Несущая способность робототехнической конструкции из композиционного материала при динамическом нагружении

Машиностроение и машиноведение

2023. Т. 30. № 4. С. 210–219.

Авторы

Хайрнасов К. З.*, Сокольский А. М., Исаев В. В.

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: kamilh@mail.ru

Аннотация

Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния робототехнической конструкции из композиционного материала при динамическом воздействии. В качестве робототехнического комплекса рассматривался стенд, предназначенный для моделирования характеристик полета в лабораторных условиях. Было проведено моделирование и аппроксимация стенда конечными элементами. Робототехнические комплексы оснащены элементами, приводящими в движение каналы: подшипниками, зубчатыми венцами, редукторами, двигателями. В настоящей работе в конечно-элементной модели они заменены системой стержневых элементов одинаковой жесткости. Проведен расчет и анализ конструкции стенда на динамическую нагрузку, получено напряженно-деформированное состояние стенда при различном расположении слоев композиционного материала.

Ключевые слова:

композиционный материал, стенд полунатурного моделирования, метод конечных элементов, динамическое нагружение, напряженно-деформированное состояние

Библиографический список

  1. Tao B., Feng Y., Fan X. et al. Accuracy of dental implant surgery using dynamic navigation and robotic systems: An in vitro study // Journal of Dentistry. 2022. Vol. 123. No. 5: 104170. DOI: 10.1016/j.jdent.2022.104170

  2. Yongding T., Chen C., Sagoe-Crentsil K. et al. Intelligent robotic systems for structural health monitoring: Applications and future trends // Automation in Construction. 2022. Vol. 139. No. 5: 104273. DOI: 10.1016/j.autcon.2022.104273

  3. Xu X., Chen Y., Zou B. et al. Assignment of parcels to loading stations in robotic sorting systems // Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review. 2022. Vol. 164: 102808. DOI: 10.1016/j.tre.2022.102808

  4. Boschetti G., Faccio M., Minto R. 3D collision avoidance strategy and performance evaluation for human–robot collaborative systems // Computers & Industrial Engineering. 2023. Vol. 179: 109225. DOI: 10.1016/j.cie.2023.109225

  5. Lindqvist B., Karlsson S., Koval A. et al. Multimodality robotic systems: Integrated combined legged-aerial mobility for subterranean search-and-rescue // Robotics and Autonomous Systems. 2022. Vol. 154: 104134. DOI: 10.1016/j.robot.2022.104134

  6. Гавва Л.М., Фирсанов В.В. Математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния панелей летательных аппаратов из композиционных материалов с учетом технологии изготовления // Известия РАН. Механика твердого тела. 2020. Т. 55. № 3. С. 122–133. DOI: 10.31857/S057232992003006X

  7. Pogosyan M., Nazarov E., Bolshikh A. et al. Aircraft composite structures integrated approach: a review // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1925. 19th International Conference «Aviation and Cosmonautics» (AviaSpace-2020, 23-27 November 2020, Moscow, Russia). DOI: 10.1088/1742-6596/1925/1/012005

  8. Vasiliev V.V., Morozov E.V. Advanced Mechanics of Composite Materials and Structures. – 4th Edition. – Elsevier, 2018. – 882 p.

  9. Manes A., Gilioli A., Sbarufatti C., Giglio M. Experimental and numerical investigations of low velocity impact on sandwich panels // Composite Structures. 2013. Vol. 99, pp. 8-18. DOI: 10.1016/j.compstruct.2012.11.031

  10. Бохоева Л.А., Балданов А.Б., Чермошенцева А.С. Разработка оптимальной конструкции многослойной консоли крыла беспилотного летательного аппарата с экспериментальным подтверждением // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 1. С. 65–75. DOI: 10.34759/vst-2020-1-65-75

  11. Kim H.-G., Wiebe R. Numerical investigation of stress states in buckled laminated composite plates under dynamic loading // Composite Structures. 2020. Vol. 235: 111743. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111743

  12. Phadnis V., Silberschmidt V.V. Composites Under Dynamic Loads at High Velocities // In book: Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. 2018. Vol. 8, pp. 262-285. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.09967-7

  13. Chao Correas A., Ghasemnejad H. Analytical development on impact behavior of composite sandwich laminates by differentiated loading regimes // Aerospace Science and Technology. 2022. Vol. 126: 107658. DOI: 10.1016/j.ast.2022.107658

  14. Noman A.A., Shohel S.M., Gupta S.S., Riyad S.H. Investigate the mechanical strength of laminated composite carbon fiber with different fiber orientations by numerically using finite element analysis // Materials Today Proceedings. 2023. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.02.132

  15. Lin J.-P., Liu X., Wang Y. et al. Static and dynamic analysis of three-layered partial-interaction composite structures // Engineering Structures. 2022. Vol. 252: 113581. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113581

  16. Zhang B., Ge J., Cheng F. et al. Failure prediction for fiber reinforced polymer composites based on virtual experimental tests // Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 24, pp. 8924-8939. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.05.123

  17. Daniel I.M. Yield and failure criteria for composite materials under static and dynamic loading // Progress in Aerospace Sciences. 2015. Vol. 81. No 3, pp. 18-25. DOI: 10.1016/j.paerosci.2015.11.003

  18. Gu J., Chen P., Su L., Li K. A theoretical and experimental assessment of 3D macroscopic failure criteria for predicting pure inter-fiber fracture of transversely isotropic UD composites // Composite Structures. 2021. Vol. 259. No. 20-21: 113466. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113466

  19. Sun Q., Zhou G., Meng Z. et al. Failure criteria of unidirectional carbon fiber reinforced polymer composites informed by a computational micromechanics model // Composites Science and Technology. 2019. Vol. 172. No. 3–4, pp. 81-95. DOI: 10.1016/j.c ompscitech.2019.01.012

  20. Guo Y., Parker R.G. Stiffness matrix calculation of rolling element bearings using a finite element/contact mechanics model // Mechanism and Machine Theory. 2012. Vol. 51, pp. 32-45. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2011.12.006

  21. Hutchngs I., Shipway P. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. – 2nd ed. – ‎Butterworth-Heinemann, 2017.– 412 p.

  22. Семенова А.С., Кузьмин М.В. Подбор дискретности конечно-элементной сетки для вращающихся деталей межроторного подшипника газотурбинного двигателя с учетом шероховатости поверхности // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 1. С. 171–179. DOI: 10.34759/vst-2020-1-171-179

  23. Семенова А.С., Кузьмин М.В. Отработка методики численного анализа напряжений смятия в роликовых подшипниках // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 3. С. 180–190. DOI: 10.34759/vst-2022-3-180-190

  24. Childs P.R.N. Rolling Element Bearings // In book: Mechanical Design. 3rd ed. 2021, pp. 69-111. DOI:10.1016/B978-0-12-821102-1.00003-2

  25. Dewangan P., Parey A., Hammami A. et al. Dynamic characteristics of a wind turbine gearbox with amplitude modulation and gravity effect: Theoretical and experimental investigation // Mechanism and Machine Theory. 2021. Vol. 167: 104468. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2021.104468

  26. Liu L., Zhu L., Gou X. Modeling and analysis of load distribution ratio and meshing stiffness for orthogonal spur-face gear drive under point contact // Mechanism and Machine Theory. 2023. Vol. 182. No. 3: 105239. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2023.105239

  27. Barbero E.J. Finite Element Analysis of Composite Materials Using ANSYS. – 2nd ed. – CRC Press, 2013. – 366 p.

  28. Латышев О.Г., Веремейчик А.Б., Жуков Е.А. Применение композиционных материалов в стендах динамического нагружения. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Е. Баумана. 2011. – 233 с.

  29. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The finite element method: its basis and fundamentals. – 7th ed. – Butterworth-Heinemann, Oxford, 2013. – 756 p.

  30. Moaveni S. Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS. – 2nd ed. – Prentice Hall, 2002. – 822 p.

  31. Koutromanos I., Applied Fundamentals of Finite Element Analysis: Linear Finite Element Analysis. – John Wiley & Sons, New York, 2018. – 736 p.

  32. Bathe K.-J. Finite element procedures. – 2nd ed. – Prentice Hall, New Jersey, 2014. – 1043 p.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024