Система автоматизированного моделирования сложной динамической системы «Микрорельеф - базовая машина - кабина - человек-оператор»

УДК 681.3.01

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «МИКРОРЕЛЬЕФ - БАЗОВАЯ МАШИНА -

КАБИНА - ЧЕЛОВЕК-ОПЕРАТОР»

И.И. Малахов, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Аннотация. В статье описана система автоматизированного моделирования сложной динамической системы «микрорельеф - базовая машина - кабина - человек-оператор».

Ключевые слова: система моделирования, защита от вибрации.

Введение

Проблема снижения уровней вибрации и шума на землеройно-транспортных машинах (ЗТМ) в настоящее время приобретает все большую актуальность. Повышенная вибрация снижает ресурс силовых агрегатов ЗТМ, вызывает дополнительное потребление энергии в переходных режимах работы агрегатов, приводит к возникновению и развитию профессиональных заболеваний обслуживающего персонала. Повышенный уровень шума ухудшает экологические показатели транспортных средств, увеличивая дискомфорт, что приводит к снижению производительности труда. Поэтому в нормативные документы вводятся все более жесткие требования по защите от вибрации и шума [1]. В связи с этим возникает необходимость на этапе проектирования ЗТМ обеспечивать необходимые параметры систем виброзащиты и рассчитывать предполагаемую вибрационную нагрузку на рабочем месте человека-оператора.

Современные технические средства позволяют осуществлять проектирование машин с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). При этом желательно, чтобы САПР виброзащиты гармонично вписывалась в общий процесс разработки ЗТМ.

На современном российском рынке предлагается достаточно большое количество инженерных CAE-систем (Computer Aided Engineering) с помощью которых можно исследовать колебания машин. Среди них есть системы инженерного анализа среднего уровня, такие как COSMOS/Works, COSMOS/Motion, COSMOS/FloWorks для SolidWorks; системы инженерного анализа встроенные в тяжелые САПР -Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER,

Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX, CATIA CAE для CATIA, и системы полнофункционального инженерного анализа с мощными средствами и обширными библиотеками конечных элементов - ANSYS/Multiphysics, AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN [2].

Для расчетов в этих системах обычно используется метод конечных элементов, и они позволяют осуществить полный цикл проектирования от построения трехмерной модели до расчета различных узлов на прочность. Но использование этих систем для расчета вибрационной нагрузки достаточно сложно, трудоемко и нецелесообразно. Так, если есть трехмерная модель какой-либо машины, то для анализа колебаний необходимо задать все сопряжения и ограничения для деталей, нагрузки, либо создавать еще одну упрощенную модель.

В связи с этим, возникает необходимость в создании специализированных систем для проектирования элементов виброзащиты.

Моделирование систем

Для создания таких систем можно использовать среду MATLAB. MATLAB обладает большим набором встроенных функций для расчета и анализа различных данных, а также, благодаря пакетам расширения, имеется возможность проводить имитационное моделирование [3].

Необходимыми параметрами для расчета являются массо-инерционые характеристики машины и значения коэффициентов жесткости и вязкости виброзащитных элементов. Массо-инерционые характеристики можно рассчитать при использовании любой CAD-системы.

Пакет расширения SimMechanics позволяет проводить имитационное моделирование сложных механических объектов, при этом от пользователя не требуется составление

дифференциальных уравнений, описывающих машину.

Для обоснования способа моделирования был проведен ряд расчетных экспериментов. В процессе эксперимента ставились задачи теории колебаний и решались в среде MATLAB тремя способами: с применением т-файлов, моделированием в пакете Simulink и имитационное моделирование в пакете SimMechanics. В процессе эксперимента были отработаны принципы построения моделей в SimMechanics.

В результате эксперимента можно сделать вывод, что при наличии описания динамической системы в виде системы дифференциальных уравнений удобнее использовать пакет Simulink. Если динамическая система сложная и составление дифференциальных уравнений вызывает определенные трудности, удобнее использовать пакет SimMechanics. Способ, с использованием т-файлов являясь «традиционным» все-таки менее предпочтителен, поскольку требует специальной записи уравнений. Результаты решения задач всеми тремя способами, при использовании одинаковых солверов, идентичны.

Расчетный эксперимент подтвердил возможность использования пакета SimMechanics для моделирования сложной динамической системы «микрорельеф - базовая машина -кабина - человек оператор».

Для решения задач виброзащиты была составлена обобщенная расчетная схема динамической модели коммунальной машины «микрорельеф - базовая машина - кабина -человек оператор», показанная на рисунке 1.

Обобщенная расчетная схема динамической системы «микрорельеф - базовая машина - кабина - человек оператор», представляет собой систему с шестью массами, звеньями которой являются:

- базовый трактор массой т1, включающей в себя массу обвязочной рамы. Центр масс имеет координаты (хг, уг, zr);

- передний мост массой т2. Центр масс находится в точке (Хрт, Урт, Zpm);

- отвал бульдозера массой т3, включающей в себя массу гидроцилиндра отвала. Центр масс находится в точке с координатами (Хоь Уоь А)0;

- кабина трактора массой т4. Центр масс находится в точке с координатами (хк, ук, zk);

- человек-оператор массой т5, включающей в себя массу кресла. Центр масс третьего звена находится в точке с координатами (XV, у,, А,);

- щетка снегоочистителя массой т6, включающая в себя массу гидроцилиндра щетки. Центр масс находится в точке с координатами (ХсЦ, УсЬ А=ц).

При описании динамической системы были приняты следующие допущения:

- связи, наложенные на колебательную систему коммунальной машины, являются голономными и стационарными;

- базовая машина представляет собой шарнирно-сочлененный многозвенник с наложенными на него упруго-вязкими динамическими связями;

- люфты в шарнирах отсутствуют;

- силы сухого трения в гидроцилиндрах отсутствуют;

- элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом;

- элементы рабочего оборудования представлены как абсолютно жесткие стержни с сосредоточенными массами.

Пространственная колебательная динамическая система рассматривается в правой инерциальной системе координат Х0 У0 Zo, начало которой - точка О0 в состоянии покоя совпадает с точкой О1, координаты которой заданы в локальной системе координат Х0 У0 Z0, связанной с рамой базовой машины. Ось Х0 совпадает с направлением движения, а ось Z0 направлена вертикально вверх.

Положение звеньев расчетной схемы определяется положениями соответствующих правых локальных систем координат. Локальные системы координат связаны:

- Х1 У1 Z1 - с рамой базовой машины;

- Х2 У2 Z2 - с передним мостом;

- Х3 У3 Z3 - с отвалом бульдозера;

- Х4 У4 Z4 - с кабиной;

- Х5 У5 Z5 - с человеком оператором;

- Х6 У6 Z6 - со щеткой снегоочистителя.

Реакции грунта на элементы ходового и

рабочего оборудования представлены на расчетной схеме силами Fi, i = 1 ,...,6.

На основании этой расчетной схемы была составлена модель в пакете SimMechanics, блок-схема которой показана на рисунке 2. Для каждого блока моделирующего твердое тело задается масса, координаты центра масс и характерных точек, осевые моменты инерции относительно осей Jx, Jy, Jz и центробежные моменты инерции относительно координатных осей Jxy, Jyz, Jxz, составляющие тензор инерции тела. Тела между собой связаны шарнирами, ограничивающими взаимное перемещение этих тел.

Рис. 1 Обобщенная расчетная схема динамической системы «микрорельеф - базовая машина - кабина - человек оператор»

Рис. 2 Блок-схема динамической системы «микрорельеф - базовая машина - кабина - человек оператор» в SimMechanics

Для возбуждения модели используются два дополнительных блока системы моделирования: подсистема моделирования микрорельефа и подсистема пересчета кинематического возбуждения в силовое.

На рисунке 3 показана блок схема подсистемы, моделирующей микрорельеф. Подсистема реализована в виде диалогового т-файла.

На рисунке 4 показана система пересчета кинематического возбуждения, получаемого в результате моделирования микрорельефа, в

силовое. Так как в подсистеме требуется несколько раз дифференцировать сигнал, то её удобнее реализовать в Simulink.

В результате моделирования формируем сигнал виброускорения на кресле человека-оператора.

Для дальнейшего анализа полученных данных служит подсистема обработки вибрационного сигнала. Блок-схема обработки сигнала представлена на рисунке 5. Подсистема реализована в виде т-файла.

Рис. 3 Блок-схема подсистемы, моделирующей микрорельеф

|:1и/д|---------------------------------[ Х |~

0—

Massa рга, реге:

&

ЗБ-

Ет3Г[

Massa 1е, реге:

Mlk'oгelef 1е, реге:

ге^-

10—^<1рг_реге:] —кю Рга,_реге:

^ M lkroгel ef рга, реге: |[Рг регес^

| [Рг_Аа:]^>  т

Mlk'oгelef рга, 1а:

-КВ

—КБ

Ье^а: —^Ье^а:]!

Рис. 4 Подсистема пересчета кинематического возбуждения в силовое

\Л/к, Wf- фильтры частотной коррекции по ГОСТ 31191.1-2004

Сигнал а(0

- 5

1 г

іі І і

II

г %

*! * і 8 г

II ! а I ?

Wk Wf .'НОУ- [с;.(Ш(г) Доза укачивания, м/с

х Г * '

/ЦІ І. іі['<к , г М •*

лоаг Ьт20 '*С1.иг*)

Фипьтр»ци»о*гміЛ» а-1 полосе

\\\ М. . т*с(1в.»П

, Шик - фактор -------------

Фи льт раі;ия сигнала в О полосе

ОИ - 14а,. Г> 4

• ее / 1 -ІҐ,

Фильтрация сигнала 1-Ої' « )

в 19 полосе

Среднеквадратичное інач«ние корректированного ус*оре*и* в„ (м/с:| и ЄГО ЛОГврифмичеСКИИ уровень 1« [дБ].

Эквиваломтная доза вибрации, м/с1 ** Доза вибрации, м/с1 п

номера полоса соответствии с ГОСТ 17168

«•(*♦> " Г І [а.»(0];

\ 'ГВ-»

Максимальное текущее 6ї (УГ1Т  тахо^ (г£^ среднеквадратичное »нанемив корректированного ускорения

Алгоритм раснв т* текущего средне чввдратинного энанения корректированное о ускорения

илге—л

Рис. 5 Блок-схема обработки вибрационного сигнала

Для фильтрации вибрационного сигнала в третьоктавных полосах используются фильтры Баттерворта второго порядка [4].

В результате работы подпрограммы рассчитываются характеристики вибрации, позволяющие оценивать ее в соответствие с ГОСТ 31191.1 - 2004 и СН 2.2.4/2.1.8.556-96.

В общем виде работу системы автоматизированного моделирования (САМ) можно представить в виде блок схемы, показанной на рисунке 6. Модули интегрированы в один т-файл. Все данные пользователь вводит и получает в рабочем окне MATLAB, от него не требуется знание программных продуктов Simulink и SimMechanics.

В результате моделирования в рабочее окно MATLAB выводятся численные значения характеристики вибрации MSDV, а*, Ц*, VDV, eVDV, MTW, пик-фактор, значения MTVV/aw и VDV/awT1/4, а также строятся графические зависимости. В качестве примера на рисунке 7 приведены графические зависимости, полученные в результате моделирования. На графиках приведены: отфильтрованный вибрационный сигнал (рис. 7а), спектр мощности отфильтрованного сигнала (рис. 7в), среднеквадратичное значение ускорения в третьоктавных полосах в сравнении с санитарными нормами (рис. 7б) и его логарифмические уровни (рис. 7г).

С Ндчдло

Модел 11 рОВЙНИ-Р микрорелЬефл

ГІЄ|)ЄСЧЄТ кинематического ВОЗ£іуЖДЄН 11Є в (иловое

’і

имитационно моделпровлные в МшМесІІЛІЖ^

Анд ли ї пнбрацианного СИГНАЛЛ

Вывод результата

Рис. 6 Блок-схема САМ

Рис. 7 Пример графиков, получаемых в результате моделирования

Заключение

Предложенная автоматизированная система позволяет моделировать динамическую систему «микрорельеф - базовая машина -кабина - человек - оператор» и затем проводить оценку уровня вибрации на этапе проектирования машины, не требуя создания дополнительных моделей.

Библиографический список

1. Гордеев, Б.А. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред / Б.А. Гордеев, В.И. Ерофеев, А.В. Синёв, О.О. Мугин. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2004. -176 с.

2. Использование САЕ-систем в

проектировании технических объектов / И.И. Малахов // Сборник научных трудов: вып. 5. Юбилейный. - Омск: Омский филиал НГАВТ, 2006. - С. 48-51.

3. Ануфриев, И.Е. МА^АВ 7 / И.Е. Ануфриев, А.Б. Смирнов, Е.Н. Смирнова. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 с.

4. ГОСТ 31191.1 - 2004. Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка её

воздействия на человека. Часть 1. Общие требования - М.: Стандартинформ, 2008. - 28 с.

System of the automated modeling of complex dynamic system «a micro-relief - the base machine - a cabin - the person-operator»

I.I. Malakhov

The system of the automated modeling of complex dynamic system «a micro-relief - the base machine - a cabin - the person-operator» is described.

Малахов Иван Игоревич - аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, имеет 8 опубликованных работы. Основное направление научных исследований - системы автоматизации проектирования средств виброзащиты. E-mail: info@

sibadi.org