Оптимизация конструкции детали кронштейна

Федеральное государственное  бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального  образования

«Воронежский государственный  технический университет»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

 

Кафедра «Технология машиностроения»

 

 

 

 

Курсовой проект

По дисциплине «Системы конечно-элементного  анализа»

На тему:

«Оптимизация конструкции детали кронштейна»

 

Выполнил студент группы:

Принял:

 

 

 

 

Воронеж 2012

Задание на курсовую работу

В ходе выполнения курсового  проекта необходимо провести оптимизацию  конструкции детали «кронштейн» с учетом прилагаемых нагрузок.

Цель курсового проектирования: На основе использования метода конечных элементов оптимизировать конструкции  ленточного транспортера.

Задачи курсового проекта:

1. Вычертить чертеж детали в формате dwg.
2. Определить максимально допустимую нагрузку на деталь с учетом материала, указанного на чертеже.
3. Выполнить оптимизацию конструкции детали путем изменения формы и размеров (присоединительные размеры изменять недопустимо) и изменяя материал детали в соответствии с материалом задания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Задание на курсовой проект                                                                                2

Введение                                                                                                                4

1. Конструкторская часть курсового проекта                                                        5
1. Описание конструкции и назначения детали                                                    5
2. Характеристика физических и механических свойств материала детали      7
3. Характеристика условий закрепления и нагружения исследуемой детали  10
4. Основные положения метода конечных элементов                                        11
2. Исследовательская часть                                                                                    15
1. Описание особенностей продукта Mechanical                                                 15
2. Определение максимально допустимых нагрузок на деталь                         17
3. Оптимизация конструкции детали путем изменения формы и размеров     17
4. Оптимизация конструкции детали путем изменения материала детали       18

Заключение                                                                                                          19

Список литературы                                                                                             20

3 Графическая часть курсового  проекта                                                                21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Исследуемым механизмом является транспортер, который предназначен для штучной подачи изделий в  машину. Периодичность движения ленты  транспортера обеспечивается храповым механизмом. Тяга поворачивает поводок на валу на некоторый угол. С поводком соединена собачка, передающая движение храповому колесу, которое крепится к ведущему шкиву винтами. Пружина прижимает собачку к храповому колесу. Вал вращается в подшипниках, установленных на станине машины. На ней же закреплена ось, на которой вращается ведомый шкив.

Во время работы транспортера под действием силы тяжести груза  и собственного веса лента натягивается. Для натяжения ленты используют натяжное устройство, которое состоит из натяжного шкива, рычага и подвески. Пружина поворачивает рычаг, прижимает установленный на нем натяжной шкив к ремню, тем самым создавая натяжение. Трущиеся поверхности смазываются через масленки.

Целью курсового проекта  является освоение основ МКЭ и  программного продукта Autodesk Mechanical и оптимизация конструкции подвески натяжного устройства транспортера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструкторская часть.

 

1. Описание конструкции и назначение детали.

 

Кронштейн — консольная опорная деталь или конструкция, служащая для крепления на вертикальной плоскости (стене или колонне) выступающих или выдвинутых в горизонтальном направлении частей машин или сооружений. Конструктивно кронштейн может выполняться в виде самостоятельной детали либо многодетальной конструкции с раскосом, а также в виде значительного утолщения в базовой детали. Механический принцип действия — сопротивление материала на скол и сдвиг.

Кронштейн в технике используется в основном для закрепления на вертикальных плоскостях деталей и узлов машин и устройств (к примеру, подшипников). Также кронштейны используются для крепежа троллейбусных проводов, кабелей, антенни т. п.

Кронштейн в архитектуре, как правило, является поддерживающим элементом выступающих частей здания и представляет собой выступ в стене, часто профилированный и декорированный (с декоративными завитками или другими украшениями). Подобные кронштейны применяются в основном в архитектуре, использующей ордерные элементы, и служит для поддержки балконов, сильно выступающих декоративных и/или функциональных карнизов и т. п.

Кронштейны также используются для крепления облицовочной кладки при строительстве зданий и сооружений. Так, существует технология так называемого  вентилируемого фасада. Кронштейн крепится к монолитному перекрытию, на него кладется лицевой кирпич (облицовочный кирпич) или другой штучный кладочный элемент. Получается многослойная конструкция: несущее основание, утеплитель, воздушная прослойка, облицовочная кладка. Обычно через каждые два этажа или 7 м, максимальная высота кладки может быть 12 м. Материал кронштейнов — нержавеющая сталь (А4, DUPLEX). В промежутках между поясами кронштейнов устанавливаются специальные гибкие связи.

Кронштейн в автомобилестроении является одной из наиболее распространенных деталей, так как именно с помощью кронштейна к кузову автомобиля крепится штатное и дополнительное оборудование (примером могут служить самые различные виды кронштейнов: для крепления звуковых сигналов, осветительных приборов, номерных знаков и т. д.)[1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Характеристика физических и механических свойств материала детали

 

Согласно сборочному чертежу, материал храпового колеса - Сталь 3 (СТ 3, СТЗ) Сталь конструкционная углеродистая [3]

 

Таблица 1 - Характеристика стали 3 (СТ 3, СТЗ)

Марка:	СТЗ
Заменитель:	ВСтЗсп
Классификация:	Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества
Применение:	несущие и ненесущие элементы сварных и не сварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах. Фасонный и листовой прокат (5-й категории) толщиной до 10 мм для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках в интервале от —40 до +425 °С. Прокат от 10 до 25 мм — для несущих элементов сварных конструкций, работающих при nтемпературе от —40 до +425°С при условии поставки с гарантируемой свариваемостью.

 

Таблица 2 - Химический состав в % материала стали 3 (СТ 3, СТЗ)

С	Si	Mn	Ni	S
0.14-0.22	0.05-0.17	0.4-0.65	до 0.3	до 0.05
Р	Cr	Си	Аs
до 0.04	до 0.3	до 0.3	до 0.08

Температура критических  точек стали 3 (СТ 3, СТЗ)

Ас1=735, АсЗ(Асm)=850, АrЗ(Аrcm)=^:835, Аг1=680

 

 

Таблица 3 - Механические свойства при Т=20°С стали 3 (СТ 3, СТЗ)

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	D5	У	КСU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Прокат	до 20		370-	245	26			Состояние
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
горячекатан.			480					поставки
Прокат горячекатан.	20-40			235	25			Состояние поставки

 

Таблица 4 - Физические свойства стали 3 (СТ 3, СТЗ)

Т	Е 10-5
Град	МПа
20	2.13
100	2.08
200	2.02
300	1.95
400	1.87
500	1.76
600	1.67
700	1.53

 

Таблица 5 - Технологические  свойства стали 3 (СТ 3, СТЗ)

Свариваемость:	без ограничений.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной  хрупкости:	не склонна.

 

 

Свариваемость стали 3 (СТ 3, СТЗ):
без ограничений	- сварка производится  без подогрева и без последующей термообработки
ограниченно свариваемая	- сварка возможна при  подогреве до 100-120 град, и последующей термообработке
трудносвариваемая	- для получения качественных  сварных соединений требуются  дополнительные операции: подогрев до 200-300 град, при сварке, термообработка после сварки - отжиг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Характеристика условий  закрепления и нагружения исследуемой детали.

Два верхних отверстия  кронштейна имеют неподвижную опору, а нижнее отверстие кронштейна является наиболее уязвимым, к нему будет  прикладываться нагрузка (см. рисунок 1).

 

Рисунок 1. Кронштейн с обозначенными нагрузками

 

 

 

 

 

 

1.4 Основные положения метода конечных элементов

 

Метод конечных элементов (МКЭ) — численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела (сопромата), теплообмена, гидродинамики и электродинамики. [1]

Суть метода следует из его названия. Область, в которой ищется решение  дифференциальных уравнений, разбивается  на конечное количество подобластей (элементов). В каждом из элементов произвольно  выбирается вид аппроксимирующейфункции. В простейшем случае это полином первой степени. Вне своего элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Значения функций на границах элементов (узлах) является решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами (в узлах). Затем эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах элементов. Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями ЭВМ. Так как каждый из элементов связан с ограниченным количеством соседних, система линейных алгебраических уравнений имеет разрежённый вид, что существенно упрощает её решение.

С точки зрения вычислительной математики, идея метода конечных элементов заключается в том, что минимизация функционалавариационной задачи осуществляется на совокупности функций, каждая из которых определена на своей подобласти, для численного анализа системы позволяет рассматривать его как одну из конкретных ветвей диакоптики — общего метода исследования систем путём их расчленения.

Преимущества и недостатки

Метод конечных элементов сложнее  в реализации метода конечных разностей. У МКЭ, однако, есть ряд преимуществ, проявляющихся на реальных задачах: произвольная форма обрабатываемой области; сетку можно сделать более редкой в тех местах, где особая точность не нужна.