Разработка системы Автоматизированное решение задач механики (стр. 2 из 18)

1. Предпроектные исследования

Все твердые тела в той или иной мере обладают свойствами прочности и жесткости, т.е. способны в определенных пределах воспринимать воздействие внешних сил без разрушения и без существенного изменения геометрических размеров.

Прочность и жесткость требуют пристального внимания, качественных оценок и определенной количественной меры.

Их изучением занимается наука, называемая механикой твердого тела, а учебная дисциплина, вводящая учащегося в мир инженерных расчетов на прочность и жесткость, носит название сопротивления материалов. Сопротивление материалов, является составной частью механики твердого тела, но не единственной. К механике твердого тела относится и другие дисциплины, среди которых необходимо в первую очередь назвать математическую теорию упругости, где рассматриваются во многом те же вопросы, что и в сопротивлении материалов, но в других аспектах.

Методы математической теории упругости ведут учащегося от общего к частному. Им свойственна математическая доказательственность, точность и глубина анализа, но вместе с тем и сложность математического аппарата. Поэтому возможность практического применения методов теории упругости ограничены.

В сопротивлении материалов изложение построено по обратному принципу - от частного к общему. Основная цель - создать практически приемлемые, простые приемы расчета типовых, наиболее часто встречающихся элементов конструкций. Необходимо довести решение каждой практической задачи до числового результата требует применение приближенных методов, а стремление к простоте выводов заставляет в некоторых случаях прибегать к недоказанным, но достаточно правдоподобным предположениям - гипотезам. Их правомерность оправдывается непротиворечивостью полученных результатов, с одной стороны, и принимаемыми на веру выводами тонкого анализа теории упругости - с другой.

Сопротивление материалов и теория упругости взаимопроникающи. Многое из того, что создано теорией упругости, воспринимается курсом сопротивления материалов и органически вписывается в его содержание.

Вместе с тем сопротивление материалов вследствие своей прикладной направленности решает задачи более широкие, чем математическая теория упругости. Но главное в том, что сопротивление материалов подводит инженера к неизбежным и вечным вопросам, на которые порой трудно ответить: выдержит ли конструкция или не выдержит, и какова степень ее надежности…

В теории упругости такие вопросы не рассматриваются.

Рассмотрим стандартные подходы к решению, с помощью методов сопротивления материалов, следующих задач [3]:

центральное растяжение-сжатие прямых стержней;

кручение валов;

плоский изгиб балок;

плоский изгиб рам.

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач центрального растяжения-сжатия прямых стержней:

жесткая заделка заменяется реактивной силой, значение которой находят из первого уравнения статики: ΣF_x=0;

применяется метод РОЗУ (разделяем, отбрасываем, заменяем, уравниваем);

конструкция делится на сечения;

при рассмотрении одного сечения отбрасываются остальные, а их действие на рассматриваемое заменяется реактивной силой, определяемой из 1-го уравнения статики. Исходя из определенных реактивных сил определяется растяжение/сжатие на данном участке. Суммирование по участкам дает общее растяжение/сжатие.

Рисунки 1.1, 1.2, 1.3 поясняют смысл метода РОЗУ.

Рисунок 1.1 - Общий вид модели

Рисунок 1.2 - Замена жесткой заделки реактивной силой

Рисунок 1.3 - Отбрасывание сечения и замена его действия реактивной силой

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач кручения валов:

из уравнения жесткости находится неизвестный крутящий момент;

вал разделяется на участки, применяется метод РОЗУ и определяются углы закручивания на каждом участке.

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач плоского изгиба балок:

из 2-го уравнения статики находится уравнение взаимосвязи между реакциями, подставляя которое в уравнение моментов, составленное относительно одной из опор определяются значения реакций.

применяя метод РОЗУ, определяют значения поперечной силы и изгибающего момента на каждом из участков, строят их эпюры, исходя из которых, определяют опасные сечения.

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач плоского изгиба рам:

применяя метод РОЗУ, определяют значения продольной, поперечной силы и изгибающего момента на каждом из участков, строят их эпюры, исходя из которых, определяют опасные сечения.

2. Техническое задание на проектирование системы автоматизированного решения задач механики

2.1 Общие сведения

Проектированию подлежит САПР "Автоматизированное решение задач механики", именуемая в дальнейшем "АРЗМ". Данная САПР разрабатывается на кафедре САПР КарГТУ.

Разработчик - Кудинов Андрей Викторович.

Заказчик - кафедра САПР.

Основание разработки - приказ на дипломирование №162с от 24 февраля 2005 г.

Сроки разработки: февраль - май 2005 г.

2.2 Цель и назначение системы

Целями разработки "АРЗМ" являются:

увеличить производительность работы персонала (инженеров-проектировщиков) и уменьшить затраты времени на проектирование;

увеличить рентабельность технологического проектирования, то есть уменьшить моральные, физические и материальные издержки проектов;

расширит сферы применения современных программных продуктов проектирования.

Проектируемая САПР "АРЗМ" предназначена для:

автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния при центральном растяжении-сжатии прямых стержней, кручении валов, плоском изгибе балок и рам;

промышленных предприятий, где есть отдел проектирования конструкций, который занимается проектированием технологического оборудования;

в учебных целях (в качестве обучающей программы будущих специалистов-проектировщиков в ВУЗах).

Задачи разработки - разработать систему, решающую четыре типа задач механики:

растяжение-сжатие прямых стержней;

кручение валов;

плоский изгиб балок;

плоский изгиб рам.

2.3 Характеристика процесса проектирования

Процесс проектирования модели и анализа результатов состоит из пяти этапов, на которые в зависимости от способа реализации затрачивается определенное количество времени (таблица 2.1):

до интеграции САПР "АРЗМ" на весь процесс затрачивается 52 часа;

планируется, что после интеграции САПР "АРЗМ" будет затрачиваться 13 часов.

Планируемое сокращение затрат времени на проектирование - 4 раза.

Таблица 2.1 - Перечень процессов и характеристик создания модели исследования с использованием систем проектирования и анализа до и после интеграции.

Наименование процесса	Длительность процесса проектирования в расчете на одного человека, часы
Наименование процесса	до интеграции	после интеграции
1 Сбор исходных данных	до 8	до 8
2 Проектирование модели исследования	до 32	до 1
2.1 Построение упрощенной модели	до 2	0,1
2.2 Расчет	до 20	0,75
2.3 Построение эпюр	до 10	0,15
3 Анализ результатов	до 4	до 4
4 Создание конструкторской документации	до 8	0
Итого	52	13

2.4 Требования к "АРЗМ"

2.4.1 Общие требования к "АРЗМ"

Система должна состоять из интерфейсного модуля и набора модулей для решения каждой из задач проектирования.

Связь для информационного обмена между подсистемами будет обеспечивать интерфейсный модуль.

Интерфейсный модуль должен предусматривать расширяемость системы, то есть подключение дополнительных модулей для решения других типов задач механики.

Система "АРЗМ" должна обеспечивать создание командного файла, выполняющего построение и анализ модели исследования и его перенос в ANSYS.

Вывод результатов проектирования и анализа должен производиться в виде стандартной проектной документации. При этом должно обеспечиваться представлении выходной расчетной информации в текстовом (файл результатов расчета и таблицы с дополнительной информацией анализа) и графическом (эскиз модели, эпюры распределения нагрузок и прочие диаграммы) виде.

Должны быть автоматизированы промежуточный стадии проектирования, не связанные с творческой деятельностью проектирования, такие как:

вычисление реальных констант, используемых при описании физических свойств модели;

построение исследуемой модели;

построение геометрической модели;

построение дискретной модели;

передача исходных данных расчета системе ANSYS в виде командного файла;

проведение конечно-элементного анализа;

выбор формы представления результирующих данных;

документооборот между системами ANSYS и "АРЗМ", необходимый для переноса результатов анализа и оптимизации с наименьшим участием проектировщика.

Так в дальнейшем предполагается интеграция в данную систему подсистемы автоматизированного расчета статически неопределимых стержневых систем (далее "АРЗМ"), то к разрабатываемой системе дополнительно выдвигается следующий ряд требований: