MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 54, ISSN 1896-771X ANALIZA KONSTRUKCYJNO- MATERIAŁOWA MOCOWANIA MAGNETOREOLOGICZNEGO UKŁADU TŁUMIENIA DRGAŃ W UNIWERSALNYM MODULE UZBROJENIA Marcin Bajkowski 1a, Anna Makuch 1,2b, Wojciech Słysz 3c 1 Instytut Mechaniki i Poligrafii, Politechnika Warszawska 2 Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 3 Zakłady Mechaniczne Tarnów S.A. a granada@pompy.pl, b a.makuch@wip.pw.edu.pl, c wojciech.slysz@zmt.tarnow.pl Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki analizy konstrukcji elementów układu adaptacyjnego magnetoreologicznego zespołu tłumienia drgań uniwersalnego modułu uzbrojenia z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES). Badania przeprowadzono na numerycznym modelu obliczeniowym układu z tłumikami MR umieszczonymi w podstawie. Opracowany model geometryczny został poddany wieloaspektowym badaniom z uwzględnieniem zmian materiałowych i konstrukcyjnych (wymiarowo-kształtowych). Przeprowadzone analizy pozwoliły określić najbardziej obciążone miejsca układu. W przypadku kluczowych pod kątem wytrzymałościowym - elementów przeprowadzono analizę kształtowo-geometryczną, co pozwoliło ponaddwukrotnie zmniejszyć wartość naprężeń w układzie. Słowa kluczowe: tłumik magnetoreologiczny, wielkokalibrowy obiekt specjalny, analiza MES, moduł uzbrojenia DESIGN AND MATERIAL ANALYSIS OF FIXING OF MAGNETORHEOLOGICAL DUMPING SYSTEM IN A UNIVERSAL ARMAMENT MODULE Summary In the paper was shown the analysis process of the design elements of an adaptive magnetorheological damping system of a universal armament module using Finite Element Method (FEM). The study was conducted on a numerical model of the MR dampers system placed at the base. On the developed model has conducting multifaceted geometric tests taking into account changes in materials, construction, (dimension and shape), and technology. Performed analyzes allowed to determine the most burdened places of the system. For the strength of key components was made geometrical-shape analysis, that allow to reduce the amount of stress in the system more than doubled. Keywords: magnetorheological dumper, large-caliber special object, FEM analysis, arm module 5
ANALIZA KONSTRUKCYJNO-MATERIAŁOWA MOCOWANIA 1. WSTĘP Prezentowane wyniki prac, nad wybranymi elementami układu tłumienia drgań podstaw uniwersalnych w odniesieniu do broni wielkokalibrowej, są efektem prowadzonych badań nad możliwością zastąpienia klasycznych układów tłumiących zespołami wykorzystującymi sterowane tłumiki magnetoreologiczne (MR)[4]. Aktualnie produkowane uniwersalne zintegrowane systemy modułu uzbrojenia (ZSMU) wykorzystują sprawdzone układy tłumienia drgań z tłumikami tarciowymi montowanymi w układzie równoległym. W ramach działań modernizacyjnych podjęta została próba opracowania programowalnego układu tłumienia drgań podstawy, wykorzystującego równoległe moduły tłumiące z dedykowanymi tłumikami MR. Możliwość zmian charakterystyk tłumienia za pomocą prądów sterujących, która to cecha jest znamienna w odniesieniu do konstrukcji wykorzystującej sterowane ciecze MR, pozwala na znaczne rozszerzenie możliwości wykorzystania rodziny uniwersalnych modułów uzbrojenia ZSMU. Rozszerzona zostaje w ten sposób możliwość montowania tego typu sprzętu wojskowego na dotąd niestosowanych lekkich nosicielach kołowych oraz posadowienia innych rodzajów uzbrojenia, począwszy od wielkokalibrowych karabinów maszynowych poprzez granatniki automatyczne aż do wielolufowych karabinów napędowych [2]. U podstaw zadania konstrukcyjnego leżało zachowanie pełnej wymienności już istniejącej konstrukcji z modułami opartymi na sterowanych tłumikach MR. Narzucenie braku możliwości ingerencji w budowę samej podstawy (jej łoże i kołyskę) wprowadziło znaczne ograniczenia zarówno w odniesieniu do samych modułów tłumiących MR, jak i do możliwości ich zamocowania. Uwzględniając powyższe, zdecydowano się na zastosowanie dwóch równoległych rewerserów z tłumikami MR połączonych z tylną częścią kołyski za pomocą specjalnego układu adaptacyjnego (rys.1). Przyjęte rozwiązanie ze względu na ograniczoną przestrzeń oraz specyfikę występujących obciążeń musiało zostać poddane wszechstronnym pracom z zakresu analizy numerycznej z różnymi wariantami materiałowo-geometrycznymi. Rys. 1. Kołyska podstawy ZSMU z zamocowanym karabinem WKM-B 12,7x99mm oraz układem MR tłumienia drgań Niniejsza praca prezentuje zakres działań analitycznych dotyczących aspektów konstrukcyjnomateriałowych w odniesieniu do jednego z najbardziej odpowiedzialnych elementów rozwiązania, a mianowicie mocowania magnetoreologicznego układu tłumienia drgań do kołyski podstawy ZSMU. Zastosowanie modeli numerycznych, w odróżnieniu od modeli fizycznych, umożliwia efektywną analizę konstrukcji za pomocą metody elementów skończonych (MES). W zależności od złożoności układu, w procesie dochodzenia do optymalnego rozwiązania uwzględnia się cechy geometryczne (kształt, powiązania elementów, wymiary i tolerancje, geometrię powierzchni), cechy materiałowe (rodzaj materiału, parametry obróbki cieplnej, własności wytrzymałościowe, własności chemiczne, własności fizyczne), cechy dynamiczne (informacje o naprężeniach wewnętrznych, obciążenia zewnętrzne i ich charakterystyki)[6][5]. W przypadku projektowania i modyfikacji konstrukcji elementów uzbrojenia będących częścią układu szczególne znaczenie mają właśnie cechy dynamiczne, przy jednoczesnym uwzględnieniu ograniczeń kształtowowymiarowych wynikających z budowy całego zespołu. Naturalne jest uwzględnianie ograniczeń takich jak: nieprzekraczanie dopuszczalnych wytężeń przy wszystkich stanach obciążenia, nieprzekraczanie dopuszczalnych wartości przemieszczeń ze względu na geometrię układu, nieprzekraczanie wartości minimalnych i maksymalnych wymiarów elementów dopuszczalnych ze względów użytkowych i technologicznych. Narzucony, w ramach założeń pierwotnych do projektu, warunek braku możliwości ingerowania w samą konstrukcję podstawy oraz zachowanie pełnej wymienności układu MR z klasycznym rozwiązaniem, zmusza do położenia największego nacisku na uwarunkowania geometryczne i wymiarowe, zwłaszcza w odniesieniu do układu adaptacyjnego, który musi być dostosowany do geometrii tylnej części kołyski, w której przykładowo osadzony jest wielkokalibrowy karabin maszynowy 6
Marcin Bajkowski, Anna Makuch, Wojciech Słysz 12,7 99mm WKM-B (rys.1). W procesie projektowania modułu adaptacyjnego należało uwzględnić obciążenia dynamiczne, którym podlega ten układ. Ich wielkość została zidentyfikowana w trakcie badań strzelaniem przeprowadzonych na stacji prób balistycznych w Zakładach Mechanicznych Tarnów S.A, będących producentem rodziny uniwersalnych modułów uzbrojenia ZSMU [1][3]. Opracowano numeryczny model obliczeniowy układu z tłumikami MR umieszczonymi w podstawie ZSMU i poddano go wieloaspektowym badaniom z uwzględnieniem zmian materiałowych i konstrukcyjnych (wymiarowo-kształtowych). 2. PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań był układ adaptacyjny mocowania modułów MR tłumienia drgań podstawy dostosowany konstrukcyjnie do jednoczesnej możliwości mocowania klasycznego układu tłumików tarciowych. Zapewnienie wymienności stosowania układu sterowanego i aktualnie produkowanego zdeterminuje konieczność poddawania analizie obciążeń występujących zarówno w jednym jak i w drugim przypadku. W pierwszej kolejności utworzono uproszczony model głównych elementów podstawy ZSMU wyposażonej w układ pomiarowy w postaci czujników siły PCB M223B oraz układ adaptacyjny do zamocowania czujników (rys. 2). Rys. 2. Kołyska podstawy ZSMU z zamocowanym karabinem WKM-B 12,7x99mm oraz układem MR tłumienia drgań Przy opracowaniu modelu obliczeniowego uproszczono układ amortyzacji odrzutu karabinu, wykorzystując jego symetrię. Dokładnie odwzorowano części składowe rewersora wraz z tłumikiem MR oraz układu adaptacyjnego. Zespół tłoka składający się z kilku elementów zastąpiono pojedynczym walcem osadzonym na tłoczysku. Rozmiary poszczególnych elementów modelu tak dobrano, aby uzyskać zgodność mas z układem rzeczywistym. Bazując na modelu geometrycznym (rys. 2), przeprowadzono analizy mające na celu minimalizację przemieszczeń osiowych w elementach układu przy zachowaniu warunków ograniczających (geometria tylnej części kołyski, geometria układu rewersorów z tłumikami MR). 7
ANALIZA KONSTRUKCYJNO-MATERIAŁOWA MOCOWANIA Rys. 3.Uproszczony algorytm numerycznej analizy konstrukcyjno-materiałowej układu Proces analizy konstrukcji elementów adaptacyjnych układu MR tłumienia drgań uniwersalnego modułu uzbrojenia ZSMU z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES) został zrealizowany zgodnie z opracowanym algorytmem przedstawionym na rys. 3. Opracowany model geometryczny został poddany wieloaspektowym badaniom polegającym na symulacjach numerycznych układu pierwotnego i zmodyfikowanego z modułem adaptacyjnym i rewersorami tłumików MR, analizach materiałowych oraz badaniach wpływu zmian wymiarowo-kształtowych najbardziej obciążonego elementu - łącznika pomiarowego. Przeprowadzone wg zaproponowanego algorytmu (rys. 3) analizy pozwoliły na dobór zakresów parametrów zmiennych (a,b,c,...) opisujących geometrię układu w przypadku funkcji celu: f(a,b,c...): zred min x 8
Marcin Bajkowski, Anna Makuch, Wojciech Słysz min, a otrzymane wyniki wykazały zgodność z danymi doświadczalnymi. 3. WYNIKI SYMULACJI 3.1 BADANIA PIERWOTNEGO UKŁADU TŁUMIENIA PODSTAWY ZSMU wpływu własności materiałów, dobranych na elementy mocowania układu czujników i podpory w pierwotnym układzie ZM Tarnów oraz wpływu na przemieszczenia i naprężenia zespołu przeprowadzono analizę materiałową z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W celu określenia naprężeń i przemieszczeń występujących w układzie tłumienia drgań wykonano, jako pierwsze, analizy pierwotnego układu tłumienia drgań podstawy ZSMU wyposażonej w dodatkowe czujniki siły PCB M223B (rys. 4). Obliczenia przeprowadzono w odniesieniu do materiału stal węglowa 310. W chwytach prawym i lewym (1) na powierzchni czołowej odjęto wszystkie stopnie swobody. Uwzględniono ciężar podpór (2) T=30N. Powierzchniom górnym kołyski (3) odjęto możliwość ruchu w pionie (na kierunku prostopadłym do osi układu. Układ obciążono siłą 1300N i 1500N na kierunku działania siły odrzutu na powierzchni przekroju kołyski (4). Wartość siły obciążającej układ przyjęto na podstawie pomiarów przeprowadzonych na stanowisku balistycznym [3]. Rys. 5. Mapy przemieszczeń (a) i naprężeń zredukowanych (b) w odniesieniu do układu tłumienia drgań w rozwiązaniu pierwotnym przy obciążeniu 1500N; xmax =0,206 mm; max =145,2 MPa 3.2 ANALIZA MATERIAŁOWA PODPÓR I MOCOWAŃ CZUJNIKÓW SIŁY Rys. 4. Mapy przemieszczeń (a) i naprężeń zredukowanych (b) w odniesieniu do układu tłumienia drgań w rozwiązaniu pierwotnym przy obciążeniu 1300N; xmax =0,163 mm; max =92, 47MPa W badaniach mających na celu analizę materiałową podpór i mocowań czujników siły przyjęto uproszczony model geometryczny kołyski. Na jej bocznych powierzchniach odjęto wszystkie stopnie swobody. Do górnej powierzchni podpór przyłożono siłę normalną o wartości 20N (siła wynikająca z masy pojedynczego elementu), a do ich powierzchni bocznej przyłożono siłę 1300N, na kierunku działania siły odrzutu. Weryfikacji poddano 5 materiałów: stal węglowa walcowana na zimno 1548, stal stopowa hartowana o podwyższonej wytrzymałości 300, stal stopowa hartowana o podwyższonej wytrzymałości 1300, stal stopowa hartowana o podwyższonej wytrzymałości 4130, stal węglowa AISI 314. Przeprowadzone analizy układu pierwotnego wyposażonego w czujniki siły (rys. 4-5) wykazały, że najbardziej obciążonymi elementami w układzie są podpory i mocowania czujników. W celu określenia 9
ANALIZA KONSTRUKCYJNO-MATERIAŁOWA MOCOWANIA Tab. 1. Wyniki maksymalnych naprężeń zredukowanych i przemieszczeń - analiza materiałowa Materiał stal węglowa walcowana na zimno 1548 stal stopowa hartowana o podwyższonej wytrzymałości 300 stal stopowa hartowana o podwyższonej wytrzymałości 1300 stal stopowa hartowana o podwyższonej wytrzymałości 4130 Maksymalne naprężenia zredukowane [MPa] Maksymalne przemieszczenia na kierunku wzdłużnym [mm] 468,5 0,604 461,5 0,619 461,5 0,619 461,5 0,582 stal węglowa AISI 314 468,5 0,604 Jak pokazuje zestawienie wyników tej części symulacji w tab. 1, wybór materiału w zakresie stali dostępnych, w odniesieniu do tego typu konstrukcji, nie wpływa znacząco na wartości maksymalne naprężeń zredukowanych i przemieszczenia na kierunku wzdłużnym układu. 3.3 BADANIA ZMODYFIKOWANEGO UKŁADU TŁUMIENIA Z REWERSORAMI MR Kolejny etap badań obejmował zamodelowanie opracowanego układu adaptacyjnego mocowania (rys. 2) modułów MR tłumienia drgań podstawy. Taki układ, zapewniający wymienność aktualnie produkowanego systemu tłumienia na magnetoreologiczny, został poddany kolejnym symulacjom numerycznym metodą MES. Analiza miała na celu pokazanie, jak znaczące będą odkształcenia, wskazanie "słabych punktów" rozwiązania konstrukcyjnego i określenie miejsc występowania maksymalnych naprężeń i przemieszczeń w zmodyfikowanym układzie. Zbadano również wpływ gęstości siatki na wyniki analizy. Symulacje zostały przeprowadzone w odniesieniu do materiału stal węglowa 314. Łączniki obciążono siłą wynikającą z ich masy 40N. Powierzchniom walcowym sworzni odjęto wszystkie stopnie swobody. Układ obciążono siłą poosiową na kierunku działania siły pchnięcia (1300N lub 5000N). Rys. 6. Mapy przemieszczeń (a) i naprężeń zredukowanych (b) w odniesieniu do magnetoreologicznego układu tłumienia drgań przy obciążeniu 1300N; xmax=0,285mm; max =425,8MPa. Przeprowadzone analizy układu adaptacyjnego mocowania modułów MR tłumienia drgań podstawy ZSMU wykazały, że najbardziej obciążonymi elementami w układzie są łączniki pomiarowe (5) - rys. 7b. W związku z uzyskanymi wynikami dalsza analiza miała na celu znalezienie optymalnego rozwiązania kształtowowymiarowego łącznika pomiarowego łączącego rewersor MR z kołyską podstawy. Rys. 7. Mapy przemieszczeń (a) i naprężeń zredukowanych (b) w odniesieniu do magnetoreologicznego układu tłumienia drgań przy obciążeniu 5000 N; xmax =1,537 mm; max =889,1 MPa. 10
Marcin Bajkowski, Anna Makuch, Wojciech Słysz 3.4 ANALIZA KSZTAŁTOWO- WYMIAROWA ŁĄCZNIKA POMIAROWEGO W trakcie analiz kształtu i wymiarów łącznika pomiarowego (rys. 8) za funkcję celu przyjęto minimalizację przemieszczeń poosiowych pod wpływem siły odrzutu F=5000N. Na powierzchni łącznika pomiarowego (6), przez którą przechodzi śruba łącząca układ adaptacyjny z kołyską podstawy, odjęto wszystkie stopnie swobody. Do powierzchni walcowej otworu (7), pod pasowany sworzeń, łączący układ adaptacyjny z rewersorem tłumika MR przyłożono siłę 5000N. Miało to na celu określenie maksymalnych przemieszczeń na kierunku poosiowym zgodnym z kierunkiem działania siły pchnięcia. Analizę kształtowo-wymiarową przeprowadzano w odniesieniu do materiału: stal węglowa 340. Wybrane wyniki symulacji numerycznych przy kolejnych modyfikacjach kształtowo-wymiarowych łącznika pomiarowego układu adaptacyjnego zostały zaprezentowane na rys. 9-11. Rys. 8. Model geometryczny łącznika pomiarowego układu adaptacyjnego przed modyfikacjami Zadanie wyznaczenia całkowitych przemieszczeń w układzie rozwiązywano metodą elementów skończonych (MES) w odniesieniu do kolejnych zmian wprowadzanych w wyjściowej geometrii łącznika pomiarowego, zgodnie z opracowanym algorytmem - rys.3. Tab. 2. Wyniki obliczeń maksymalnych przemieszczeń w układzie w odniesieniu do kolejnych zmian zgodnie z algorytmem 1 Zmiany kształtowo-wymiarowe geometria wyjściowa łącznika pomiarowego Max przemieszenie [mm] 0,773 2 zmiana promienia zaokrąglenia 0,658 3 dodanie żebra 0,540 4 dodanie ścianek prowadzących 0,516 5 zmiana grubości ścianek prowadzących 0,478 6 dodanie otworu 0,544 7 8 9 10 11 12 zmiana grubości ścianek prowadzących przy zachowaniu dodatkowego otworu dodanie zaokrągleń w ściankach prowadzących i usunięcie dodatkowego otworu zastąpienie ścięć zaokrągleniem w uchu pod śrubę łączącą z kołyską zmiana promienia zaokrąglenia rozwiązania zwiększenie wysokości ścianek prowadzących zmiany promieni zaokrąglenia zewnętrznych i wewnętrznych 0,516 0,487 0,488 0,406 0,369 0,381 Rys. 9. Mapy przemieszczeń łącznika pomiarowego przy obciążeniu 5000N; xmax =0,540mm (modyfikacja 3) (a); xmax =0,516mm (modyfikacja 4) (b) Kolejne analizy pod kątem minimalizacji maksymalnych przemieszczeń w układzie pozwoliły wypracować bez wprowadzania zmian materiałowych optymalne rozwiązanie (rys. 12) cechujące się prawie dwukrotnie mniejszymi przemieszczeniami niż w rozwiązaniu pierwotnym przy takim samym stanie obciążeń. Rys. 10. Mapy przemieszczeń łącznika pomiarowego przy obciążeniu 5000N; xmax=0,544mm (modyfikacja 6) (a); xmax =0,488mm (modyfikacja 9) (b) 11
ANALIZA KONSTRUKCYJNO-MATERIAŁOWA MOCOWANIA Rys. 11. Mapy przemieszczeń łącznika pomiarowego przy obciążeniu 5000N; xmax =0,369mm (modyfikacja 11) (a); xmax =0,381mm (modyfikacja 12) (b) Rys. 12. Rysunek wykonawczy finalnego łącznika pomiarowego modułu adaptacyjnego układu MR tłumienia drgań podstawy ZSMU 4. WNIOSKI Opracowany model numeryczny zmodyfikowanego układu tłumienia podstawy ZSMU poddany wieloaspektowym symulacjom z uwzględnieniem zmian materiałowych i wymiarowo-kształtowych pozwolił na zidentyfikowanie punktów kluczowych rozwiązania konstrukcyjnego i określenie miejsc występowania maksymalnych naprężeń i przemieszczeń w układzie. Przyjęte uproszczenia w geometrii oraz wykorzystanie symetrii układu tłumienia drgań podstawy ZSMU pozwoliły na zwiększenie efektywności symulacji numerycznych. Przeprowadzone analizy układu pierwotnego potwierdziły, że najbardziej obciążonymi elementami w układzie tłumienia drgań są podpory i mocowania czujników siły. Jak wykazała analiza materiałowa, zmiana materiału w obszarze stali stosowanych na elementy układu adaptacyjnego podstawy ZSMU wpływa w niewielkim stopniu na polepszenie parametrów wytrzymałościowych opracowywanej konstrukcji. W związku z powyższym za kluczowe należy uznać zmiany wymiarowo-kształtowe. Prawidłowe opracowanie modelu obliczeniowego, poprzedzić należy testami weryfikacyjnymi oceniającymi zależność dokładności obliczeń uzyskanych map naprężeń/przemieszczeń modelu układu od gęstości siatki modelu numerycznego. Dotyczy to w szczególności skomplikowanych układów montażowych obciążanych szybkozmiennymi impulsami wysokoenergetycznymi. Weryfikacje te muszą być realizowane przy zachowaniu niezmienionych warunków utwierdzenia i obciążenia modelu. Przeprowadzone obliczenia MES zmodyfikowanego układu tłumienia drgań (z tłumikiem MR) pokazały, że najbardziej obciążoną częścią jest łącznik pomiarowy. Przeprowadzone w odniesieniu do łącznika dodatkowe obliczenia według procedury określonej w algorytmie, z uwzględnieniem kolejnych modyfikacji geometrii i wymiarów pod kątem minimalizacji maksymalnych przemieszczeń, pozwoliły prawie dwukrotnie zmniejszyć ich wartości w stosunku do rozwiązania pierwotnego bez wprowadzania zmian materiałowych. Wyznaczone wartości naprężeń zredukowanych i przemieszczeń w pierwotnym i zmodyfikowanym układzie tłumienia drgań posłużyły do wypracowania optymalnej konstrukcji modułu adaptacyjnego w podstawie z układem MR tłumienia drgań. Zaproponowany algorytm może stać się obowiązującym przy przeprowadzaniu procedur analitycznych w odniesieniu do konstrukcji zbliżonych do analizowanej i przynależnych do tej samej grupy klasyfikacyjnej obiektów specjalnych poddawanych obciążeniom w postaci szybkozmiennych impulsów wysokoenergetycznych. Praca finansowana z programu INNOTECH-K1/IN1/16/155660/NCBR/12. Literatura 1. Bajkowski M., Lindemann Z., Floriańczyk A., Grygoruk R.: Analiza obciążenia tłoczyska magnetoreologicznego tłumika odrzutu obiektu specjalnego o wymuszeniu impulsowym. W: "53 sympozjon Modelowanie w mechanice", 2014, p. 29. 2. Kochański S.: Automatyczna broń strzelecka. Warszawa: Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych SIGMA NOT, 1991. 12
Marcin Bajkowski, Anna Makuch, Wojciech Słysz 3. Makuch A., Bajkowski M., Lindemann Z.: Determining parameters of recoil reduction system with spring and magnetorheological damper intended for special object. "Machine Dynamics Research", 2014, No 3, Vol. 38, p. 85-94. 4. Spencer B.F. jr. Dyke S.L., Sain M.K., Carlson J.D.: Phenomenological model of a magnetorheological damper. "J. Eng. Mech.", 1997, Vol 123, p. 230-238. 5. Stocki R.: Analiza niezawodności i optymalizacja odpornościowa złożonych konstrukcji i procesów technologicznych. Warszawa: IPPT PAN, 2010. 6. Suzuki K., Kikuchi N.: A homogenization method for shape and topology optimization. "Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering", 1991, Vol. 93, p. 291-318. 13