Введение к работе
Актуальность работы. Подъемные устройства широко применяются в технических системах самого разного назначения и отраслевой принадлежности: мобильные ремонтные базы, машины технического обслуживания, подъемники и т.п. Подъемно-мачтовые устройства (ПМУ) также являются механизмами подъема, но кроме этого еще выполняют функцию высотного основания - мачты - для поднятого груза. Одной из областей применения ПМУ является военная техника; это в первую очередь комплексы наземной разведки и сопровождения целей, в которых, для выполнения боевых задач необходимо поднимать сканирующую аппаратуру на некоторую высоту над землей. Разрабатываемые с этой целью ПМУ представляют собой кинематические устройства, позволяющие опускать и поднимать аппаратуру.
Конструктивно ПМУ самых различных конструкций и кинематических схем, представляют собой систему отдельных звеньев или ферм соединенных между собой неидеальными шарнирами с ограниченным ходом, для управления движением звеньев используются силовые устройства, как правило, в качестве таковых используются гидроприводы.
Исходя из особенностей эксплуатирования ПМУ, можно сказать, что они подвергаются воздействию погодно-климатических нагрузок, из которых можно выделить в качестве основных - гололедную и ветровую нагрузку. Последнюю принято разделять на статическую, обусловленную средней скоростью ветра, и динамическую составляющую, обусловленную турбулентностью атмосферы и стохастической интенсивностью пульсации скорости ветра. Кроме того, не стоит исключать из рассмотрения вибрационные нагрузки со стороны работающих силовых генераторов, в качестве которых, как правило, используется двигатель шасси.
Совершенно очевидно, что при проектировании таких технических систем встают вопросы обеспечения надлежащей прочности и точностных показателей как при рабочих нагрузках, так и при экстремальных перегрузках, обусловленных нестационарностью погодно-климатических условий и обстановки в условиях боевых действий. Имея дело с ПМУ, как со сложным объектом неоднородной структуры, подверженного динамическим воздействиям различной физической природы и вероятностно-временным параметрам, мы приходим к необходимости проведения всестороннего анализа динамических состояний уже на этапе принятия основополагающих проектных решений и в процессе всего цикла проектирования и выпуска конструкторской документации.
Таким образом, техническая задача совершенствования динамических характеристик подъемно-мачтовых устройств является актуальной в конструкторской практике.
Характерной чертой ПМУ и подобных им техническим системам является то,
что их конструкция состоит преимущественно из тел удлиненной формы, для кото
рых в качестве физической модели на практике успешно применяются стержни.
Пространственная реализация подобных конструкций и наличие подвижного осно
вания (базовое шасси), являющегося само по себе источником виброударных воз
действий позволяет говорить о системе стержней на подвижном основании, подвер
женной комплексу динамических воздейстрнйт-в-том-числе и случайного характера
как о физической модели ПМУ наиболее | е1льто*таЖЙотщи[ощую конструкцию и
условия ее эксплуатации. - - »
wwFZfiA
Методы расчета статических состояний стержней и их систем, как плоских, так и пространственных, подробно описаны в ставших уже учебниками работах СП. Тимошенко, Работнова Ю.Н и др. авторов монографий по сопротивлению материалов.
Прикладным проблемам динамики стержней посвящено множество работ, в которых рассматриваются задачи о криволинейных стержнях (Светлицкий В.А., Гордон В.А., Шмаркова Л.И., и др.); различные подходы к анализу стержней с неоднородными вдоль длины физико-геометрическими параметрами (Лехницкий С Г., Ломакин В.А., Коренев Б.Г., Колчин Г.Б. и др.). Работы по динамике рам и фермных конструкций дают представление о различных подходах к анализу состояний стержневых систем (Филиппов А.П., Серенсен С В, Когаев В.П., Шнейдерович P.M., Гаранин Л.С, Зайденберг А.И., Розин Л.А., Константинов И.А. Иванович В.А., Смелов В.А.).
Несмотря на всестороннюю проработку методов исследования стержней и их систем можно отметить, что на сегодняшний момент нет методики, позволяющей целостно представить движение пространственной системы стержней в среде произвольных динамических воздействий кроме дискретных методов в связке с методом модального разложения: это широко известные методы конечных и суперэлементов. Именно они в настоящее время широко используются в отечественной и зарубежной конструкторской практике для анализа конструкций при проектировании.
Исходя из особенностей конструкции ПМУ и предъявляемым к ним требованиям применение таких методов к анализу динамики представляет определенные сомнения. Вопрос точности МКЭ в отношении динамических задач до сих под остается открытым, а поиск баланса между степенью дискретизации конструкции и возможностью реализации таковой в рамках стержневой модели представляет собой самостоятельную задачу. Последняя проблема стоит наиболее остро, т.к. элементы конструкции ПМУ представляют собой толстые стержни и представление каждого даже моделью из двух конечных элементов повлечет за собой ошибку, вносимую неточностью физической модели, которую не представляется возможным оценить.
Вместе с тем, детальная проработка вопросов динамики отдельных стержней в научной литературе наталкивает на мысль об использовании накопленного опыта в построении методики расчета динамических состояний пространственной стержневой системы на основе математических моделей отдельных стержней.
Таким образом, создание математической модели динамики подъемно-мачтовых устройств является важной и актуальной задачей, представляющей практический интерес.
Цель работы: разработка методики определения характеристик напряженно-деформированного состояния подъемно-мачтовых устройств на основе решения задачи о реакции пространственной стержневой системы на произвольные динамические воздействия.
Научная новизна состоит в - обобщении метода начальных параметров в динамической постановке на системы стержней, в которых нет ограничений на количество и взаимное расположение стержней, сходящихся в одном узле.
Л* і ife- пу. , \
- разработке метода аналитического решения задачи о свободных колебаниях
прямых стержней переменного поперечного сечения.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- математическая модель, описывающая движение пространственной конструк
ции, состоящей из прямых стержней постоянного и переменного сечения;
г - способ определения спектра свободных колебаний системы стержней на осно-
ве метода начальных параметров;
- анализ реальной конструкции подъемно-мачтового устройства при различных
* динамических нагрузках.
Достоверность и надежность основных научных и практических результатов обоснована использованием классических апробированных методов механики деформируемого твердого тела и строгого математического аппарата.
Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:
разработке и реализации эффективного алгоритма динамического анализа стержневых систем, адекватно моделирующих конструкции ПМУ;
анализе реакции конкретной конструкции ПМУ на различные виды динамических воздействий: вибрацию основания, ветровую и гололедную нагрузки с учетом их стохастического характера;
формулировке рекомендаций по совершенствованию конструкции ПМУ, ориентированных на повышение точности позиционирования радиолокационной аппаратуры.
Апробация работы. Основные результаты работы неоднократно докладывались автором на международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в том числе на:
12,13 зимних школах по механике сплошных сред (г. Пермь, 1999г., 2003г.);
LVII Научной сессии «Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова», посвященной дню радио (г. Москва, 2002 г.);
двенадцатой межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002 г.);
тринадцатой межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2003 г.).
^ Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы. Работа содержит 129 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 13 таблиц. Общий объем диссертационной работы 141 страницы. Библиографический список включает 82 наименования.
