|
Главная
Наши услуги
Предлагаются разработки (и не только)
Выполненные проекты
Скачать для работы
А вы точно конструктор?
Инструментарий конструктора
Отвечаю на вопросы
Проверьте свою эрудицию
Как меня найти
Ерофеев Николай Николаевич
Телефон
+7-911-224-05-24
e-mail:
unimech
yandex.ru,
unimech
37.com
Мой ICQ №
567159914
Санкт-Петербург
|
Инструментарий конструктора
|
Сразу заявляю: заниматься конструированием, не применяя расчётов – можно! Как
можно играть на пианино и петь - не зная нотной грамоты, или исцелять людей –
не имея медицинского образования.
Говорят, что в молодости будущий академик А. Н. Крылов был знаком с талантливым
работягой, который, опережая научные выкладки Алексея Николаевича, стучал по
корабельному винту кувалдой и добивался нужной скорости катера. Потом, глядя в
закорючки на бумаге, говорил: «Верны твои расчёты, мичман!».
А теперь попробуем без расчётов обойтись в конкретной задачке.
При производстве кровельных наплавляемых
материалов полотно сходит с охладительных
барабанов и поступает в так называемый магазин
запаса готовой продукции. Он представляет собой
полиспастную систему валков, на которых
запасается готовый материал. Из этого магазина
полотно поступает на намоточный станок,
где сматывается в рулоны.
Производство кровельного материала – процесс
непрерывный. Это значит, что ежесекундно с
барабанов со скоростью
u
в магазин подаётся полотно.
Намотка же происходит с гораздо большей скоростью
v
и осуществляется циклично: рулон намотался, его нужно отрезать, обмотать
скотчем, снять, поставить на поддон. Во время намотки тележка с нижними валками
поднимается вверх, во время пауз – опускается вниз. Требуется спроектировать
магазин, который обеспечил бы безостановочное заполнение рулонами одного
поддона.
Даю обещание публично прославить на этом сайте того, кто уже на этом этапе
готов садиться за Автокад и начинать чертить. Я же не вижу другого подхода к
этой проблеме, кроме как садиться за расчёты. Но за какие? Еще нет чётко
сформулированной задачи. Какая будет высота магазина? Сколько валков на
подъёмной тележке? Каков их диаметр? Это – вопросы первого этапа. От них
потянутся другие – прочностные.
Ясно, что высота магазина легко определится, если известно время заполнения
поддона и скорость подъёма тележки. Умножим одно на другое – вот вам и высота.
Тележка поднялась до верхнего предела, теперь необходима пауза – для медленного
опускания тележки вниз и накопления очередной порции запасённого полотна. Время
заполнения поддона можно грубо оценить, зная скорость намотки и потери времени
на упаковку каждого рулона. Но как быть со скоростью подъёма тележки? Вот вам и
задача: при заданных скоростях
u
и
v
найти скорость тележки
w
. Причём, поскольку количество валков пока неизвестно, пусть на поднимаемой
тележке их будет
n.
Я с удовольствием познакомлюсь для будущих проектов с человеком, который сможет
решить эту задачу на уровне школьной физики. Мне пришлось привлечь
теоретическую механику, применяя понятия составного движения и мгновенного
центра скоростей. И приведённая задачка – это сильно упрощённый для этого сайта
вариант реальной задачи.
Все расчёты в конструкторской деятельности инженера-механика я бы разделил на
два класса:
-
Определение параметров, обеспечивающих процесс (высота и ширина магазина, угол
атаки крыла, скорость подачи каретки, время опорожнения ёмкости, сила тяги
лебёдки, дальность вылета тарелки и т.п.).
-
Определение прочностных размеров.
Создавать надёжные конструкции, не владея пунктом 2, можно. Примитивные
представления о прочности есть у большинства мужчин, умеющих работать руками.
Кроме того, наблюдательный глаз за годы работы отмечает характерные размеры
строительных сооружений, диаметры валов, мощности двигателей и т.д. Конечно,
подстраховываясь, немереное количество металла тратится в «запас». Но конвейеры
работают, каркасы торговых рядов не сносит ветром, рекламные щиты и крышные
установки не валятся на голову – вы думаете, их прочность кто-то грамотно
проверял? Сталь у нас пока дешёвая, и для единичных изделий тратить время на
расчёты считается роскошью.
Называться конструктором, не владеющим пунктом 1, по-моему, нельзя. Не
представляю, как на глазок «прикинуть» скорость вращения колеса, обеспечивающую
заданную скорость машины! Для определения этого параметра нужно знание
кинематики плоского движения тела. Невозможно определить мощность двигателя
электроплуга без знания динамики. Не удастся «прикинуть» высоту фонтана,
частоту колебаний рессоры, усилие домкрата, время торможения маховика и многое
другое. Для всего этого нужны расчёты. Для одних задач достаточно хорошего
знания физики, для других не обойтись без теоретической механики, высшей
математики, сопротивления материалов, гидравлики. Много ли вы знаете людей,
которые в своё время «сдали» перечисленные науки на «отлично»? Часто ли задают
этот вопрос менеджеры по кадрам при поиске конструктора?
Часто приходится слышать фразу: «Главное в ВУЗе – научиться работать с
книгами». Иными словами, зачем зубрить теормехо-сопроматно-гидравлические
формулы, если в послеинститутской жизни под рукой будет справочник?
Вот пример из справочника.
Мне пришлось открыть этот справочник, когда я проектировал настольный гибочный
станочек – для грамотного выбора параметров прижимных эксцентриков. Всё ясно и
удобно: есть рисунок, есть формулы, есть пояснения. Нет только одного:
указания, что в первой формуле ошибка. В качестве аргумента синуса взята сумма
нескольких слагаемых – но гляньте на них! Они же разной размерности! Углы
складываются с длинами. Конечно, это опечатка. Но ведь кто-то же её не заметит!
И, изготовив заведомо неработоспособный эксцентрик, еще больше упрочится во
мнении, что ВСЯ теория гроша ломаного не стоит.
Кстати, в этой же формуле фигурирует момент М. С ним-то как быть? Откуда взять
эту величину?
И, наконец, величины
и
- угол трения и радиус круга трения. Сколько еще справочников нужно открыть,
чтобы понять, что «ученье – свет»?
Вы думаете, опечатки - редкость?
Задача 7.3.1
В пособии по решению задач сопротивления материалов я нашёл задачу, решение
которой – ниже. Найдите ошибку.
Задача 7.3.2.
СНиП II-23-81 Стальные конструкции. Электронная версия серьёзного документа.
Найдите ошибку.
Конечно, ошибки редактора и опечатки встречаются не часто. Конструктор –
профессионал их заметит и обойдёт. Конструктор, теорию не уважающий, может
допустить роковые ошибки, влекущие огромные финансовые потери и даже
человеческие жертвы.
В последнее время метания конструктора от чертёжной программы к книгам всё
эффективнее заменяются расчётными же программами. И появилась другая «обманка»:
достаточно освоить такую программу – и она всё рассчитает сама.
Мне доводилось иметь дело с тремя подходами к решению задач механики на
компьютере.
Самый примитивный и безошибочный способ – это подстановка числовых значений
(сила, пролёт балки, модуль упругости, разница температур и т.д.) в программу,
где задачи механики решаются привычными уравнениями или системами уравнений.
Интерфейс таких программ красотой не радует, результаты выглядят серо, и их
трактовка рассчитана на специалистов. Чаще всего такие расчётные модули созданы
на базе Excel, но есть куча других похожих и удобных. Некоторые из них я
выложил на этом сайте в разделе «Скачать для работы».
Второй подход я бы назвал псевдографическим. В таких программах строится
условная модель конструкции – чаще всего стержневая модель. А решение опять
сводится к решению систем уравнений, взятых из сопротивления материалов.
Наглядность и модели, и результатов – не в пример предыдущему случаю. Можно
увидеть прогнутые и растянутые балки, эпюры внутренних усилий, процент
использования балки по прочности, получить таблицу результатов и многое другое.
Вот пример замечательной в своей простоте и размере программы «Analysis for
Windows»:
Проведён расчёт простейшей П-образной рамы. Задача, многократно решённая во
многих учебниках. Результат – простенькие эпюры, таблицы. Примитивно, но
наглядно и понятно. Вот только на перекладине в эпюре поперечных сил почему-то
нет скачка; вместо него – плавное изменение величины Q. Ошибка? Оказывается -
нет. Попробуйте догадаться, что пришлось изменить в настройках программы, чтобы
эпюры приобрели классическо-сопроматный вид.
Третий подход – конечно-элементные программы. Это уже тяжёлая артиллерия, а
может, и ракетные войска серьёзного конструктора.
Таким программам доступно всё: проверка прочности, определение собственных и
вынужденных колебаний, течение жидкости, теплопередача и многое другое.
Многократно статически неопределимые задачи стержневых систем для них -
семечки.
Порядок работы в таких программах для конструктора-механика вкратце сводится к
следующему.
-
Строится трёхмерная модель детали или сборки. Большинство современных
проектных программ выдают файлы, совместимые с последующими расчётными
программами. Модель можно построить и в самом «расчётчике» - результаты будут
точнее, но обидно дублировать то, что уже сделано.
-
Убирается всё лишнее, что утяжелит расчёты, но точности не прибавит. Уже на
этом этапе важно понимать не только сопроматную суть задачи, но и принцип
построения конечно-эелементной модели.
-
Вводятся связи (ограничения), свойства материала, усилия, температурные
изменения и другие факторы. Всё это делается вручную, никто, кроме конструктора
не решит, по какой площади распределена нагрузка и как она направлена! Никто не
подскажет, как направить реакции от соседних тел! Самому придётся переводить
вязкость или жесткость из метрической системы в американскую, или из СИ в
техническую.
-
Модель пронизывается сеткой конечных элементов. И на этом этапе нужно чётко
представлять, какие элементы бывают, какие из них отвечают условиям данной
задачи, какие лучше представят явления на краю отверстия или в переходной зоне
стыка разных толщин.
-
Расчёт и представление результатов. Вот здесь во все красе можно увидеть
напряжения, деформации, температуру, зоны ламинарного течения и прочее. Можно
включить анимацию и понаслаждаться раскачиванием строительной вышки или
крушением рекламного щита. Одна беда: нужно понимать, какие именно напряжения
посчитала программа, опасны ли деформации, и можно ли вообще верить тому, что
на экране.
Картинка ниже приведёт Вас на страничку, где я собрал лишь малую толику
несуразностей, выданных программами-расчётчиками.
Кто-то из пользователей лицензионной версией то ли ANSYS, то ли MSC NASTRAN,
сказал мне, что сопровождающая программу литература занимает книжную полку.
Столько тонкостей нужно понимать, чтобы не сделать в таких программах роковой
ошибки. К сожалению, в наших магазинах упомянутые серьёзные пакеты отражены не
более чем 1-2 книгами на русском языке. К еще большему сожалению, берутся за
серьёзные расчёты в таких программах люди, лишь в общих чертах представляющие
себе механику.
Очень часто в конструировании требуются не расчёты, а быстрые оценки того или
иного решения. Здесь на помощь приходит опыт проведения расчётов. Причём
ручных, по формулам, так как именно поиграв с ними, начинаешь чувствовать, как
влияет на результат тот или иной параметр. Вдобавок - овладеваешь некоторыми
хитростями или стандартными правилами.
Ферма полукозлового крана. Что можно сказать о пронумерованных стержнях?
Ответ предельно прост. Все эти стержни - нулевые! Иначе говоря, усилия в этих
стержнях, вызванные заданными нагрузками, равны нулю. Усилие в стержне №1 равно
нулю, так как реакция подвижной опоры, к которой подходит этот стержень,
направлена строго вверх - таковы особенности подвижных опор. Разумеется,
равновесие этой опоры возможно только при ответной силе, направленной вниз.
Будь хоть какое-то усилие в стержней №1 - появилась бы наклонная сила вдоль
этого стержня, и равновесие было бы нарушено.
Стержни №2 и №3 находятся в одинаковых условиях: они приходят в те узлы фермы,
где на одной прямой лежат два других стержня. Разумеется, равновесие такой
системы сил возможно только при нулевой боковой силе.
Можно ли просто удалить эти стержни из фермы? Конечно - нет! Стержень 1
начнёт играть свою роль, когда появятся боковые нагрузки на "ногу" крана.
Стержень 2 пригодится как дополнительная поддержка вертикального стержня "ноги"
- чтобы уменьшить его приведённую длину при работе на продольный изгиб. А вот
стержень 3 - пустая трата металла.
Конечно, такая "летучая" оценка эскиза будущей фермы основана на моём опыте
аналитических расчётов множества других ферм. Никакие компьютерные расчёты
такого навыка не подарят.
Эта страница моего сайта получилась предупреждающе-пугающей. Конечно, описать в
нескольких строках всё разнообразие задач теоретической механики, сопротивления
материалов и других наук, которыми должен уметь пользоваться настоящий
конструктор, невозможно. Мне лично приходилось и производные брать, определяя
минимальное натяжение троса, и кубические уравнения решать, привлекая для
простоты программу Advanced Grapher. Серьёзное конструирование – это
непрерывные расчёты!
Но создавать металлоконструкции, машины, станки, гидротехнику и прочее можно,
повторяю, и без них. Что и делается в большинстве случаев. Что это за машины и
станки – решать Вам.
|
|
|
