Дипломная (вкр): Модернизация клещей автоматических для транспортировки одного рулона листовой стали с грузоподъемностью тридцать пять тонн

 , (4.6)

Функция , имеющая вид

 (4.7)

называется функцией формы.

Компоненты вектора - столбца  относительной деформации связаны с перемещениями соотношениями,

С другой стороны, используя (4.6) и (4.7), можно написать

 (4.8)

;

Перемещения связаны с соответствующими напряжениями законом Гука, который для случая плоского нагружения записывается в виде

, (4.9)

Уравнение (4.9) с учетом (4.6) принимает следующий вид

 (4.10)

Воспользуемся выражением для потенциальной энергии деформации элементарного объема. Тогда эта энергия, с учетом (4.10), определится из очевидного уравнения

. (4.11)

Выражение для объема в уравнении (4.11) представляет собой, в случае плоской задачи, произведение площади конечного элемента на его толщину.

Энергия деформации элемента объема может быть рассчитана иначе - как работа внешних сил. В качестве внешней нагрузки на элемент объема можно принять реакции приложенные к граням этого элемента, тогда

 (4.12)

Из уравнения (4.1) легко определить реакции, выполнив ряд очевидных сокращений, тогда

 (4.13)

 . (4.14)

Уравнение (4.13) представляет собой обычное уравнение равновесия, а матрица  является квадратной размерности 6х6. Она называется матрицей жесткости конечного элемента,

Элементы этой матрицы получаются решением матричного уравнения (4.14):

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

.

Глобальная матрица жесткости может быть найдена поэлементным суммированием матриц жесткости отдельных элементов и имеет размерность , где N - общее количество узлов разбиения.

Левую часть уравнения равновесия (4.13) составляет вектор силовых факторов , компоненты которого в количестве  равны силам, действующим в узлах. Учет распределенной нагрузки производится равномерным ее распределением по узлам, расположенным на границе.

.2 Использование трёхмерных моделей для расчёта изделий методами имитационного моделирования

Имитационное моделирование - создание электронной модели проектируемого объекта и экспериментирование с ней при заданных ограничениях. Целью таких экспериментов является определение оптимальных параметров модели.

Различают два метода имитации:

- Кинематическая - имитация процесса движения элемента объекта с целью определения столкновений (коллизий).

Динамическая - имитация процесса исследования поведения объекта при изменении действующих нагрузок и температур. В этом случае определяется теплонапряжённое состояние объекта, а также определение напряжённо - деформированного состояния объекта.

Последняя задача была решена давно. Для определения напряжённо - деформированного состояния могут использоваться методы имитационной физики, достаточно хорошо разработана теория метода математической физики. Эти методы позволяют получить достаточно точные результаты, только лишь при достаточно простой конфигурации объекта. При сложной конфигурации объекта в САПР используется метод конечных элементов (МКЭ).

4.3 Расчет напряженно - деформированного состояния детали «Траверса» в среде APM WinMachine

Проводим исследования напряженно-деформированного состояния, имитируя работу основания под действием сил веса установленных на нем агрегатов и приложенных к ним рабочих нагрузок.

Прежде всего необходимо сформировать твердотельную модель детали в среде Компас-3D в соответствии с рисунком 4.3:

Рисунок 4.3 - Трехмерная модель траверсы

Расчет детали «Траверса» проводится с использованием модуля APM Structure 3D программного комлекса APM WinMachine. Модуль APM Structure 3D рассчитывает напряженно-деформированное состояние стержневых, пластинчатых, оболочечных и твердотельных конструкций, а также их всевозможных комбинаций. APM Structure 3D является инструментом, с помощью которого можно произвести расчет всего многообразия существующих конструкций, используя для каждой последующей вариации вышеперечисленные макроэлементы.

Конструкции и их элементы импортируются в редактор конструкций через DXF-формат из 2D и 3D графических редакторов или напрямую через модуль APM STUDIO с подготовленной конечно-элементной сеткой и вариантами закрепления и нагрузки в соответствии с рисунком 4.4:

Рисунок 4.4 - Сетка нагружения и закрепления

Условия закрепления конструкции и внешней нагрузки произвольные по характеру и местоположению.

Модуль позволяет решать следующие задачи:

определение полей эквивалентных напряжений и их составляющих;

расчет линейных, угловых и результирующих перемещений;

определение внутренних усилий;

расчет устойчивости и формы потери устойчивости;

определение частот собственных колебаний и собственных форм;

расчет вынужденных колебаний;

автоматический подбор сечений из условий прочности, жесткости, устойчивости для металлоконструкций машиностроительного назначения;

проектирование узлов металлоконструкций;

автоматическая генерация номенклатуры элементов, составляющих конструкцию.STUDIO - модуль моделирования и импорта (поддерживается импорт из формата STEP) трехмерных поверхностных и твердотельных моделей с инструментами указания опор и приложения различных нагрузок и встроенным генератором разбиения на конечно-элементную сетку. Основное назначение модуля - подготовка смоделированной или импортированной геометрии к конечно-элементному анализу в модуле APM STRUCTURE 3D.

По цветной легенде, находящейся на рисунке 4.5 , можно определить максимальные значения того или иного параметра и сделать соответствующие выводы о прочностных характеристиках детали.

Рисунок 4.5 - Результаты расчета

В ходе расчетов, проведенных методом имитационного моделирования, были получены аппроксимированные результаты в соответствии с рисунками 4.6 и 4.7: наибольшие значения статического напряжения и деформационного растяжения, определенных разработчиком как допустимые при указанных нагрузках, деталь имеет необходимый запас прочности, требуемый для безопасного использования изделия в целом.

Рисунок 4.6 - Расчетная модель частот

Рисунок 4.7 - Результаты расчетов частоты колебаний

5. ОРганизационно-экономическая часть

.1 Оценка затрат на проведение модернизации.

) Выплата проектировщику детали будет составлять 30000 рублей единовременно.

) Приобретение лицензии на программное обеспечение системы APM WinMachine 220000 рублей.

) Приобретение компьютерного оборудования под установку программного обеспечения 80000 рублей.

.2 Анализ структуры затрат на производство траверсы по базовой технологии и по проектируемой

Расчет затрат - один из самых сложных и необходимых на любом промышленном предприятии. Он необходим для того, чтобы определить прямые производственные затраты выпускаемого изделия, а из них минимально допустимую цену продажи для положительного значения чистой прибыли.

Прежде, чем производить расчет, напомним основные принципы работы нашего предприятия. Намечается, что предприятие, рассматриваемое в данном курсовом проекте, будет иметь устойчивые связи с потребителями своих изделий, в связи с тем, что выпускает высококачественную и очень востребованную на рынке продукцию, спрос на которую по определенным причинам не убывает (хвостовики всех типов и размеров, бобышки, фланцы и др. изделия, применяемые при производстве своих изделий другими предприятиями). Было сказано, что предприятие работает в мелкосерийном режиме (см. п. 1.1), но это при выпуске только одного типоразмера изделия; в общей же сложности предприятие работает практически в безостановочном режиме, выпуская мелкосерийно все новую и новую продукцию.

5.2.1 Расчет материальных затрат

Расчет затрат на основные материалы [10].

Основным материалом для производства, т.е. первичной заготовкой, поступающей на предприятие от поставщика, является литая заготовка. Данная заготовка и будет проходить технологический процесс обработки - второй этап изготовления изделия. Геометрические параметры заготовки (закупаемой у поставщика) будут определяться величиной дефектов поверхностного слоя и припусков на обработку. Заготовка имеет сложную конфигурацию, но ее масса уже определена и равна:

m = 2364,29, кг.

Затраты на основные материалы для изготовления одной единицы изделия ЗО.М., руб рассчитываются по следующей формуле:

ЗО.М. = C·m , руб, (5.1)

где С - цена стали 30Л (стоимость 1 кг), руб/кг;

m - масса первичной заготовки, кг;

С = 80 руб/кг (цена на 17.05.2016);

ЗО.М. = 80·2364,29 =189143,2, руб.

Затраты на основные материалы ЗО.М. = 189143,2 руб. на единицу изделия.

Затраты на вспомогательные материалы.

1.      Машинное масло, необходимое для смазывания механизмов станочного оборудования. Масло индустриальное И-40А. Стоимость 1 бочки 216,5 л - 8950 руб. На предприятии 13 единиц оборудования, требующего смазки. На каждую единицу положено 16 л масла, заменяемого каждый месяц. Таким образом, в месяц расходуется вся бочка. Ожидаемая производительность предприятия 6 единиц изделия в месяц. Тогда составляющая себестоимости на данный материал (затраты на машинное масло ЗМ.М., руб.) составит:

ЗМ.М. = 8950/6 = 1491,7, руб/изделие.

2.      Закалочное масло, необходимое как охлаждающая среда для термической операции. Масло закалочное МЗМ-16 ТУ 38.101135-88. Стоимость 1 бочки 216,5 л - 9790 руб. Для закалки изделий на предприятии достаточно 40 л масла, обновляемого каждый месяц. Затраты на закалочное масло ЗЗ.М., руб. составят:

,5/40 = 5,41 месяца, примем 5 месяцев, т.е. одной бочки хватит на 5 месяцев, тогда

ЗЗ.М. = 9790/5·6 = 326,33, руб/изделие.

Затраты на электроэнергию.

Затраты на электроэнергию ЗЭ.Э., руб. определяются следующим образом:

ЗЭ.Э. = CЭ.Э.·P·t , руб, (5.2)

где СЭ.Э.-тариф на электроэнергию для юридических лиц, СЭ.Э.= 3,79, руб/кВт·ч;

P - мощность оборудования, кВт;

t - время обработки, ч.

. Электрическая нагревательная печь (обрабатывает 2 изделия одновременно).

Мощность P = 9,5 кВт; работает и не отключается в течение всей рабочей недели, отключается в 00:00 в субботу и вновь включается в 00:00 в воскресенье (время нагрева/остывания около суток), т.е. работает 6 дней в неделю; расчет будет произведен по 1 неделе; ожидаемая производительность предприятия 1,5 единиц изделия в неделю;

ЗЭ.Э.1 = 3,79·9,5·6·24/1,5 = 3456,48, руб/изделие.

. Станок токарный 16К20, 1 единица.

P = 10 кВт; t = 136,87 мин = 2,28 ч;

ЗЭ.Э.2 = 3,79·10·2,28 = 86,41, руб/изделие.

. Станок вертикально-фрезерный 6Р13Ф3-01, 1 единица.

P = 8 кВт; t = 93,44 мин = 1,56 ч;

ЗЭ.Э.3 = 3,79·8·1,56 = 47,29, руб/изделие.

. Станок вертикально-сверлильный 2Р135Ф2, 1 единица.

P = 5 кВт; t = 90,24 мин = 1,5 ч;

ЗЭ.Э.4 = 3,79·5·1,5 = 28,42, руб/изделие.

. Электрическая печь для термической обработки: закалка и низкий отпуск

P = 9 кВт; печь работает аналогично нагревательной печи;

ЗЭ.Э.5 = 3,79·9·6·24/1,5 = 3274,56, руб/изделие.

. Станок плоскошлифовальный 3Г71М, 1 единица.

P = 2 кВт; t = 27,24 мин = 0,45 ч;

ЗЭ.Э.6 = 3,79·2·0,45 = 3,41, руб/изделие.

. Станок круглошлифовальный 3В110, 1 единица.

P = 2,5 кВт; t = 21,32 мин = 0,36 ч;

ЗЭ.Э.7 = 3,79·2,5·0,36 = 3,41, руб/изделие.

. Станок координатно-расточной 2450, 1 единица.

P = 2,4 кВт; t = 32 мин = 0,53 ч;

ЗЭ.Э.8 = 3,79·2,4·0,53 = 4,82, руб/изделие.

Кроме всего перечисленного на предприятии, конечно, есть и другие затраты на электроэнергию. Приведем три основные:

. Затраты на освещение цеха.

Суммарная мощность общего освещения 10 кВт,

Суммарная мощность местного освещения 1,6 кВт;

освещение работает в среднем 15 ч в сутки 5 дней в неделю; произведем расчет затрат на одну неделю:

ЗЭ.Э.9 = 3,79·(10+1,6)·15·5/1,5 = 2198,2, руб/изделие.

. Затраты на работу кран-балок.

Суммарная мощность обеих кран-балок 12 кВт;

кран-балки в общей сложности работают непрерывно в среднем 2 ч в сутки 5 дней в неделю:

ЗЭ.Э.10 = 3,79·12·2·5/1,5 = 303,2, руб/изделие.

. Затраты на работу автопогрузчиков, работающих на электроаккумуляторах, заряжаемых от электросетей предприятия.

Не более 200 кВт·ч в неделю.

ЗЭ.Э.11 = 3,79·200/1,5 = 505,33, руб/изделие.

Суммарные затраты на электроэнергию ЗЭ.Э, руб/изделие:

ЗЭ.Э = ЗЭ.Э.1+ЗЭ.Э.2+ЗЭ.Э.3+ и т.д., руб/изделие,

ЗЭ.Э.=3456,48+86,41+47,29+28,42+3274,56+3,41+3,41+4,82+2198,2+