Рис 1.2.2.1 Функциональная структура САПР применения СОЖ

·присадок к СОЖ с характеристиками их химической структу­ры и спектром активностей (основными и побочными типами функциональных свойств);

·товарных марок СОЖ базового ассортимента;

·типовых процессов и технологических схем в системах приме­нения СОЖ;

·технологических маршрутов операций, процессов и стадий по применению СОЖ;

·типовых схем управления и диагностики;

·средств автоматизации контроля качества СОЖ на всех эта­пах функционирования; средств регулирования и датчиков ин­формации о состоянии СОЖ;

·рекомендации по применению СОЖ для основных операций обработки металлов резанием;

·каталоги оборудования для технических средств применения СОЖ;

·технико-экономические параметры оборудования для примене­ния СОЖ и нормативы его эксплуатации и обслуживания.

В этом проекте разрабатывались блоки выделенные на рис.1.2.2.1 двойной линией.

Для пополнения информационной базы САПР-СОЖ имеются два источника - экспериментальные и расчетные данные. Экспе­риментальное определение свойств СОЖ, приведение испытаний по оценке их эффективности и рациональным областям примене­ния, определение оптимальных характеристик и режимов работы оборудования для эксплуатации СОЖ должны проводиться на единой научной и методологической основе с использованием средств и методов автоматизации эксперимента. Однако при внед­рении новых СОЖ в процессе проектирования систем их приме­нения всегда имеются недостающие данные, которые могут вос­полняться за счет расчетных методов. В последнее время появ­ляется все большее число методов и систем машинного расчета свойств веществ, в т. ч. и для расчета свойств СОЖ на ЭВМ.               

К математическому обеспечению САПР-СОЖ относят сово­купность математических методов, моделей и алгоритмов, необ­ходимых для осуществления автоматизированного проектирования. Известны следующие типы моделей, используемых для САПР ГПС: модульные, сетевые, со специальными языками прог­раммирования, эмуляционные.

Модели в САПР-СОЖ используются для выбора составов СОЖ, прогнозирования их свойств, расчета технологических про­цессов в системе применения СОЖ, расчета аппаратурного  оформления их использования. Моделирование позволяет вы­брать оптимальный вариант компоновки системы применения СОЖ, т. е. осуществить синтез оптимальной технологической схе­мы и разработать алгоритмы управления. Для каждого варианта технологической схемы применения СОЖ составляется математи­ческое описание отдельных технологических процессов. При этом наряду со стандартизацией оборудования необходима стандарти­зация и его математического описания. Большинство моделей от­дельных процессов применения СОЖ при автоматизированном проектировании используются в качестве проверочных вариан­тов, т. е. их применение при проектировании связано с изменени­ем входных параметров процесса и последующем расчете. Поэтому создание моделей в проектной постановке тре­бует коррекции принимаемых допущений и ограничений.

К программному обеспечению САПР-СОЖ относят совокуп­ность машинных программ, ориентированных на определенный класс ЭВМ и необходимых для автоматизированного проектиро­вания.

Техническое обеспечение САПР-СОЖ включает совокупность взаимосвязанных технических средств для автоматизированного проектирования, например, автоматизированного рабочего места на основе ЭВМ.

Работа САПР-СОЖ может быть организована следующим об­разом.

В технологическом блоке анализируется входная информация о процессах механической обработки и на основании банка дан­ных осуществляется выбор составов и номенклатуры СОЖ. Далее вводится и анализируется информация об отдельных процессах, реализуемых в системе применения СОЖ, оцениваются режимы протекания процессов и входные параметры. На основании математических моделей отдельных процессов осуществляется проектный расчет выходных параметров (заданных локальных критериев). В кон­струкционном (компоновочном) блоке решаются задачи, связан­ные с выбором оборудования, и синтезом проектируемой системы применения СОЖ. Анализируются различные варианты состава аппаратуры и технических средств, пригодных для выполнения отдельных технологических процессов. В результате анализа определяется оптимальный состав оборудования и соответствую­щая оптимальная технологическая схема применения СОЖ.

В блоке управления решаются задачи автоматизированного ре­гулирования и управления отдельными процессами и аппаратами и всей системой применения СОЖ в целом. Для управления слу­жат типовые схемы диагностики и регулирования параметрами СОЖ. На основе анализа входной информации выбираются оптимальные схемы управления, номенклатура средств диагностики, регулирования. Кроме того, в блоке управления осуществляются синтез автоматизированной системы управления последователь­ностью работы аппаратуры и технических средств применения СОЖ, а также синтез схем диагностики и адаптивного регулирования параметров СОЖ.

Предлагаемая структура САПР систем применения СОЖ ос­нована на математическом моделировании и описании процессов и оборудования для эксплуатации СОЖ и предназначена как отдельная подсистема для технологической подготовки проектирования всей технологической операционной системы механической обработки.

1.2.3 Выбор очистителей и построение систем очистки СОЖ

(Методический подход к построению систем очистки.)

Выбор и построение систем очистки базируется на анализе причин, определяющих эффективность работы очистителей и всей системы очистки в целом с использованием комплекса критериев, характеризующих сложный процесс операций технологических жидкостей от мелкодисперсного шлама .

В этом проекте рассматриваются два критерия эффективности системы очистки это тонкость очистки и степень очистки.

Спенень очистки выражается через концентрации примесей следующим образом: , где C0 и Cи это соответствено загрязненность до и после очистки.

Так как ни один очиститель не обеспечивает , то по мере увеличения продолжительности эксплуатации технологической жидкости в ней накапливается шлам (особенно мелкодисперсный) со всеми вытекающими негативными последствиями. Увеличение массы частиц происходит значительно медленнее, чем их числа из-за быстрого накопления в очищенной жидкости частиц с незначительной массой. Например, после очистки СОЖ в гидроциклоне обеспечивается степень очистки по массе  составляет всего 60%.

Для оценки степени приближения качества очистки технологической жидкости к требуемому (допустимому) содержанию механических примесей предложен коэффициент очистки

*

где  и  может быть использован в отношении как общего числа  и суммарной площади поверхности частиц

В случае, если очиститель обеспечивает требуемое качество очистки СОЖ, то

Связь между  и  выражается зависимостью:

Учитывая, что большое влияние на функциональные и эксплуатационные свойства СОЖ, а также на выходные технологические показатели операций абразивной обработки заготовок оказывают характеристики законов распределения шламов, предпочтительно в некоторых случаях (для операций окончательной обработки высокоточных деталей) использовать зависимость для расчета коэффициента очистки, предложенную Е.А.Каревым:

где

 частиц шлама соответственно в исходной и очищенной СОЖ;

 - средник эквивалентные диаметры частиц шлама соответственно в исходной и очищенной СОЖ;

Величины  и

Оценка работоспособности очистителя справедлива в данном случае только для начального момента функционирования системы  и  коэффициент очистки  и  значение  ( при

Очиститель выбран правильно, если  для момента времени  в зависимости от значений  и  величина  рассчитывается на ЭВМ .На величину  (или ( (или  и очищенной  не обеспечивают условие (6.3):

т.е. не уменьшают содержание механических примесей в очищенной СОЖ в требуемое  число раз по сравнению с их содержанием в исходной жидкости. В этом случае используют многостадийную сепарацию технологических жидкостей.

В связи с необходимостью применения во многих случаях многостадийной очистки очистители характеризуются передаточным коэффициентом очистки (сепарации):

показывающие во сколько раз уменьшается или должно быть уменьшено содержание механических примесей в технологической жидкости по сравнению с исходным их содержанием  в момент времени  при прочих равных условиях, тем эффективнее происходит отделение механических частиц от жидкости. При правильно выбранном количестве стадий очистителей должно соблюдаться соотношение

Связь между  и  выражается зависимостью:

Зная величину  для конкретного очистителя, можно определить

Если не обеспечено условие   реализуется последовательное соединение  элементов, тогда

Количество последовательно соединенных очистителей определяется соотношением:

Зависимости показывают, что выбор количества очистителей производится с учетом необходимого (требуемого) срока службы СОЖ

Степень очистки для двухстадийной системы подсчитывается по формуле:

для трехстадийной

и т.д.

Коэффициент очистки для 2-х стадийной системы при известных значениях  и

а для 3-х стадийной

Коэффициент сепарации для 2-х стадийной системы будет равен

аналогично определяется величина

Анализируя зависимости и учитывая, что  и др.). Поэтому после каждой последующей ступени эффективность очистки будет снижаться и достигнет уровня, который может не соответствовать требуемой чистоте технологической жидкости .Требуемое качество очистки СОЖ может быть обеспечено, но только при достаточно большом числе очистки ,что по технико-экономическим соображениям нецелесообразно.

Целью обеспечения заданного качества очистки СОЖ от механических примесей при минимальном числе стадий очистки, как правило, системы нужно компоновать из очистителей, имеющих различные технологические возможности (по параметрам

1.2.4    Численное решение задач механики сплошной среды

При проектировании какой либо системы или конструкции ставится задача нахождения распределения напряжений или поля напряжений. В отдельных случаях, особенно если нагрузки и поведения конструкции зависит от времени, проектировщику необходимо подсчитать полное распределение перемещений, или поле перемещений. Для рассчитанного поля напряжений должны выполнятся в каждой точке условия равновесия, а перемещения при этом должны быть непрерывны. Т. е. должно выполнятся условие совместности перемещений :

где

вектор перемещения :

Сначала задаются определяющие уравнения, которые обеспечивают выполнение условий равновесия , которые обеспечивают выполнение условий равновесия и совместности. Возникает основная трудность (не говоря уже об аспектах разрешимости уравнений)  : могут ли уравнения адекватно отражать требования при проектировании, причем сложность геометрии, а характер нагрузок и свойств материала должна быть учтена. 

Весьма редко существуют точные решения подобных уравнений, и ненамного чаще оказывается возможным строить адекватные приближенные решения. С небольшим количеством членов аппроксимации. Для получения достаточно точного решения требуется большое число этих членов.

Появление ЭВМ коренным образом изменило ситуацию в области решения дифференциальных уравнений с частными производными. Стали использовать численные методы интегрирования и дифференциирования.

Метод конечных элементов является аналитической процедурой . Ключевая идея метода при анализе поведения конструкций заключается в следующем: сплошная среда моделируется путем разбиения ее на области (конечные элементы) в каждом из которых поведение среды описывается с помощью отдельного набора выбранных функций , представляющих напряжения и  перемещения в указанной области. Эти наборы функций часто задаются в такой форме, чтобы удовлетворить условиям непрерывности описываемых ими характеристик во всей среде. При этом в отличие от полностью непрерывных моделей нет полной уверенности в сходимости решения. Если поведение конструкции описывается единственным дифференциальным уравнением , то получить приближенное решение этого уравнения можно как методом конечных элементов , так и с помощью техники разложение в ряды или конечно-разностных схем. Если же конструкция в целом неоднородна и состоит из большого количества отдельных конструктивных элементов , поведение каждого из которых описывается своим дифферинциальным уравнением , то в этом случае , как правило, можно непосредственно применить лишь метод конечных элементов.

Метод конечных элементов носит общий характер следовательно может быть сравнительно легко алгоритмизован , поэтому его широко применяют в компьютерном проектировании.

Такие программы как правило расчитаны на очень широкий круг задач. Такие вычислительные программы называются программами общего назначения. Примеров может служить применяемая в данной работе система Ansys 5.5.

Представленные  на рис. 1.2.4.1, четыре части являются общими практически для всех программ метода конечных элементов общего назначения.  Как минимум на стадии ввод от пользователя не требует никакой другой информации, кроме данных о материале конструкций, описание геометрии конечно-элементной модели и условий нагружения. Для более сложных программ общего назначения ввод осуществляется с использованием хранимых в памяти машины данных о характеристиках материала, методиках автоматического построения сетки конечных элементов.

Рис 1.2.4.1

1.2.5  Обзор преимуществ метода конечных элементов.

Наиболее очевидное преимущество заключается в представлении большого количества конструктивных элементов заданной аналитической моделью.

Вообще говоря всем требованиям , обеспечивающим непрерывность характеристик при переходе от элемента к элементу , в полном объеме удовлетворить нельзя, поэтому большая доля теоретических исследований в методе конечных элементов посвящена выявлению требований, которые возникают при построении конечных элементов.

Другим сдерживающим фактором при построении конечно-элементной модели является выбор упрощенных функций для построения часто встречающихся элементов. В случаях когда при проектировании существенно знание характера изменения поля напряжений для описания этого поля необходимо значительное измельчение сетки разбиения. В противоположность аналитическим методам , требующим использования регулярных сеток , измельчение сетки здесь можно провести относительно просто , но чтобы это усовершенствование было экономически оправданным , нужно, чтобы оно было соразмерно  требуемой точности решения .

Одним из особых преимуществ метода конечных элементов является возможность геометрического представления конструкции, т.е. задание используемой при решении сетки разбиения существенно нерегулярным способом. Более тонким аспектом этого метода является возможность учета сложных физических свойств материала. Почти все имеющиеся классические решения относятся к конструкциям , созданным из однородного изотропного материала. В методе конечных элементов ограничения на однородность материала снять  вполне возможно.

Замечание:

-         Последовательное измельчение сетки элементов, каждый из которых строится на основе одних и тех же предположений относительно напряжений или перемещений не является единственным способом достижения сходимости. Можно также сохранить размеры элементов и последовательно улучшать представления для полей в элементе. Элементы, которые отвечают более сложным представлениям полей извесны как элементы более высокого порядка.

-         при расчетах по методу конечных элемнтов источником ошибок могут служить 2-а условия :

1.     условие равновесия

2.     условия непрерывности перемещений

2       Моделирование движения частиц примесей в СОЖ

2.1   Моделирование движения частиц примесей в центрифуге

Рассмотрим движение отдельной частицы погруженную в вязкую жидкость которая находится в камере радиуса R и вращается с заданной угловой скоростью

Используя второй закон Ньютона, формулу о производной вектора вращающего вокруг другого:                       

что

1.     Центробежная сила инерции

                                     (2.1.1)

2.     Выталкивающая сила

                                            (2.1.2)

выталкивающая сила направлена в центр  

Рис.2.1.1

вращения т. к. там давление минимальное (эта задача рассматривается далее)

3.     Сила вязкого трения

                                                                                            (2.1.3)

где  - расстояние от центра частицы до оси вращения;

m – масса частицы;

V – объем частицы;

плотность жидкости (СОЖ);

 - плотность твердой частицы;

r – радиус частицы;

 - коэффициент динамической вязкости СОЖ ()

Причем считаем, что сила вязкого трения описывается законом Стокса, а твердая частица движется в радиальном направлении. Применим 2-й закон Ньютона для твердой частицы :

                                                                              (2.1.4)            подставив значения для сил получим:

                                                          (2.1.5)

     или

                                                                   (2.1.6)

Далее введем обозначения :

                                                                         (2.1.7)

где 

Уравнение (2.1.6) ,с учетом введенных обозначений, перепишем в виде :

                                                                                          (2.1.8)

Это есть линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Решение данного уравнения представим в виде  и подставив в (2.1.8) получим:                       (2.1.9)

Общее решение уравнения (2.1.8) имеет вид :

                                                                                (2.1.10)

Коэффициенты  находим из следующих начальных условий:

                                                                       (2.1.11)

При этом полагается, что частица в начальный момент времени находилась на расстоянии , а ее радиальная скорость была равна нулю. Решив эту систему уравнений получим :

                                                                (2.1.12)

В дальнейшем предполагается,что вязкость СОЖ велика, так что выполняется условие:                                                                                     (2.1.13)

То есть ,с учетом (2.1.7) :                                 (2.1.14)

В этом случае                                            (2.1.15)

Следовательно                                 (2.1.16)

В этом выражении вторым слагаемым в силу его незначительности можно пренебречь. Окончательно закон движения твердой частицы примет вид:

             (X0   < R – радиус центрифуги)                             (2.1.17)

2.2  Моделирование движения частиц примесей в гидроциклоне

В гидроциклоне процесс сход с процессом в центрифуге, с тем лишь отличием ,что у некоторых частиц начальные условия ограничиваются меньшим радиусом ( в конусной части) . По мере продвижения частиц вниз ( в конусной части) радиус конусной части ГЦ уменьшается следовательно увеличивается угловая скорость ( т.к.   увеличение центробежной силы согласно формуле 2.1.1, а также выталкивающей силы по формуле 2.1.2. При изменении радиуса меняются введеные ранее величины  по 2.1.7.

Диаметр d можно легко выразить через конструктивные параметры гидроциклона и координаты z частицы :                                                                             Рис. 2.2.1

                                                                           (2.2.1)

Предположим , что скорость движения частицы по мере продвижения ее вдоль гидроциклона не меняется. Т.е. игнорируем силу тяжести, а кинетическая энергия частицы не меняется ( ) . Тогда модуль вектора скорости в абсолютной системе координат остается не изменным. Поэтому угловую скорость выражаем через начальную скорость частицы (во входном патрубке)

                                                                                          (2.2.2)  учитывая выражения для диаметра 2.2.1 перепишем в виде :

                                                                  (2.2.3)

Подставляя в решение дифферинциального уравнения 2.1.17 выражения для  и d(z) получаем следующую формулу :

                                (2.2.4)

2.3   Исследование поля давления в процессе центрифугирования

Предполагаем , что СОЖ это есть линейно-вязкая жидкость , т.e. это изотропная жидкость (в данном случае не сжимаема) , сдвиговое сопротивление которой отлично от нуля и линейно зависит от скорости деформации сдвига. Таким образом тензор напряжения  есть линейная функция тензора скорости деформаций

,  ,                                                 (2.3.1)

где П – скаляр, , , которые не зависят от деформации и скоростей ( линейность ).  Они постоянные , но могут зависить от температуры.

Движение вязкой жидкости рассматриваем в эйлеровом пространстве:

, причем                                          (2.3.2)

                                                         (2.3.3)

Для компонент девиатора :   для компонент скоростей деформаций :           , из соотношений  2.3.2 следует :

                                                                                           (2.3.4). 

Эти соотношения означают линейный закон вязкости сдвигового сопротивления. Приводя соотношения 2.3.4 к главным осям и вычитая попарно, получаем для экстремальных касательных напряжений   и экстремальных скоростей сдвигов    соотношения   .

 (2.3.5),    где   .