzędzie zostanie użyte, lecz metodyka pracy nad daną koncepcją. Autorzy starali się przedstawić, syntetycznie, kolejność prac projektowych i optymalizacyjnych. Artykuł przedstawia problemy z jakimi borykają się konstruktorzy podczas każdego z etapów realizacji projektu. Słowa kluczowe: naczepa niskopodwoziowa, Ansys, Metoda Elementów Skończonych (MES), optymalizacji, wytrzymałość, sztywność. 2045

12 The method of procedure in the design and optimization of constructional features because of their stiffness and minimize weight low loader trailer frame Abstract This article presents one of the methods in the design and optimization of new construction solutions low loader trailer frame. Availability design software today is very big and it does not matter what the tool is used, but the methodology of work on a given concept. The authors sought to introduce, synthetically, the order of design and optimization. The article presents the problems faced by the designers at each stage of the project. Keywords: semitrailer, Ansys, Finite Element Method (FEM), optimization, strength, stiffness. LITERATURA 1. Wojciech Tarnowski, Podstawy projektowania technicznego, WNT, Warszawa Piotr Cichosz, Narzędzia skrawające, WNT, Warszawa Jerzy Honczarenko, Obrabiarki sterowane numerycznie, WNT, Warszawa W. Gasparski, Projektoznawstwo, WNT, Warszawa W. Tarnowski, S. Bartkiewicz, Modelowanie matematyczne i symulacja komputerowa dynamicznych procesów ciągłych, WUPK, Koszalin Stanisław Łaczek, Modelowanie i analiza konstrukcji w systemie MES ANSYS v.11, WPK, Kraków R. Lewkowicz, T. Hinz, Ł. Rypina, T. Królikowski, P. Piątkowski, Symulacja naprężeń i odkształceń w podłużnicach samochodowych, Miesięcznik Naukowo Techniczny Mechanik, nr 5-6/2011 strona Rypina Łukasz, Baran Jan, Królikowski Tomasz, Nikończuk Piotr: Metoda postępowania w procesie projektowania z wykorzystaniem narzędzi do wspomagania projektowania CAD/CAM/CAE studium przypadku, Logistyka NR3/2014 str Kwasniewski L., Hongyi Li, Wekezer J., Malachowski J. Finite element analysis of vehicle bridge interaction. Finite Elements in Analysis and Design 42 (2006) Kacalak W., Majewski M.: New Intelligent Interactive Automated Systems for Design of Machine Elements and Assemblies. 19th International Conference on Neural Information Processing - ICONIP 2012, Doha, Qatar, November Lecture Notes in Computer Science Volume Neural Information Processing. Springer Kacalak W., Majewski M.: Inteligentne, interaktywne, zautomatyzowane systemy projektowania elementów i zespołów maszyn na podstawie ich cech opisywanych w języku naturalnym. Pomiary Automatyka Kontrola, Vol. 58, nr 5 (2012). Wydawnictwo PAK Kacalak W., Majewski M.: Natural language human-robot interface using evolvable fuzzy neural networks for mobile technology. International Conference on Intelligent Computing - ICIC 2009, Ulsan, South Korea, September Lecture Notes in Computer Science Volume Emerging Intelligent Computing Technology and Applications. Springer