Лабораторно упражнение N

<<назад съдържание® напред>>

Лабораторно упражнение № 15

ВИЗУАЛЕН АНАЛИЗ НА РАВНИННИ МЕХАНИЗМИ

1. Увод

Компютърният визуален анализ на механизми съдържа в основата си най-обикновените опит на ежедневието за работа с визуална информация. Да предположим пред нас е текст с условие на задача и чертеж към нея. С какво се започва решението. Отначало работят очите - те четат букви и линии върху чертежа. Тази визуална информация се предава на централния процесор - мозъка, който осъзнава смисъла заложен в текста и графичните образи. Запомняйки тази информация ние се обръщате към отдавна натрупаните знания в паметта - хипотези, закони, теореми, алгоритми, геометрични построения и др. Съпоставяме изходните данни с търсения резултат, прехвърляме варианти, съставяме план за решение на задачата, разбиваме всичко на отделни операции. Ако е необходимо коригираме. Следват команди към ръцете за изпълнение. Ръцете с помощта на лист хартия, молив, чертожни прибори и др. нанасят текст и графика за отговор на задачата, т. е създават визуалната информация.

Механизмите винаги присъстват в различните устройства като окачването на автомобила, управлението на същия, в селскостопанските и строителните машини, обработващите машини, принтерите и къде ли не? При обикновеното некомпютърно проектиране на механизми се налага да се изпълнят множество от пресмятания и чертежи, които в основата си оценяват различни показатели на проектирания механизъм. Ако проведените пресмятания не доведат до удовлетворителни резултати, всичко се повтаря отново. Понякога отиват седмици напрегната работа на цял екип от инженери. Решението на задачи от този тип, съдържащи голямо количество визуална информация е подходяща задача за компютрите от зората на съществуването им.

Масовото приложение през последните петнадесет години на графичните операционни системи (MacOS, Windows и др.), подържани от относително евтини компютри и монитори, както и на визуалните езици за програмиране (Visual Basic, Visual C и др.), стана естествена среда за разпространение на визуални приложения за анализ и синтез на механизми (IMP, Joint, MGA, SAM, RUNMEC, TADSOL и др.), разработени много преди това. Стана възможно използването им включително и в домашни условия. С тези визуални приложения се общува чрез графичен потребителски интерфейс (GUI) - чрез мишка.

2. Общи понятия за визуалния анализ

Визуалните приложения за анализ на механизми, могат успешно да се използват само от хора с добра подготовка по анализ и синтез на механизми и машини, с развито и раздвижено пространствено мислене, както и сравнително богат опит за работа в графична операционна система например Windows.

Всяко визуално приложение за анализ на механизми покрива определено множество от механизми:

· равнинни или пространствени

· с една или няколко степени на свободи

· с отворени или затворени кинематични вериги и др.

В основата на всяко визуално приложение за анализ на механизми има концепция, която съдържа:

· минимален брои инструменти за визуално създаване на структурата на механизма

· универсален аналитичен метод за анализ на топологията, кинематиката, кинетостатиката и динамиката на механизми от определено множество

· удобна и гъвкава структура на база от данни необходима за анализа и визуализацията

· система за контрол и визуална диагностика

· адаптивна система за визуализация на резултатите

· възможност за съвместна работа с други приложения

· възможност за работа в няколко операционни системи

· структура на визуалното приложение, която позволява развитието му.

Обикновено структурата на механизма се създава, чрез инструменти, оформени като икони съдържащи звена и кинематични двоици (фиг.1). Разполагането им върху работния лист (на монитора) става чрез мишката. Визуално получената кинематична структура, всъщност е план на положението в координатната система на работния лист и служи за запълване на базата данни необходими за топологичния и геометричния анализ на механизма. Данните необходими за кинетостатичния и динамичния анализ като маси, масови инерционни моменти, външни сили и моменти обикновено се допълват чрез диалогови кутии. Характерно е наличието на икони за пружини и демпфери, както и възможности за аналитично описание на сложни повърхнини, криви и позиционни или кинематични сили. Иконите са дублирани в стила на Windows и в менюто.

фиг.1 Примери на икони

Създадената визуално кинематична схема (съдържаща твърди тела и връзки без хлабини) и следващите върху нея анализи, запазват класическите понятия на ТММ. Топологичният анализ определя броя на подвижните звена, броя и вида на кинематичните двоици, реда и разположението на звената в кинематичните контури. Кинематичният, силовият и динамичният анализ почиват на добре разработени, за ЦЕИМ, от десетилетия аналитични методи от ТММ. Основни инструменти за това са трансформации на координатни системи чрез матрици, крайни елементи и др.

Работата в диалогов режим е основана на визуален изход върху монитор с възможности за извеждане на последователни положения, траектории, ходографи, геометрични, кинематични, кинетостатични, динамични характеристики. Налагане на изображения, увеличаване на такива, завъртане, копиране. Въвеждането на визуализацията намалява времето за многовариантен анализ на механизми, което в определено отношение зависи и от интуицията на потребителя.

При анализа системите за контрол и диагностика са много удобни с оформлението си като диалогови кутии за указване и отстраняване на груби грешки и сигнализация за особени положения и недефинирани параметри.

Базата от данни винаги е самоорганизираща се, с възможности за унищожение на станалите вече излишни данни при структурни промени и с ефектно използване на паметта основано на опита натрупан в зората на тези програми.

Към предимствата на визуалния анализ трябва да се добавят: бързото получаване на решения, бърза промяна на параметрите на звената, бързо изменение на структурата. Основен недостатък на универсалните приложения за визуален анализ е, че трудно могат да се използват за професионален синтез на механизми, например чрез оптимизация.

3. Равнинен визуален анализ на механизми

На фиг.2 е показан основния прозорец на приложение за визуален анализ на равнинни механизми. Студентската DEMO версия може да се зареди от Internet на адрес http://www.artas.nl/.

фиг.2 Прозорец на SAM

Освен общите Windows инструменти свързани със запомняне, отваряне, печат, то съдържа следните по основни инструменти и опции в менюто:

· свързани със структурата на механизма

beam - звено с въртящи двоици в двата края

node fixation - елементарни връзки със стойката

slider - плъзгаща връзка между две звена

· свързани с позиционния и кинематичния анализ

motion input - указване на начално звено

path - за указване на траектория на точка

hodograph - за ходограф на скоростта

· свързани с инерционните и външните сили

spring - еластичен елемент

damper - дисипативен елемент

force - сила

torque - момент

mass - маса на звено

inertia - масов инерционен момент

· свързани с цялостния анализ и визуализацията

analysis - позиционен, кинематичен, силов анализ

display/ animation - последователни планове на положението

results/graph - xy - хактеристики от анализа

На фиг.3 е показан основния прозорец на приложението Joint

фиг.3 Joint (http://www.mech.tu-graz.ac.at/mech/)

4. Цели на лабораторното упражнение

В края на лабораторното упражнение трябва да се достигнат следните умения

· да се съставят визуално равнинни кинематични вериги

· да се задават закони за движение на началните звена

· да се задават външни сили и моменти

· да се извършват кинематичен, кинетостатичен и динамичен анализ на механизми

· да се тълкуват резултатите от анализа

· да се представят графично резултатите

5. Възможности за елементарен синтез на механизми

Използвайки няколко итерации, чрез визуалния анализ може да се прави елементарен синтез на механизми, следвайки логиката на блок схемата от фиг.4.

фиг.4 Елементарен синтез на механизми

6. Практическа част

По указание на асистента с визуалното приложение MGA, SAM или др. се изпълнява следното:

· визуално създаване на механизъм, например някой от показаните на фиг.5

· определяне на задвижващото звено

· задаване на параметри на механизма, например маси, масови инерционни моменти, външни сили и моменти и др.

· анализ на механизма – кинематичен, силов, динамичен

· визуализация на движението му, траектории, ходографи

· визуализация на ху – характеристики

· промяна на параметри и нова визуализация

· промяна на структурата

· разпечатка на някои резултати

· оформяне на протокол

фиг.5 Примерни структури

<<назад съдържание® напред>>

ПРОТОКОЛ