Fakulta Aplikovaných V d
BAKALÁ SKÁ PRÁCE Vlek pro p epravu sportovních plachetnic
Plze , 2009
Václav Syná
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalá skou práci zpracoval samostatn% a že jsem uvedl všechny použité prameny a literaturu, ze kterých jsem erpal.
V Plzni dne ………………..
…………………………………….... podpis
I
Pod kování P edevším bych cht%l pod%kovat panu Ing. Miroslavu Horákovi, PhD., za jeho odborné rady, poskytnuté materiály a as, který v%noval tvorb% této bakalá ské práce. Také bych rád pod%koval panu Ing. Robertu Zem íkovi, PhD., za jeho cenné rady v pr2b%hu tvorby této práce.
II
Abstrakt P edkládaná bakalá ská práce se zabývá vytvo ením výpo tového modelu vleku za osobní automobil, pro p evoz dvou sportovních plachetnic. Hlavním cílem práce bylo vytvo ení modelu vleku a provedení statických pevnostních analýz rámu pro r2zné varianty zatížení. Práce je len%na do t í kapitol. První se zabývá metodou kone ných prvk2 (MKP) a výpo tovým modulem Pro/MECHANICA Structure. Ve druhé kapitole je uvedena tvorba modelu vleku, jeho komponent a návrh mechanismu pro jednoduché nakládání. Ve t etí kapitole jsou rozebrány zp2soby zat%žování konstrukce, okrajové podmínky a jsou zde uvedeny výsledky pevnostních analýz.
III
The Abstract Presented bachelor thesis disserts upon a creating of a computational model of a trailer for a passenger vehicle. This trailer is used for transport of two sport sailboats. The main purpose of this thesis was to create a model of a trailer and design a static strength analysis for different types of frame loads. The thesis consists of three chapters. The first chapter is about finite element method (FEM) and about computational module Pro/MECHANICA Structure. The second chapter describes creating of the trailer and its components and contain design of a mechanism for simple loading. The third chapter concerns the various kinds of frame loads, boundary conditions and discusses results of the strength analysis.
IV
Obsah Prohlášení
.
.
.
.
.
.
.
.
I
Pod kování
.
.
.
.
.
.
.
.
II
Abstrakt .
.
.
.
.
.
.
.
.
III
The Abstract
.
.
.
.
.
.
.
.
IV
Obsah .
.
.
.
.
.
.
.
.
V
Seznam obrázk .
.
.
.
.
.
.
.
VI
Seznam tabulek .
.
.
.
.
.
.
.
VII
Úvod
.
.
.
.
.
.
.
.
1
1.
Teoretický úvod .
.
.
.
.
.
.
2
.
.
.
.
.
2
.
.
3
.
1.1.
Metoda kone ných prvk
1.2.
Charakteristika modulu Pro/MECHANICA Structure
1.2.1.
P-metoda
1.2.2.
Geometrické prvky
2.
.
Tvorba modelu .
.
.
.
.
.
.
3
.
.
.
.
.
.
4
.
.
.
.
.
.
6
2.1.
Konstrukce vleku a jeho komponent
.
.
.
.
6
2.2.
Model nakládacího mechanismu .
.
.
.
.
11
.
.
.
.
13
.
.
.
.
13
3.1.1.
Výpo et silových okrajových podmínek .
.
.
.
13
3.1.2.
Výsledky pevnostní analýzy
.
.
.
.
15
Zatížení rámu vleku p0i pr jezdu zatá kou
.
.
.
17
3.2.1.
Výpo et silových okrajových podmínek .
.
.
.
19
3.2.2.
Výsledky pevnostní analýzy
.
.
.
21
.
.
.
23
3.
Pevnostní analýzy konstrukce 3.1.
Statické zatížení rámu vleku nákladem
3.2.
3.3. Záv r
.
.
.
.
Statické zatížení rámu vleku p0i zdvihání lod1 .
.
Seznam použité literatury
.
.
.
.
.
.
.
26
.
.
.
.
.
.
27
V
Seznam obrázk) Základní typy objemových element2
.
.
4
SíD vytvo ená automaticky modulem Pro/MECHANICA Structure
.
.
5
Plachetnice t ídy Pirát
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
6
Konstrukce jednopatrového vleku .
.
.
.
.
.
7
.
.
.
.
7
Model rámu vleku v etn% nástavby a výztuh Model vleku
.
.
.
.
.
.
.
.
8
Celková sestava naloženého vleku .
.
.
.
.
.
8
P ední uložení manipula ních vozíku v hlavním rámu
.
.
.
9
Uložení horního vozíku na p í ce ( erven% ozna ené)
.
.
.
10
Uložení spodního vozíku v "zámku" ( erven% ozna ené)
.
.
.
10
Nakládací navijáky
.
.
.
.
.
.
.
11
Vedení zdvihacích lan mechanismu
.
.
.
.
.
12
Schéma uložení manipula ního vozíku v hlavním rámu
.
.
.
13
Okrajové podmínky na konstrukci rámu
.
.
.
.
15
.
.
.
.
15
Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 26 MPa)
.
.
.
16
Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 30 MPa)
.
.
.
16
.
.
.
18
Schéma uložení manipula ního vozíku v hlavním rámu
.
.
.
20
Okrajové podmínky na konstrukci rámu
.
.
.
21
Rozložení nap%tí dle HMH – zatížení odst edivou silou vozík2
.
.
21
Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 73 MPa)
.
.
.
22
Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 90 MPa)
.
.
.
22
.
.
.
23
Rozložení nap%tí dle HMH – zatížení p i vytahování horní lod%
.
.
24
Kritické místo v konstrukci, dle HMH (max 40 MPa)
.
.
24
.
Rozložení nap%tí dle HMH – svislé zatížení
Poloha t%žišt% naloženého vleku
.
Okrajové podmínky na konstrukci rámu
.
.
.
.
.
.
VI
.
Seznam tabulek Uložení manipula ních vozík2
.
.
.
.
.
.
14
Hodnoty odst edivých sil p2sobících na naložený vlek
.
.
.
19
.
.
.
19
Hodnoty odst edivých sil p2sobících na manipula ní vozík v etn% trupu lod%
.
.
.
.
VII
Úvod P edkládaná bakalá ská práce se zabývá vytvo ením výpo tového modelu vleku za osobní automobil, pro p evoz dvou sportovních plachetnic t ídy Pirát. Hlavním cílem práce bylo vytvo ení modelu vleku, navrhnutí mechanismu pro jednoduché nakládání a provedení statických pevnostních analýz rámu pro r2zné varianty zatížení. Zvláštní d2raz byl kladen na snadnou manipulaci p i nakládání a vykládání lodí a také na jednoduché, a p itom bezpe né uložení p epravovaných lodí v rámu vleku. Pirát je dvouposádková plachetnice s hlavní plachtou, kosatkou a spinakrem. Jedná se o sportovní plachetnici využívanou pro závodní jachting. Tato lodní t ída je velice oblíbená hlavn% ve st ední a západní Evrop%, p edevším pro svoji robustnost, trvanlivost trup2 a jednoduchou ovladatelnost. Díky t%mto vlastnostem je t ída velice asto využívána pro nácvik základních dovedností mladých jachta 2. Robustnost konstrukce s sebou nese hlavní nevýhodu proti moderním lodním t ídám, kterou je zna ná hmotnost lod%. Kompletní loL p ipravená k plavb% váží tém% 250 kg. To s sebou nese zásadní problémy p i manipulaci s lodí po b ehu a p i transportu lodí na závody. Trupy plachetnic jsou obvykle p epravovány na regaty na speciálních jednoú elových vlecích za osobními automobily. Sou ástí vleku je i tzv. „manipula ní vozík“ ur ený jednak k bezpe nému uložení samotného trupu lod% p i p eprav%, ale p edevším k manipulaci na b ehu a spoušt%ní lodí do vody. Vzhledem ke zna né hmotnosti trup2 lodí lodní t ídy Pirát je nakládání a vykládání fyzicky zna n% náro ná operace, která vyžaduje p ítomnost nejen samotných posádek, ale i asistenci dalších osob. P edstavovaná konstrukce vleku umož uje p epravu dvou trup2 plachetnic nad sebou. Zvláštní d2raz byl kladen na snadnou obsluhu p i nakládání a vykládání tak, aby tuto operaci zvládly samotné posádky p epravovaných lodí.
1
1. Teoretický úvod V této kapitole jsou uvedeny informace o historii metody kone ných prvk2 (MKP) a o výpo tovém modulu Pro/MECHANICA Structure. Tento modul je sou ástí celého balíku produkt2 firmy PTC. Umož uje simulovat, vyhodnocovat a optimalizovat strukturální chování výrobk2 v oblasti statiky, vlastních frekvencí, dynamiky a dalších. Výsledkem jsou nap . informace ohledn% nap%tí a deformací.
1.1. Metoda kone/ných prvk) MKP je numerická metoda sloužící k simulaci rozložení nap%tí, deformací, tepla, jev2 elektromagnetismu, proud%ní tekutin atd. na vytvo eném modelu. Její princip spo ívá v diskretizaci neboli rozd%lení spojitého kontinua do ur itého (kone ného) po tu prvk2, p i emž hledané parametry jsou ur ovány v jednotlivých uzlových bodech. V technické praxi je metoda užívána p edevším pro kontrolu již navržených za ízení, nebo pro stanovení kritického (nejnamáhan%jšího) místa konstrukce [1]. Metoda vznikla v období kolem roku 1956 ve výzkumném ústavu aeronautické a kosmické mechaniky v Ohiu v USA. Zkoumání a vyvinutí této numerické metody je následkem požadavku programu Apollo v oblasti vývoje a konstrukce nosných raket. P i rozsáhlém a velice drahém projektu se po rozboru zjistilo, že se úkol pomocí experimentu nedá splnit. Za alo se tedy pracovat na vývoji numerické metody, která by pot ebné výpo ty byla schopna provést. Tento výzkum a jeho výsledky byly nadále využity v projektech letadel, ponorek, raket atd. Díky tomu byla metoda a její detaily utajena. Je zajímavé a paradoxní, že inžený i metodu úsp%šn% používali po n%kolik let a až poté byla matematiky dokázána a potvrzena konvergence. Výpo ty tedy byly do té doby matematicky nepodložené. Ve ejn% do civilního sektoru se metoda kone ných prvk2 rozmohla v 60. – 70. letech. Za pomoci této metody se v dnešní dob% eší mnoho úloh, které nebylo možné d íve realizovat. Jelikož je metoda kone ných prvk2 velice obecná, m2žeme jí ešit problémy, které
2
se nutn% nemusí týkat jen mechaniky. Je použitelná i v p ípade ešení problém2 v oblasti proud%ní, ší ení tepla, zá ení elektromagnetických polí atd. V pr2b%hu rozvoje metody kone ných prvk2 se za alo objevovat mnoho program2, které daný algoritmus obsahovaly. Vývoj t%chto program2 byl p edevším na univerzitách, kde se MKP používala a zkoumala. Už v pr2b%hu 60. let se však stále
ast%ji používalo
vyvinutého softwaru k ešení inženýrských problém2, vycházejících p ímo z požadavk2 pr2myslové praxe. Zájem o nový výpo tový prost edek pak p irozen% vedl k rozvoji program2 na ist% komer ní bázi. Tém% všechny programy na bázi MKP mají p2vod ješt% v dob% sálových po íta 2. V dnešní dob% je složité p ijít na trh s novým produktem, který není postupem asu ov% en a v podstat% nemá historii. Jednou výjimek je systém Pro/MECHANICA, který p išel na trh až v pr2b%hu 90. let s nezvyklou koncepcí základního algoritmu MKP [2].
1.2. Charakteristika modulu Pro/MECHANICA Structure Modul Structure je p ímo propojen se systémem Pro/ENGINEER, z
ehož plyne,
že veškeré modely vytvo ené v programu PRO/ENGINEER lze okamžit% analyzovat. Model je možné vytvo it i v jiném programu, jako je nap íklad Autodesk Inventor, a importovat ho do programu Pro/ENGINEER. Modul je vybaven automatickou tvorbou sít%. Generuje automaticky síD geometrických prvk2 a obsahuje funkci pro optimalizaci sít%. Okrajové podmínky je možné zadávat na plochy, k ivky a nebo body. Bodové zatížení nebo okrajové podmínky s sebou nesou riziko zvýšeného nap%tí – fungují totiž jako nap%Dový koncentrátor, v praxi takovéto zatížení nebo okrajová podmínka reáln% nenastane. 1.2.1. P-metoda V%tšina moderních komer ních program2 používá p i výpo tu pro zp esn%ní tzv. adaptivní metody.
3
Adaptivní metody na bázi MKP používají pro zp esn%ní výsledk2 algoritmus modifikující kone n%prvkovou síD. Nejpoužívan%jší jsou tyto 4 metody: a)
R-metoda:
pracuje s pohyblivými uzly v síti
b)
H-metoda:
upravuje síD zahušDováním element2
c)
P-metoda:
m%ní stupn% polynomu
d)
HP-metoda: kombinace H a P metody
Modul Pro/MECHANICA Structure, využívá adaptivní P-technologii (P-metodu). P i aplikaci P-metody nedochází k zp esn%ní výpo tu zhušt%ním sít% v kritických místech, nýbrž zvyšováním stupn% polynomu. Zvyšováním stupn% polynom2 samoz ejm% nar2stá po et rovnic, který je nutné ešit a tím pádem i asová a hardwarová náro nost výpo tu. Náro nost výpo tu, resp. Po et element2 v generované síti, p ímo ovliv uje množství detail2, které se v konstrukci objevují. Jedná se p edevším o r2zná zaoblení (radiusy), otvory apod. P ed generováním sít% je proto vhodné model zjednodušit vypušt%ním t%chto prvk2. P i vyhodnocení výsledk2 musí být ovšem na toto zjednodušení brán z etel. 1.2.2. Geometrické prvky Jak již bylo e eno, modul Pro/MECHANICA Structure používá algoritmus na bázi MKP. Jde tedy o rozd%lení modelu na elementy, kterých je kone ný po et a p esn% vypl ují a respektují objem a tvar modelu [2]. Je možné použít t i základní typy element2: 1) elementy typu Solid: Jsou to objemové elementy existující ve t ech základních typech: Tetrahedron, Wedge a Brick.
Brick
Wedge
Tetrahedron
Obrázek . 1 – Základní typy objemových element2
4
Není však možné síD automaticky vytvo it nap íklad pouze z geometrického prvku Wedge nebo Brick. Algoritmus tvorby sít% používá pouze ur ité kombinace a to: a)
Tetrahedron
b)
Tetrahedron, Wedge
c)
Tetrahedron, Wedge, Brick
Hlavním a nej ast%ji používaným objemovým prvkem v modulu Structure je tetrahedron – neboli ty st%n. 2) elementy typu Shell: Tento typ element2 se využívá v p ípad%, že se jedná o tenkost%nný nebo plošný model. Použít tento typ element2 je výhodné, pokud jeden rozm%r (tloušDka) je mnohem menší, než rozm%ry ostatní. 3) elementy typu Beam: Tento typ element2 je použit v p ípad% že pr2 ezové rozm%ry jsou mnohem menší než jejich délka. Model je tedy vytvo en pouze k ivkami a body, kterým je posléze p i azen pr2 ez s pat i nými rozm%ry.
Na obrázku íslo 2 je ukázka automaticky vygenerované sít% na ásti 3D modelu dvoupatrové konstrukce vozíku.
Obrázek . 2 – SíD vytvo ená automaticky modulem Pro/MECHANICA Structure
5
2. Tvorba modelu Tato kapitola je v%nována tvorb% konstrukce vleku a jeho komponent (náprava, manipula ní vozíky, trupy lodí). Trupy plachetnic se obvykle p epravují na speciálních jednoú elových vlecích za osobními automobily. Sou ástí vleku je manipula ní vozík ur ený jednak k bezpe nému uložení samotného trupu lod% p i p eprav%, ale p edevším k manipulaci na b ehu a spoušt%ní lodí do vody. P edstavovaná konstrukce umož uje p epravu dvou trup2 sportovních plachetnic t ídy Pirát nad sebou. Vzhledem ke zna né hmotnosti trup2 byl kladen zvláštní d2raz na snadnou obsluhu p i nakládání a vykládání do a z vleku a bezpe né uložení nákladu.
2.1. Konstrukce vleku a jeho komponent Konstrukce vychází z komer ního jednopatrového vleku (viz obrázek íslo 4) na který byla p idána nástavba pro uložení druhé lodi. Vzhledem p edpokládanému zatížení byla pro vlek zvolena náprava AL-KO B850-10 firmy Kobras [3]. Jedná se o bržd%nou nápravu pro jednonápravové vleky s nosností 1000 kg.
Obrázek . 3 – Plachetnice t ídy Pirát 6
Obrázek . 4 – Konstrukce jednopatrového vleku
Obrázek . 5 – Model rámu vleku v etn% nástavby a výztuh
7
Obrázek . 6 – Model vleku
Obrázek . 7 – Celková sestava naloženého vleku
8
Vozíky jsou v rámu vleku upevn%ny ve t ech bodech. D2raz byl kladen na to, aby oba manipula ní vozíky byly identické, tedy aby bylo možné naložit loL na stejném manipula ním vozíku do horního i spodního patra vleku. V p ední ásti je vozík upevn%n pomocí standardní „botky“ na „kouli“, tak jako b%žný vlek za osobním automobilem. Toto ešení navíc umož uje použít osobní automobil pro usnadn%ní manipulace s vozíkem po b ehu a p ípadné vytažení vozíku s trupem z vody, nebo spušt%ní do vody. V zadní ásti je horní vozík uložen na tvarové p í ce, která se do konstrukce vkládá až po jeho vyzvednutí. Spodní vozík zapadne v zadní ásti do „zámk2“, které jsou sou ástí hlavního rámu.
Obrázek . 8 – P ední uložení manipula ních vozíku v hlavním rámu
9
Obrázek . 9 – Uložení horního vozíku na p í ce ( erven% ozna ené)
Obrázek . 10 – Uložení spodního vozíku v „zámku“ ( erven% ozna ené)
10
2.2. Model nakládacího mechanismu Vzhledem ke zna né hmotnosti trup2 byl kladen zvláštní d2raz na snadnou obsluhu p i nakládání a vykládání do a z vleku. Cílem bylo, aby naložení nákladu zvládly posádky p epravovaných lodí bez pomoci okolí.
Obrázek . 11 – Nakládací navijáky
Nakládání probíhá ve t ech fázích. Nejprve je do vleku „vtažena“ první loL i s vozíkem pomocí malého navijáku v p ední ásti vleku (viz obrázek íslo 8). Poté je lano odpojeno a loL je vyzdvižena do horního patra vleku. K vyzdvižení horního manipula ního vozíku slouží v%tší naviják který navíjí sou asn% t i lana. První lano zvedá p ední
ást manipula ního vozíku zav%šenou na posuvném
mechanismu v p ední stojin%. Zbylá dv% lana zdvihají zadní ást vozíku. Tato lana jsou vedená podél hlavního rámu vleku a jeho nástavby kladkami. Po vyzdvižení je pod vozík v zadní ásti umíst%na p í ka, která slouží k uzam ení vozíku v požadované poloze. Zdvihací lana jsou poté uvoln%na.
11
Následuje „vtažení“ spodní lod% do vleku pomocí malého navijáku. Spodní vozík v zadní ásti pouze „zapadá“ do zámk2.
Obrázek . 12 – Vedení zdvihacích lan mechanismu
12
3. Pevnostní analýzy konstrukce V této kapitole budou uvedeny zp2soby zatížení konstrukce vleku, okrajové podmínky a samoz ejm% výsledky pevnostních analýz. Trup plachetnice s p íslušenstvím (plachty, kulatiny, ploutev, kormidlo) na manipula ním vozíku váží cca 310 kg.
3.1. Statické zatížení rámu vleku nákladem Jak již bylo uvedeno v kapitole 2.1. jsou manipula ní vozíky v rámu vleku uloženy ve t ech bodech. I p esto, že jsou oba manipula ní vozíky identické, liší se jejich uložení v zadní
ásti rámu. Horní vozík leží na tvarové p í ce, která se do konstrukce vkládá
až po jeho vyzvednutí. Spodní vozík zapadá v zadní ásti do „zámk2“, které jsou sou ástí hlavního rámu vleku.
3.1.1. Výpo/et silových okrajových podmínek Volba silových okrajových podmínek respektuje p2sobení vozík2 v etn% nákladu na konstrukci rámu vzhledem k jejich uložení. Velikost zát%žné síly Fg = 3100 N.
Obrázek . 13 – Schéma uložení manipula ního vozíku v hlavním rámu
13
l a b
Horní vozík 3139 mm 2480 mm 659 mm
Spodní vozík 3391 mm 2480 mm 911 mm
Tabulka . 1 – Uložení manipula ních vozík2
Horní manipula/ní vozík Ra * l
Fg * b = 0
Ra = 655 N Rb * l
Fg * a = 0
Rb = 2450 N Rb = 1225 N 2
Rc = Rd =
Spodní manipula/ní vozík Ra * l
Fg * b = 0
Ra = 835 N Rb * l
Fg * a = 0
Rb = 2270 N Rc = Rd =
Rb = 1135 N 2
Vypo tené síly jsou aplikovány jako silové okrajové podmínky v místech uložení vozík2. Dále je pot eba definovat okrajové podmínky v míst% sp áhla se záv%sem osobního automobilu a v míst% nápravy. Samotná náprava, resp. Její pohyblivé ásti, nebyla p edm%tem výpo tu. Okrajová podmínka je proto definována na p í ce spojující bo ní plechy nápravy (viz obrázek íslo 14).
14
Obrázek . 14 – Okrajové podmínky na konstrukci rámu
3.1.2. Výsledky pevnostní analýzy
Obrázek . 15 – Rozložení nap%tí dle HMH – svislé zatížení
15
Obrázek . 16 – Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 26 MPa)
Obrázek . 17 – Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 30 MPa)
16
Nutno p ipomenout, že se jedná o zjednodušený model. Maximální nap%tí (30 MPa) se objevuje v „ostrých“ p echodech, kde došlo k vypušt%ní zaoblení a svar2. V blízkém okolí t%chto roh2 nap%tí ale rychle klesá. Okolí t%chto kritických míst by m%lo být p edm%tem dalšího zkoumání. Konstrukce vozíku je ocelová s žárov% pozinkovaným povrchem. Jako nejvhodn%jší byla vybrána ocel 11 523. Její výhodou je vyšší mez pevnosti (Rm), která je p ibližn% 520 MPa
a
vyšší
0,7 * Rm = 0,7 * 520 = 364 MPa
mez
kluzu
(Re),
která
je
p ibližn%
360 MPa . V tomto p ípad% konstrukce zatížená nákladem
vyhovuje s bezpe ností 12.
k=
Re
=
MAX
360 = 12 30
3.2. Zatížení rámu vleku p?i pr)jezdu zatá/kou Další výpo et se týkal zatížení rámu vleku v zatá ce odst edivou silou. Jak již bylo zmín%no, každý manipula ní vozík s plachetnicí váží p ibližn% 310 kg. Celková hmotnost naloženého vozíku (tj. hmotnost vleku a dvou manipula ních vozík2 s plachetnicemi) iní p ibližn% 900 kg. Rozchod nápravy Kobras AL-KO B850-10 iní 1800 mm. Výška t%žišt% naloženého vleku nad vozovkou je 1160 mm. Poloha t%žišt% je zobrazena na obrázku íslo 18. Výpo tem ur íme maximální velikost odst edivé síly, která m2že p2sobit na vlek tak, aby ješt% nedošlo k jeho p eklopení na bok. Mezní velikost odst edivé síly je FMAX = 6500 N. Zanedbán byl také „propad“ nápravy a s tím související mírné naklon%ní celého vleku ve sm%ru odst edivé síly.
17
Obrázek . 18 – Poloha t%žišt% naloženého vleku Jako referen ní byla zvolena zatá ka o polom%ru 70 m a rychlost 80 km/h. P i této rychlosti p2sobí na vlek odst edivá síla FDV., která je menší než mezní síla FMAX a vlek se tedy nep evrátí. Nutno podotknout, že tato rychlost je zna n% vysoká a v praxi by pravd%podobn% znamenala ztrátu kontroly nad soupravou.
FDV .
80 900 * 2 m*v 3,6 = = 70
2
=
900 * 493,827 70
6349 N
V tabulce 2 jsou vyhovující rychlosti, kterými je možné zatá ku projet, aniž by se vlek p evrátil, ozna eny sv%tle zelenou barvou. V tabulce 3 jsou uvedeny velikosti odst edivých sil p2sobící na lod% na manipula ních vozících pro vyhovující rychlosti pr2jezd2 zatá ek.
18
Polom r (m) Rychlost (km/h) 40 50 60 70 80
20
30
40
50
60
70
80
90
100
5556 8681 12500 17014 22222
3704 5787 8333 11343 14815
2778 4340 6250 8507 11111
2222 3472 5000 6806 8889
1852 2894 4167 5671 7407
1587 2480 3571 4861 6349
1389 2170 3125 4253 5556
1235 1929 2778 3781 4938
1111 1736 2500 3403 4444
Tabulka . 2 – Hodnoty odst edivých sil p2sobících na naložený vlek
Polom r (m) Rychlost (km/h) 40 50 60 70 80
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1914
1276 1993
957 1495 2153
765 1196 1722
638 997 1435 1953
547 854 1230 1674 2187
478 747 1076 1465 1914
425 664 957 1302 1701
383 598 861 1172 1531
Tabulka . 3 – Hodnoty odst edivých sil p2sobících na manipula ní vozík v etn% trupu lod%
3.2.1. Výpo/et silových okrajových podmínek Obdobn% jako v p ípade výpo tu sil, kterými p2sobí manipula ní vozík na rám v klidu teL ur íme, jak velkými silami p2sobí manipula ní vozík na rám vleku v zatá ce. Rozm%ry vlek2 se shodují s rozm%ry uvedenými v kapitole 3.1.1. viz tabulka 1. Referen ní odst edivá síla na rám FD = 2200 N vyplývá z tabulky
íslo 3. Jde
o zaokrouhlenou hodnotu odst edivé síly p i pr2jezdu zvolené zatá ky o polom%ru 70 m rychlostí 80 km/h.
19
Obrázek . 19 – Schéma uložení manipula ního vozíku v hlavním rámu Horní manipula/ní vozík
Ra * l
FD * b = 0
Ra = 465 N Rb * l
FD * a = 0
Rb = 1740 N Rc = Rd =
Rb = 870 N 2
Spodní manipula/ní vozík
Ra * l
FD * b = 0
Ra = 595 N Rb * l
FD * a = 0
Rb = 1610 N = Rd Rc = 0
Jak již bylo uvedeno, je spodní vozík v zadní
ásti rámu vleku pouze
„zasunut“ do „zámk2“. P i pr2jezdu zatá kou tedy p2sobí reakce v uložení pouze na jedné stran% (vn%jší strana zatá ky). Vypo tené síly op%t aplikujeme jako silové okrajové podmínky na rám vleku. 20
Obrázek . 20 – Okrajové podmínky na konstrukci rámu
3.2.2. Výsledky pevnostní analýzy
Obrázek . 21 – Rozložení nap%tí dle HMH – zatížení odst edivou silou vozík2
21
Obrázek . 22 – Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 73 MPa)
Obrázek . 23 – Kritická místa v konstrukci, dle HMH (max 90 MPa)
22
Maximální nap%tí (90 MPa) se op%t nejvíce vyskytuje v „ostrých“ p echodech, kde došlo k zjednodušení geometrie. V blízkém okolí t%chto roh2 nap%tí ale rychle klesá. Okolí t%chto kritických míst by op%t m%lo být p edm%tem dalšího zkoumání. V p ípad% použití oceli 11 523 s mezí kluzu p ibližn% 360 MPa vychází bezpe nost rámu 4.
k=
Re
=
MAX
360 =4 90
3.3. Statické zatížení rámu vleku p?i zdvihání lod P i zdvihání manipula ního vozíku s lodí do horní polohy je konstrukce vleku zatížena v horní ásti nástavby – v míst% p echodu lana p es kladku. Rám vleku je v tomto p ípad% namáhán odlišn% než v p edchozích p ípadech. Vzhledem k zav%šení vozíku za zadní p í ku v míst% „zámk2“, odpovídají velikosti sil zatížení spodním manipula ním vozíkem viz kapitola 3.1.1. Tyto síly jsou aplikovány na místo zav%šení kladkového mechanismu v horní ásti nástavby.
Obrázek . 24 – Okrajové podmínky na konstrukci rámu 23
Obrázek . 25 – Rozložení nap%tí dle HMH – zatížení p i vytahování horní lod%
Obrázek . 26 – Kritické místo v konstrukci, dle HMH (max 40 MPa)
24
Maximální nap%tí (40 MPa) se vyskytuje v „ostrém“ p echodu mezi podporou a nosníkem nástavby (viz obrázek íslo 26). V blízkém okolí tohoto p echodu ale nap%tí rychle klesá. V p ípad% použití oceli 11 523 s mezí kluzu p ibližn% 360 MPa vychází bezpe nost 9.
k=
Re MAX
=
360 =9 40
25
Záv r Bakalá ská práce se v%novala tvorb% modelu vleku pro p evoz dvou sportovních plachetnic t ídy Pirát a všech jeho komponent. Hlavním cílem práce bylo vytvo it MKP model rámu vleku a provést základní statické pevnostní analýzy pomocí programu Pro/MECHANICA pro jednotlivé varianty zatížení konstrukce. Jednalo se o statické zatížení rámu vleku nákladem o zatížení vleku odst edivou silou na náklad p i pr2jezdu zatá kou a o statické zatížení rámu vleku p i vytahování lod% do horní polohy. Na základ% mnoha pevnostních výpo t2 bylo navrhnuto zesílení základního rámu vleku, tvar nástavby, výztuhy konstrukce a nejvýhodn%jší uložení nápravy vleku. Zvláštní pozornost byla v%nována návrhu mechanismu pro jednoduché nakládání obou lodí v etn% manipula ních vozík2 do rámu vleku pomocí naviják2 a kladkostroje. Vzhledem k výsledk2m pevnostních analýz konstrukce vyhovuje. Vzhledem k tomu, že k nakládání a vykládání lodí dojde ádov% 10x – 20x za rok, nemá smysl v p ípad% zatížení konstrukce p i nakládání nebo vykládání ešit únavu materiálu. Jiný problém ovšem je únava b%hem dynamického zatížení rámu vleku p i jízd%. Tento problém by op%t m%l být p edm%tem dalšího zkoumání.
26
Seznam použité literatury
[1]
Wikipedie – internetová encyklopedie. Dostupné na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Metoda_kone ných_prvk2
[2]
Zden%k Kone ný - Václav Krys: Skripta katedry robotechniky, CAD III – Pevnostní analýzy. Vysoká škola bá ská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta
strojní.
Dostupné
na
WWW:
http://robot.vsb.cz/skripta/cad-
iii/index.html
[3]
Katalog bržd%ných náprav firmy Kobras pro p ív%sy. Dostupné na WWW: http://www.kobras.cz/katalog/group-120121211000/item-120121211043/
27
