Расчет и проектирование тонкостенных манометрических трубчатых пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки
Разработка универсальной математической модели, позволяющей рассчитать тонкостенную трубчатую пружину с переменной по периметру сечения толщиной стенки и исследовать влияние геометрии манометрической пружины на ее напряженно-деформированное состояние. Разработан обобщенный алгоритм расчета манометрических трубчатых пружин произвольной формы сечения и переменной по периметру сечения толщиной… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. Состояние вопроса, постановка задач исследования
- 1. 1. Принцип действия манометрической трубчатой пружины
- 1. 2. Обзор литературы, посвященной расчету и проектированию манометрических трубчатых пружин
- 1. 3. Патентные исследования, классификация манометрических трубчатых пружин
- 1. 4. Основные технические параметры манометрических трубчатых пружин
Расчет и проектирование тонкостенных манометрических трубчатых пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Актуальность работы. Манометрические трубчатые пружины (пружины Бурдона) получили широкое распространение в качестве чувствительных элементов приборов и средств автоматики. Повышение требований к точности и надежности приборов, необходимость уменьшения габаритов приборов, требует совершенствования технического уровня их чувствительного элемента.
Одним извозможных путей улучшения технических характеристик манометрических пружин является применение трубчатых пружин новых конструкций: пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки. Преимущество таких пружин по сравнению с пружинами с постоянной толщиной стенки было доказано в работах М. П. Шумского и С. П. Пирогова. В то же время методы и эффективные алгоритмы по проведению проектировочных: расчетов пружин данных конструкций не разработаны. Остается неизученным вопрос о влиянии закона изменения толщины стенки по периметру сечения на технические параметры пружин со сложной формой средней линии" Использование математических моделей пружин с переменной толщиной стенки и разработка алгоритмов их реализации на ПЭВМ, создание прикладного программного обеспечения имеет важное значение при решении широкого спектра прикладных задач.
Объектом исследования является манометрическая трубчатая пружина (пружина Бурдона), используемая в качестве упругого чувствительного элемента приборов и средств автоматики.
Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние манометрических пружин с различными типами сечений.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчета и автоматического проектирования тонкостенных манометрических трубчатых пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки.
Исходя из указанной цели исследования его основными задачами являются:
1. Проведение сравнительного анализа и разработка классификации существующих конструкций манометрических трубчатых пружин.
2. Разработка универсальной математической модели, позволяющей рассчитать тонкостенную трубчатую пружину с переменной по периметру сечения толщиной стенки и исследовать влияние геометрии манометрической пружины на ее напряженно-деформированное состояние.
3. Проведение анализа достоверности и точности получаемых результатов путем сравнения с результатами других авторов.
4. Исследование влияния геометрии сечений с переменной толщиной стенки на технические параметры манометрических пружин.
5. Разработка эффективного алгоритма и комплекса прикладных программ для расчета и автоматического проектирования тонкостенных манометрических трубчатых пружин с переменной толщиной стенки.
Методологической базой исследования послужили работы Аксельрада Э. Л., Васильева Б.Н.
Методы исследования. В работе использованы методы теории оболочек, численные методы, методы теории исследования операций. Расчеты и комплекс прикладных программ выполнены в среде MATLAB.
Научная новизна. В работе впервые рассмотрен комплекс вопросов, связанных с исследованием манометрических трубчатых пружин с переменной толщиной стенки и произвольной формой сечения, включающий:
— обобщенный алгоритм расчета манометрических трубчатых пружин произвольной формы сечения и переменной по периметру толщиной стенки, основанный на решении дифференциальных уравнений, описывающих осесимметричный изгиб кривой трубы;
— уточненные и новые результаты, относящиеся к исследованию влияния геометрии сечения на напряженно-деформированное состояние трубчатой манометрической пружины;
— алгоритм автоматического проектирования манометрических трубчатых пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки.
Достоверность результатов. Достоверность результатов исследования обосновывается:
— применением известных математических методов, использовавшихся ранее при решении прикладных задач;
— соответствием полученных результатов с аналитическими, численными и экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Практическая ценность.
1. Разработан алгоритм и прикладное программное обеспечение для расчета и автоматического проектирования манометрических пружин с переменой толщиной стенки и произвольной формой сечения.
2. Разработаны рекомендации по рациональному проектированию манометрических пружин с переменной толщиной стенки.
3. Предложена и рассчитана, защищенная авторским свидетельством новая конструкция манометрической трубчатой пружины с переменной толщиной стенки.
Созданное в рамках работы прикладное программное обеспечение для расчета и автоматического проектирования тонкостенных манометрических трубчатых пружин внедрено на Томском манометровом заводе (АО «Манотомь»).
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 101 наименования и приложений. Общий объем работы составляет 156 страниц.
Выводы.
1. Проведен анализ возможных критериев оптимизации конструкций манометрических трубчатых пружин, использующихся при решении задач проектирования. Показано, что для выбора пружины при заданном рабочем давлении и величине рабочего хода необходимо оптимизировать конструкцию одновременно в двух направлениях обеспечивающих: максимальную жесткость пружины на изгибмаксимальную работоспособность при номинальном давлении.
2. Разработан алгоритм автоматического проектирования тонкостенных манометрических пружин с переменной толщиной стенки по периметру сечения, обеспечивающий возможность оптимизации конструкции с учетом двух различных критериев. В качестве возможных вариантов средней лини рассматривается возможность проектирования пружин с плоскоовальной, овальной, восьмеркообразной, ромбовидной формой средней линии сечения. Закон изменения толщины пружины по периметру сечения может быть произвольным, при условии сохранения симметрии сечения относительно плоскости кривизны пружины. 3. Алгоритм автоматического проектирования реализован в виде программы в среде MATLAB и внедрен на Томском манометровом заводе ОАО «Манотомь» (см. приложение 3).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Проведен анализ состояния актуальной проблемы, связанной с расчетом и проектированием существующих и перспективных конструкций трубчатых манометрических пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки.
2. На основании проведенных патентных исследований и обзора литературных источников, предложена классификация манометрических трубчатых пружин.
3. Разработан обобщенный алгоритм расчета манометрических трубчатых пружин произвольной формы сечения и переменной по периметру сечения толщиной стенки, на основании дифференциальных уравнений, описывающих осессиметричный изгиб кривой трубы.
4. Разработан алгоритм численного исследования и пакет прикладных программ для расчета манометрических пружин и исследования влияния геометрии пружин на их технические параметры.
5. Достоверность и эффективность результатов, получаемых с помощью прикладных программ, подтверждена сопоставлением с экспериментальными и расчетными данными других авторов.
6. Получены новые и уточненные результаты, относящиеся к влиянию геометрии манометрических трубчатых пружин с переменной толщиной стенки на их технические параметры.
7. На основе теоретических исследований предложен новый, защищенный авторским свидетельством, тип сечения манометрической трубчатой пружины, использование которой позволяет без уменьшения прочности и жесткости к действию внешних сил повысить чувствительность и работоспособность пружины.
8. Разработаны алгоритм и программа для автоматического проектирования манометрических трубчатых пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки, позволяющий оптимизировать конструкцию пружины одновременно в двух направлениях.
Список литературы
- Strohmeyer. Remarks an pressure Ganges // Engineering. — 1906.
- Bourdon H.E. A decription of merourless metallic pressure ganges for indicating steam pressure in Boiler. — Bulletin de la’Socite d’Encanragement pour rindustril Nationale, 59, 1851, 197.
- Hill E. Bourdons Metallic Barometr // Messenger of mathematics. 1872. -№ 1. -P.15.
- Worthington A. Bourdon Pressure Gauge // Nature. 1890. — 41, 1057. -P.296.
- Greenhill A. Bourdon Pressure Gauge // Nature. 1890. — 41, 1057. — P.296
- Lorenz H. Teorie der Rohrenfedermanometr // VDJ. 1910. — B.55. — № 44. -S. 1865−1867.
- Lorenz H. Teorie der Rohrenfedermanometr // Physikalische Zeitschrift. — 1917.-№ 6.-S. 1865−1867.
- Karman Th. Festigkeitsprobleme in Maschienenbau // Enzyklopadia der Mathematischen Wissenschaften. Leipzig, 1910. — Bd.4, Art 27. — P. 311 385.
- Karman Th. Uber die Formanderung dunnwadiger Rohre insbesondere federnder Ausglehrohre // Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure. — 1911. Bd.55, № 45. — P. 1889−1895.
- Ю.Мещерский И. В. Теоретическое исследование манометрической трубки // Временник главной палаты мер и весов. 1925 — Вып 1(13). — С. 121 130.
- Н.Феодосьев В. И. Расчет тонкостенных трубок Бурдона эллиптического сечения энергетическим методом. — М.: Оборонгиз. — 1949. — 800 с.
- Феодосьев В.И. Упругие элементы точного приборостроения. М.: Оборонгиз. — 1949. — 343 с.
- Wolf A. An Elementary Theory of the Bourdon Gage // ASME Transaction Journal of Applied Mechanics. 1946. — September. — P. A207-A210.
- JIo Цзу-дао, Ю Цзинь-шунь. Модификация феодосьевской теории трубок Бурдона // Лисюэ сюэбао. 1962. — № 1. — С. 28−17.
- Nakahara J. Sensitivities, Stresses and Torques of Bourdon Tubes of Elliptical Gross Section // Trans. Of Japan SME. 1963. — № 197.
- Андреева JI.E. Упругие элементы приборов. М.: Машгиз. — 1962. — 455 с.
- Кенигсберг В.А. Трубчатая манометрическая пружина в режиме силовой компенсации // Приборостроение. — 1965. № 10. — С. 14 — 17.
- Шумский М.П. Расчет манометрических пружин К Изв. ВУЗов/ Приборостроение. 1964. -№ 5. — С. 163−170.
- Шумский М.П. Расчет манометрических пружин с переменной толщиной стенки // Изв. ВУЗов/ Приборостроение. — 1966. № 1. — С. 104−108.
- Афонин В.Г., Шумский М. П. Расчет тонкостенных манометрических пружин методом Ритца во втором приближении // Изв. ВУЗов/ Приборостроение. 1971.-№ 11−12.-С. 93−97.
- Шумский М.П. Расчет и оптимальное проектирование манометрических пружин: Дис.. канд. тех. наук: 01.02.06/ Томский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени С. М. Кирова. Томск ., 1966.-200 с.
- Тыжнов Г. И. Деформации и напряжения в трубчатых манометрических пружинах. Дис. канд. тех. наук — Томск, 1964, — 185с.
- Тыжнов Г. И. Расчет манометрической трубчатой пружины универсального сечения // Тр. Ин-та /Томский политехнический ин-т. — 1970. Вып. 157. — С.77 — 82.
- Герасимов В.К., Тыжнов Г. И. Расчет манометрических трубок ромбического сечения энергетическим методом // Тр. Ин-та /Томский политехнический ин-т. — 1967. — Вып. 3. — С.41 — 46.
- Тыжнов Г. И., Герасимов В. К. Деформации манометрических пружин различных сечений // Изв. ВУЗов/ Приборостроение. 1970. — № 6. — С. 117−119.
- Герасимов В.К., Тыжнов Г. И. К вопросу выбора упругого чувствительного элемента для измерения давления // Изв. ВУЗов/ Приборостроение. 1973. — № 6. — С. 80−83.
- Герасимов В.К. Трубчатые пружины замкнутого контура: Дис.. канд. тех. наук: 01.02.06 / Тюменский индустриальный институт. — Тюмень ., 1971.-143 с.
- Буженко В.Е. Исследование трубчатых пружин работающих в силовом режиме: Дис— канд. тех. наук: 01.02.06/ Тюменский индустриальный институт. Тюмень ., 1978. — 157 с.
- Пирогов С.П., Чучумашева И. А. Экспериментальное исследование деформаций и напряжений плоских моделей поперечных сечений трубчатых пружин // ВИНИТИ Тюмень., 1978.
- Расчет напряжений и деформаций в трубчатой пружине: Отчет о НИР / Тюменский индустриальный институт- Руковод. работы Г. И. Тыжнов.- Тюмень., 1979. 23 с. — Исполн. Пирогов С. П.
- Пирогов С.П., Тыжнов Г. И. Трубчатые пружины с переменной толщиной стенки // Изв. ВУЗов/ Приборостроение. — 1980. — № 3. — С. 45−50.
- Пирогов С.П. Исследование и расчет трубчатых пружин с различной формой поперечного сечения: Дис.. канд. тех. наук: 01.02.06/ Тюменский индустриальный институт. — Тюмень 1980.-175 с.
- Tueda М. Mathematical Theories of Bourdon Pressure Tubes and Bending of curved pipes // Memoirs, College of Engineering. — 1934. Vol.8. -P.102.
- Tueda M. Mathematical Theories of Bourdon Pressure Tubes and Bending of curved pipes // Memoirs, College of Engineering. — 1934. Vol.9. — P.132.
- Clark R.A., Reissner E. Deformations and Stresses in Bourdon Tubes // Journal of Applie Physies. Ang Arch. — 1950. — Vol. 21, № 12. — P.1340 -1341.
- Clark R.A., Gilrey T.J., Reissner E. Stresses and Deformations of Toroidal Shells of Elliptical Gross Section // Journal of Applied Mechanics. — 1952. — Vol.19, № 1-P.37 —48.
- Аксельрад Э.Л. Уравнения деформации оболочек вращения и изгиба тонкостенных стержней при больших упругих перемещениях // Изв. АН СССР ОТН. Механика и машиностроение. 1960. — № 4. — С.84 -92.
- Аксельрад Э.Л. Изгиб и потеря устойчивости тонкостенных труб при гидростатическом давлении // Изв. АН СССР ОТН. Механика и машиностроение. — 1962. № 1. — С.98 — 114.
- Аксельрад Э.Л. Тонкостенные криволинейные стержни // Сборник трудов ЛИИЖТ. 1966. — Вып.249. — С. 187 — 194.
- Аксельрад Э.Л. Гибкие оболочки. М.: Наука, 1976. — 249 с.
- Васильев Б.Н. Напряженно-деформированное состояние манометрической трубки // Изв. АН СССР ОТН. Механика и машиностроение. 1965. — № 4. — С. 139−144.
- Васильев Б.Н. О расчете трубок Бурдона // Сборник трудов ЛИИЖТ. -1966. Вып. 249. — С. 169 — 179.
- Васильев Б.Н. Расчет тонкостенных манометрических пружин Бурдона: Дис.. канд. тех. наук: 01.02.06 / Ленинградский ин-т. инженеров жел. дор. транспорта, — Ленинград., 1966. 133 с.
- Васильев Б.Н. Номограммы для расчета манометрических пружин плоскоовального профиля // Приборы и системы управления. — 1970. — № 6. -С.71 -77.
- Hamada М., Katsuhisa F., Kiyoshi A. Deformation and stresses of flat-oval Bourdon tubes // Bulletin of JSME. 1967. — Vol. 10, № 40, — P. 618−625.
- Wuest W. Die Bewegungslehne von Rohrenfedern // Zeitschrift fur Instrumentenkunde. — 1943. 63. Jahngang, Desember. — S. 416 — 423.
- Wuest W. 100 Jahne Rohrenfedermanoneter // Die Technik. 1948. — Bd. 3, Nr. l.-S. 23−30.
- Wuest W. Die Biegeschwingungen einseitig eingespannter gekriimmter Stabe und Rohre // Jngeneer Archiv — 1949. — XVII Band. — S. 265 — 272.
- Wuest W. Richtkraft und Eigensehwingungszahl von Rohrenfedern // Die Technik. 1949. — Bd. 4, № 6. — S. 277 — 281.
- Wuest W. Der Einflus der Quersehnitts form auf das Verhalten von Bourdonfedern // Jngenieur Archiv. — 1952. — 2 XX Band. — S. 116 — 125.
- Wuest W. Die Berechnung von Bourdonfedern // VDI-Forschungsheft 489. Ausgabe B. Band 28. -36 s.
- Jennings F.B. Theories on Bourdon Tubes // Transactions of the ASME. — 1956. -78,-P. 55−64.
- Mason H.L. Sensitivity and life Data on Bourdon tubes // Transactions of the ASME 1956. — 78.1 — P. 65−77.
- Kardos G. Test on Deflections of Flat oval Tubes // Journal of Basic Engineering, Transactions of the ASME. December, 1959. — P 645−650.
- Exline P.G. Bourdon Tube Deflection Characteristics // Journal of Basic. Engineering. Transaction of the ASME. 1960. — D. 82, № 4, — P. 887−892.
- Фурукава X. Проблемы измерения давления при помощи трубки Бурдона. М.: Бюро переводов ВИНИТИ, 1971. — 40 с.
- Жоховский М.К. Искусственное старение бурдоновских трубок // Точная индустрия. 1934. — X" 12, № 1. — С. 13 — 17.
- Жоховский М.К. Термическая обработка и механические свойства бурдоновских трубок // Точная индустрия. — 1934. — № 12. С. 11 — 15.
- Жоховский М.К. Результаты сравнительных испытаний бурдоновских трубок заграничных фирм // Точная индустрия. — 1935. № 6.- С. 14 -17.
- Жоховский М.К. Влияние формы и размеров бурдоновских трубок на их упругие свойства // Точная индустрия. — 1934. — № 17. С. 5 — 13.
- Жоховский М.К. Влияние на упругие свойства бурдоновской трубки механических свойств металла, состава металла и коэффициента прочности // Точная индустрия. 1937. — № 10,12. — С.13 — 15.
- Андреева JI.E., Богданова Ю. А. Расчет манометрической трубчатой пружины как незамкнутой оболочки вращения // Труды МВТУ.- 1980. -№ 332. — С.62 — 73.
- Андреева JI.E. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. — 1981.-392 с.
- Барышникова О.О. Разработка методов расчета и проектирования упругих трубчатых манометрических элементов: Дис.. канд. тех. наук: 01.02.06/Моск. гос. тех. ун-т им. Баумена. — М ., 1997.-171 с.
- Гаврюшин С.С. Разработка методов расчета и проектирования упругих оболочечных конструкций приборных устройств: Автореф. дис. д-ра тех. наук. — М., 1986. 35 с. т
- Гаврюшин С.С., Барышникова О. О. Численное исследование закритического поведения упругих элементов, используемых в конструкциях контактных устройств // Тр. МГТУ. — 1995. № 566. Математическое моделирование сложных технических систем. — С.70−77.
- Гаврюшин С.С., Барышникова О. О. Нелинейные гибкие элементы в вакуумной технике и технологии// Тр. МГТУ. — 1996. № 566. Математическое моделирование сложных технических систем. — С.51 — 62.
- Гаврюшин С.С., Барышникова О. О., Борискин О. Ф. Численные методы в проектировании гибких упругих элементов. — Калуга: ГУЛ «Облиздат», 2001. 200 с.
- Александрова А.Т. Новые способы передачи и формирования движения в вакууме. — М.: Высшая, школа, 1979. — 69 с. 73 .Александрова А. Т., Горюнов А. А., Ермаков Е. С. Вакуумные манипуляторы // Электронная промышленность. — 1981. — № 10. — 10с.
- Александрова А.Т., Ермаков Е. С. Гибкие производственные системы электронной техники. — М.: Высшая школа, 1989. — 69 с.
- Дисковый тормоз: А.С. 522 358 / Г. И. Тыжнов, В. Е. Буженко — № 2 024 993/27- Заявл. 20.05.74- Опубл.25.07.76- Бюл. №.27. — 2 с.
- Манометрическая трубчатая пружина: А.С. 403 977 / Н. И. Тюнин, З.Г. Блюмштейн- № 1 713 802/18 10- Заявл. 15.11.71- Опубл.26.10.73- -Бюл. №.43 — 2 с.
- Манометрическая трубчатая пружина: А.С. 399 739 / Э. З. Мифтахов, А. Т. Газизов.- № 1 722 488/18 10- Заявл. 07.01.71- Опубл.ОЗ. 10.73- -Бюл. №.39 — 2 с.
- Трубчатая манометрическая пружина с заполнителем: А.С. 696 316 / О. С. Зинкевич, A.M. Липшиц, Ю. П. Минченков, Э. С. Сапухов — № 2 547 132/18 10- Заявл. 23.11.77- 0публ.05.11.79- - Бюл. №.41 — 2 с.
- Манометрическая трубчатая пружина: А.С. 444 958 / Н. И. Тюнин, A.M. Исхаков.- № 1 803 428/18 10- Заявл. 30.06.72- Опубл.30.09.74- - Бюл. №.36−2 с.
- Нагаткин А.Г. Упругие чувствительные элементы московского завода «Манометр» // Перспективы развития упругих чувствительных элементов / Центральный институт научно-технической информации электротехнической промышленности. — 1961.
- Манометрическая трубчатая пружина: А.С. 325 522 / С. А. Сибейкин,
- B.А. Сухов, К. Г. Шейн.- № 1 237 570/18 10- Заявл. 24.04.68- Опубл. 07.01.72--Бюл. №.3−2 с.
- Манометрическая трубчатая пружина: RU 2 093 805 С1 / С. П. Пирогов, Т. Г. Пономарева. № 96 105 858/28- Заявл. 26.03.96- Опубл. 20.10.97- -Бюл. №. — 4 с.
- Манометрическая трубчатая пружина: RU 221 001 С2 / С. П. Пирогов, Н. П. Митягин, Н. Н. Устинов, С.С. Самакалев- № 2 001 122 276/28- Заявл. 08.08.2001- Опубл. 10.11.2003--Бюл. №.31−4 с.
- Манометрическая трубчатая пружина: RU 2 111 465 С1 / С. П. Пирогов, Т. Г. Пономарева, А.А.Волжаков- № 96 121 675/28- Заявл. 10.11.96- Опубл. 20.05.98- Бюл. №. — 2 с.
- Манометрическая трубчатая пружина: RU 25 795 U1 / С. П. Пирогов,
- C.С.Самакалев, Н. Н. Устинов заявка № 2 002 109 091- Заявл. 09.04.2002- Опубл. 20.10.2002- - Бюл. № 29. — 2с.
- Корсунов В.П. Упругие чувствительные элементы. — Саратов: Издательство Саратовского ун-та, 1980. 264 с.
- Reissner Е. Linear and nonlinear theory of shells // Proc. of the Sympos. On Thin Shell Structures, Prentice-Hall, 1972.
- Тихонов A.H., Васильева А. Б., Свешников А. Г. Дифференциальные уравнения. -М.: Наука, 1980. 200 с.
- Калиткин Н.Н. Численные методы. — М.: Наука, 1978. — 200 с.
- Мэтьюз Д.Г., Финк К. Д. Численные методы. Использование MATLAB. — М: Издательский дом «Вильяме», 2001. — 720 с.
- Дьяконов В.П. MATLAB 6: учебный курс. СПб.: Питер, 2001. — 592 с.
- Гультяев А.К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде Windows. СПб.: Корона, 2001. — 400 с.
- Чен К., Джиблин П., Ирвинг A. MATLAB в математических исследованиях. — М.: Мир, 2001. — 346 с.
- Расчет манометрических трубчатых пружин (пружин Бурдона): № 2 003 611 920/ Устинов Н. Н., Пирогов С. П., Смолин Н. И. Заявл. 24.06.2003// Программы для ПЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. — 2004. — № 4. — С.76−77.
- Устинов Н.Н. Расчет и теоретическое исследование тонкостенных манометрических пружин с переменной по периметру сечения толщиной стенки // Естественные и технические науки. — 2003. — № 3(6)-С.68 —85.
- Устинов Н.Н., Пирогов С. П. Исследование характеристик манометрических трубчатых пружин универсального сечения И Известия вузов. Нефть и газ. — 2003. — № 4. — С.71 —77.
- Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. — М.: Наука, 1981.-488 с.
- Пирогов С.П., Устинов Н. Н. Расчет и проектирование манометрических трубчатых пружин // Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки: Матер. Междун. Науч.-практ. конф. Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. — С. 181 — 182.