VYUŽITÍ PROGRAMŮ ANSYS A OPTISLANG V KONSTRUKCI VÝROBNÍCH STROJŮ Autoři: Ing. Petr JANDA, Katedra konstruování strojů, FST, jandap@kks.zcu.cz Ing. Martin KOSNAR, Katedra konstruování strojů, FST, kosta@kks.zcu.cz Ing. Tomáš KROUPA, Ph.D, Katedra mechaniky, FAV, kosta@kks.zcu.cz doc. Václava LAŠOVÁ, Ph.D, Katedra konstruování strojů, FST, lasova@kks.zcu.cz Ing. Josef VACÍK, Katedra konstruování strojů, FST, jvacik@kks.zcu.cz Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14, Plzeň Anotace: Tento článek pojednává o zajímavých možnostech využití programu ANSYS s napojením na programy třetích stran. První uváděný příklad popisuje optimalizaci vinutého kompozitového vřeteníku a následné porovnání navržené struktury s její ocelovou variantou. Další ukázkou je výpočetní podpora při návrhu konstrukce manipulátoru, poskytnuté v rámci komerční spolupráce s průmyslem. Provedenou simulací bylo identifikováno několik nedostatků a byly navrženy materiálové a konstrukční změny. Annotation: This paper deals with some attractive possibilities of ANSYS software usage with a connection to third-party software. First stated example describes optimization of wound composite headstock and consequent comparison of designed structure with its steel alternative. Next demonstration is the computational support during designing of a manipulator provided within the commercial cooperation with the industry. A few drawbacks were identified and some material and design changes were proposed. Úvod Software ANSYS je na katedře konstruování využíván nejen k výukovým účelům, ale i k řešení úloh pro průmyslovou praxi. Pro následující článek jsou vybrány dvě zajímavé úlohy, které byly řešeny v rámci detašovaného pracoviště Výzkumného centra strojírenské výrobní techniky a technologie (VCSVTT) v Plzni. Optimalizace kompozitních dílů pro obráběcí stroje Pro optimalizaci složitých kompozitních struktur byl navržen optimalizační cyklus, který je řízen programem Matlab a jsou v něm kromě OptiSlangu využity programy ANSYS a Siemens NX. Příkladem optimalizovaného dílu je jeden z řady kompozitních vřeteníků (obrázek 1) navržených v rámci projektu Výzkumného centra strojírenské výrobní techniky a technologie (VCSVTT). Vlastnosti navrženého dílu jsou porovnávány s ocelovou variantou. 1
Obrázek 1 - Kompozitní vřeteník navržený v rámci projektu VCSVTT Optimalizační cyklus je znázorněn na následujícím obrázku. Spouštění jednotlivých programů řídí program Matlab, který připravuje vstupní a výstupní textové soubory pro OptiSlang. Obrázek 2 - Vývojový diagram optimalizačního procesu 2
Pro tvorbu parametrického modelu byl v našem případě použit preprocesor pro ANSYS integrovaný v CAx systému Siemens NX a jako řešič a post-procesor používáme ANSYS. Lze však použít i jinou kombinaci CAD systému a FEM řešiče. Ve vývojovém diagramu (obrázek 2) je například využito NX i jako post-procesor. Cílem dané úlohy je dosažení co nejvyšší tuhosti dílu při dosažení co nejnižší hmotnosti, a tedy i ceny kompozitního dílu. V oblasti nosných struktur obráběcích strojů se jedná o klasickou optimalizační úlohu. Optimalizovány jsou nejen rozměrové parametry, ale i počet a skladba jednotlivých vrstev. Navíc je v úloze umožněna volba mezi dvěma typy uhlíkových vláken (vysokomodulová a vysokopevnostní vlákna). Výsledky Jak již bylo řečeno v úvodu, výsledné deformace na konci vřeteníku jsou porovnávané s deformacemi na prvotním zkušebním standu navrženém jako ocelový svařenec. Obě varianty jsou shodně zatíženy silou na konci vřetena o velikosti 10 kn v horizontálním a následně vertikálním směru. Je tedy vyhodnocována tuhost vřeteníku ve směru os X a Y. Posunutí ve směru osy X pro jednotlivé varianty je na obrázcích 3 a 4. Hodnota tuhosti kompozitního vřeteníku v tomto směru je více než dvakrát vyšší (97 kn/mm) v porovnání s ocelovým (40 kn/mm) Obrázek 3 - Ocelový vřeteník posunutí ve směru osy X (na konci vřetena 0,253 mm) 3
Obrázek 4 Kompozitní vřeteník posunutí ve směru osy X (na konci vřetena 0,103 mm) Obrázek 5 - Ocelový vřeteník posunutí ve směru osy Y (na konci vřetena 0,339 mm) 4
Posunutí ve směru osy Y pro jednotlivé varianty je na obrázcích 5 a 6. Hodnota tuhosti kompozitního vřeteníku v tomto směru je opět více než dvakrát vyšší (64 kn/mm) v porovnání s ocelovým (29.5 kn/mm). Obrázek 6 - Kompozitní vřeteník posunutí ve směru osy Y (na konci vřetena 0,157 mm) Závěr Díky výsledkům optimalizace, byl s přihlédnutím na technologické možnosti výroby navržen kompozitní díl s více než dvojnásobnou tuhostí v obou směrech, přičemž hmotnost tohoto dílu (33.8 kg) je ¼ hmotnosti dílu ocelového (131.5 kg). Výpočetní podpora konstrukce manipulátoru IOV350 Manipulátor navržený ve Škodě Machine Tool je součástí pracoviště frézovacího a vyvrtávacího stroje HCW4. Manipulátor slouží k natáčení hřídelí generátorů o hmotnosti až 350 tun. Rotory mohou mít průměr až 3,5 m a délku 16 m. Další důležité parametry vřeteníku jsou v následující tabulce. Krouticí moment na vřetenu Zpevňovací moment na vřetenu Axiální zatížení vřetena Přesnost polohování Otáčky vřetena 50 000 Nm 120 000 Nm 250 000 N ± 3 s 0-2.4 ot/min Tabulka 1 Zadané požadavky na manipulátoru IOV350 5
Technický popis zařízení Manipulátor IOV350 (obrázek 7) je uložen na dvou ocelových deskách opatřených t-drážkami a skládá se z následujících základních částí (vřeteník, víko vřeteníku, vřeteno, lícní deska). Vřeteník a víko vřeteníku jsou vyrobeny z šedé litiny 422430 a je u nich vyžadováno především zajištění dostatečně tuhého uložení vřetena. Vřeteno je z materiálu 15241.6. Hlavním požadavkem na něj je dosáhnout dostatečnou torzní tuhost, která je důležitá pro přesné polohování. Dle přání zákazníka by mělo být ohybově poddajné. Pro lícní desku byl navržen materiál 422306. Jedná se o litinu s kuličkovým grafitem, která je vhodná pro vyšší tlakové namáhání. Obrobek je upevněn na lícní desce pomocí upínaček, jejichž počet, velikost a předepínací síla se liší dle typu obrobku. Prokluzu příruby rotoru na desce manipulátoru je zamezeno jen pomocí třecí síly vyvozené předepnutím upínaček. Funkcí manipulátoru IOV350 je zajistit přesné polohování (natočení) a dostatečné tuhé udržení polohy obrobku uloženého v hydrostatických opěrách, který může být u některých kusů podepřen v opěrách. Obrázek 7 - Manipulátor IOV 350 Byla řešena kompletní sestava hlavních částí manipulátoru, a to pro celou škálu tvarově a rozměrově různých obrobků (12 kusů). Šroubové spoje jsou nahrazeny předepnutými 1D elementy. Mezi plochami jsou definovány kontakty. Úlohu takového rozsahu bylo možné řešit díky využití 64-bitové technologie. K řešení byl využit program ANSYS 12. Výsledky Vzhledem ke komerčnímu charakteru úlohy uvádíme jen několik ilustračních obrázků, zobrazujících posunutí sestavy manipulátoru s největším možným obrobkem (délka 16 m, max průměr 2.5 m, hmotnost 350 000 kg). 6
Obrázek 8 - Sestava manipulátor a obrobek (350 t) celkové posunutí Obrázek 9 Manipulátor při zatížení obrobkem (350 t) celkové posunutí 7
Obrázek 10 Detail manipulátoru při zatížení obrobkem (350 t) celkové posunutí Závěr Díky simulaci bylo odstraněno několik drobných nedostatků v konstrukci a navržena změna tvaru a materiálu pro tělesa vřetene a lícní desky. Poděkování: Tento příspěvek vznikl za podpory projektů Kontakt ME10074 a Výzkum strojírenské výrobní techniky a technologie označený 1M6840770003. LITERATURA: [1] ANSYS. 2009. Help System. 2009. Release 12 8