Механические, прочностные и ресурсные расчёты основных элементов

 В конструкции стендового макета  (да и натурного прототипа, надеюсь) не предполагается использование каких-то непривычных, неизвестных ранее материалов. В этом просто нет необходимости: изделие будет вполне работоспособным, будучи построено  из широко распространённых ныне материалов – пластик, дюралюминий, электротехническая сталь. Даже авиационная фанера. В пользу фанеры, к стати, говорит не только высокая технологичность, но и хорошие прочностные характеристики.  «Авиационной» она полноправно считается и в наши дни – например, серийные  американские истребители-бомбардировщики stealth F-117  на треть построены именно из фанеры.

Традиционные материалы удобные ещё и тем, что конструкции из них хорошо поддаются расчёту и моделированию ещё на стадии компьютерного проектирования. Ведь все их механические характеристики уже занесены в базы данных соответствующих программных пакетов.  Например пакет Solid Works хорошо считает деформации изделий такой сложной формы, как аэродинамические поверхности даже в условиях  многоточечных и многовекторных нагрузок.

Пример визуализации деформации лопатки эндоротора на Solid Works. Материал – АБС пластик. Статическая нагрузка 150 Н.

Правда, несмотря на очевидность преимуществ цифровых технологий,  традиционная привычка «лень считать, попробуем – посмотрим» преодолевается с трудом. Сперва кажется, что если взять материал по прочнее, да сделать запасов побольше, то всё будет хорошо. Это не так.  Поучительной иллюстрацией тому может служить пример одной из ранних неудачных конструкций.

Она была сделана из листов углепластика – материала во всех отношениях прочного. Но "на глазок", без детальных предварительных расчётов. В итоге, уже частично собранная машина не смогла работать. Из-за упругих деформаций статора, смонтированные в нём подшипники постоянно заклинивали и роторы вращались неустойчиво.  

Последующее компьютерное моделирование на Solid Works выявило недостаточную жёсткость несущих шайб статорной коробки.

Проанализировав ошибки и модифицируя соотвествующим образамо данный компанент, удалось не только получить жёсткий статор, но и обойтись более дешёвым конструкционным материалом – фанерой,  заодно и уменьшив общий  вес  аппарата.

Частично собранная машина. Эндостатор - авиационная фанера. Видны  вмоноличеные в корпус сердечники магнитопроводов из трансформаторноой стали.

Аэродинамический расчёт - первое приближение

LONGWIND – система  «два в одном»: летающий ветряк.  Это одновременно и летательный аппарат и ветрогенератор. Энергия движения воздушных масс (ветер) используется в LONGWIND как для  создания подъёмной силы и некоторого перемещения в пространстве, так и собственно для выработки электричества.   Его полёт ограничен привязью, и весь избыток энергии ветра , которую, будучи свободным, он бы потратил на перемещение из точки А в точку Б, утилизуется в полезную мощность электро-генератора.

Чтобы определить в первом наиболее грубом приближении количественные характеристики LONGWIND как аэродинамической системы, представим себе, что это просто сплошной диск  площадью S (m²) , обладающий массой m (kg), выполненный из абсолютно прочного недеформируемого материала бесконечной малой толщины.

Если такой диск поместить  на время t (s) в воздушный поток, движущийся со скорость V (m/s),  расположив его нормально вектору движения воздуха, то  лобовое сопротивления диска будет достаточно велико, и можно считать, что в таком потоке, будучи свободным  он сам начнёт двигаться со скоростью  воздуха.  Подъёмная сила, создаваемая на поверхности диска будет равна нулю, а вся мощность потока будет тратиться на перемещение диска, и её величина P (Wt)  будет пропорциональна весу диска и квадрату скорости ветра.

Допустим,  диск имеет массу в 250 кг и в течении 1 часа находится в потоке  воздуха, движущемся со скоростью  20 м/с  и перемещается вместе с ним.  Потреблённая им мощность составит

Р = 250kg х(20m/s)²  х 1 час = 98 000 Bт/ час.  = 98 кВт/час.,

Если такой диск закрепить на привязи, то вся эта энергия  потратиться на  торможение ветра и упругую деформацию привязи.  При этом сила, с которой воздух будет давить на неподвижно закреплённый диск составит величину пропорциональную площади диска, плотности воздуха  и половине квадрата скорости ветра .

Допустим,  площадь диска   S = 60 m²,

а  «массовую» плотность воздуха примем  - 0,1 kg*с²/m⁴  

Тогда сила скоростного напора ветра  будет равна

F =  60 m² х0,1 kg*с²/m⁴  х (20² m/s  / 2 ) = 1 200 kg

Как видно, это весьма приличная величина. Даже при  ветре 20 м/с  (стандартный для высот в 2-3 км над уровнем моря), воздух давит на диск площадью в 60 квадратных метров с силой, в несколько раз превышающей его вес.  Значит, часть этой силы можно использовать на подъём диска и удержание его в воздухе. Для этого надо расположить диск под некоторым углом к потоку, называемым углом атаки - α.  

Величина подъёмной силы будет пропорциональна произведению синуса и косинуса угла атаки на скоростной напор.

Из законов аэродинамики известно, что этот угол атаки  не может быть большим.  Превысив некоторую его величину, обтекание диска воздухом образует турбулентность и тогда подъёмная сила становится практически равной нулю.  В практики создания летательных аппаратов, как правило,  величины углов атаки составляют единицы градусов. Правда, применительно к винтокрылым машинам (а в данном случае «диск» моделирует именно такой летательный аппарат) это правило работает иначе. Конструкция этих машин такова, что воздух может проходить сквозь «диск» - ведь она фактически состоит из отдельных лопастей. Вероятность возникновения турбулентности тут существенно меньше  и  углы атаки допускаются  до 20-35^о градусов без потери подъёмной силы. 

Справедливым  будет для простоты моделирования принять угол в 15^о.

Тогда искомая величина подъёмной силы Y (kg) при скоростном напоре в 1200 kg  равна

Y  =  F x Sinα x Cosα = 1 200kg х 0,24 = 288 kg,

и как видно, эта сила вполне способна поддерживать аппарат весом в 250 кг.

Другое дело, что с изменением, пусть даже незначительным угла атаки эта сила будет резко меняться.

Так уже при 10^о она будет всего 204 kg, а при 5^о и вовсе 84 kg. И для удержания аппарата в воздухе её будет недостаточно. Зато увеличение угла атаки до 30^о создаст силу в 516 kg, что вдвое превышает удерживаемый вес.

Электромеханические расчёты машинно- генераторной части

Они самые простые, если не сказать примитивные. Был взят Копылов И.П. и др. «Проектирование электрических машин». Но основе изложенных тут алгоритмов составлена простенькая таблица в Exel-e.

Вот её лист. А тут собственно файл.
http://www.4shared.com/file/ngi8swxc/электро-механический_расчт.html

Компьютерное проектирование ( часть 2)

Компьютерное проектирование позволяет  хорошо сделать  3 вещи:

1- Расчёты

2- Компоновку

3- Визуализацию

LONGWIND – это  сложный комплекс  и без компьютерного проектирования  собрать его было бы очень трудно.

Стендовый макет вполне наглядно показывает тот путь, который предстоит пройти при создании полномасштабного изделия. Поэтому на примере его проектирования опробованы основные процедуры полномасштабного проекта: собственно сам аппарат и наземный блок управления.

При проектировании  высотного ветрогенератора предстояло выполнить

- электромеханические расчёты машинно-генераторной части;

- аэродинамические расчёты аппарата;

- механические, прочностные и ресурсные расчёт основных элементов (лопастей роторов, например).

- на основании выполненных расчётов, прорабатывались компановочные решения , которые в свою очередь проверялись путём визуализации их на 3-хмерных моделях.
Вот соофт, который бфл испоьзован в проекте:

 SFLR5 - пакет для моделирования аэродинамики летательных аппартов и таких важных компанентов как воздушных винтов - блок QBlade Открытый проект 

SourceForge предназначенный для бесплатного распространения.

SolidWorks2010 - универсальный пакет для дизайна, 3D-моделирования, контрукторского и технологического проектирования сложных машины, выполнения прочностных рсчётов
Доступен во многих местах всемирной сети.

Poteus 7.0 - витруальная среда проектирования элетротехнических и электронных устройств, схем, печатных палт, написаня и отладки программ для микроконтроллеров и выполнения симуляци работы систем в целом. Пакет пролдвигается на рынок компанией  Labcenter Electronics Ltd. и доступен по  официальному адресу разработчика.

Разработка проекта наземного блока управления требовала 

- расчёт и моделирование работы электросхемы;

- разработка печатных плат;

- общие монтажно-компановчные решения (так же проверямые визуализацией).

Все эти расчёты и моделирования были выполнены. Но  при всём этом, на момент написания этих строк забраковано уже три натурных макета, что называется в металле (и не известно – сколько ещё их придётся забраковать). Увы, «визуализация» визуализацией, но  реальный мир мало похож на виртуальную реальность.

А вот тут панорамы Владивостока сделанные с воздушных змеев.

Решил вообще ничего не писать. Просто кликай ссылку и смотри.

Компьютерное проектирование

Тут по началу было много соблазнов. На дворе 21-й век, как ни крути. И самая первая версия проекта делалась  в наивной надежде связать цепочку дизайна с адитивными технологиями: на рабочем столе комп с Solid Works-ом ,  на подоконнике 3D-принтер, который тебе тут же выдаёт готовую деталь.  

И никаких бумажных чертежей. Тем более что происходило всё  это не где-то в дремучей провинции, а в новом здании бизнес-инкубатора Дальневосточного Федерального Университета.
Соблазн подогревался ещё и тем обстоятелсьтвом, что узлы и агрегаты LONGWIND, если их делать традиционным методами представлялись чрезвычаёно трудоёмкими в изготовлении. А 3D-печать могла бы не только упростить строительтсво аппарта, но делала его конструкцию более рациональной и надёжной.

Например вот этот узел - поддон статора - если его изготавливать традиционно, содержал бы примерно пол-сотни деталей. А 3D-принтер позволял бы сделать их разом зацело всего в одной.
Так что игра стоила свечь.Но  первые три недели  упорных попыток заставить новомодное 3D-чудо печать хоть что-то полезное, кроме вложенных в его программу рекламных утят из разноцветной пластмассы закончились пшиком.

Печатал он медленно, грубо, неточно, а красивая пластмасса разваливалась, и главное - все изделия  из неё были подвержены чудовищной усадке. Уж не знаю, «то ли утки летают слишком высоко, то ли мы собак слишком низко подбрасывали, но охота в этом сезоне не задалась». Может по-позже мы и вернёмся к этому методу, но пока я решил не тратить и без того драгоценное время на чепуху, и пошёл проторенной тропкой: чертёж – столярка - напильник. Оно так надёжнее будет.

К стати, на этой  вот фотке из статьи про бизнесинкубатор случайно оказался и герой дня -3D-принетр - и утята и каркас полюcной катушки для LONGWIND. Вот он, с намотанным медным проводом, в правом верхнем углу лежит перед черипом Рёрика. Единственная маленькая, но хоть чем-то полезная деталь, что как-то получилась.
С ней всё было по-честному.
Сперва проект в SW

Затем чертёж (там же)

И наконец, собственно печать на 3D-принтере, намотка провда. Вот такой результат.

Замечу на полях: повествуя отчёт о ходе проекта, я решил взять за правило не пропускать неудач. Обычно в красивых итоговых рапортах они отсутствуют. И наивному читателю кажется, что всё было гладко, как на катке. А кроме того, хочу этими своими неудачами предостеречь легковерные творческие личности от слепо-мажёрного следования рекламной завлекухе. Вот и с этими 3D-технологиями в частности - распиарены они чрезмерно.
Они конечно хороши, и в перспективе много изменят. Но пока усилия на их освоение порой превосходят трудозатраты на сам проект (ради облегчения коего они вроде бы призваны). Так что сопоставляйте цели и средтсва, и не стесняйтесь испачкаться, одевая рабочий комбинезон.

К стати , о полюсных катушках. В настоящих электромашинах их принята мотать вобще без каркаса, прямо на само железо .

Собстенно , к этому мы и пришли.

Собственно стенд.

Вообще говоря – это всё боковая ветвь эволюции. Можно было бы и на коленках, зубами сжимая провода. Так быстрее , проще, дешевле.
Однако, вся моя предыдущая практика красноречиво показывала: всё казалось бы быстрое тянется месяцами и годами, всё простое обрастает  фентифлюшками–цацками, а всё первоначально  дешёвое - рвёт бюджет так, что с высоты  этой кучи потерянных денег, всякие экономии на комфорте рабочего места выглядят мелочными и постыдными.

Да и места на верстаке занимать не хотелось, ибо даже в процессе работы это выглядит так.
Вот значит стенд. По виду – всего только тумбочка, собранная из перфорированного уголака (из такого делают складские стеллажи).

  

Немного металла, метизов и досок. Час работы ножовкой и гаечным ключом. Ну и колёсики с низу, для красоты и удобства –  у меня в мастерской тесновато, и если что, на колёсиках эту штуку можно легко передвинуть, что б не мешала.

Для понятности замысла привожу фото с одной из версий изделия на столе.

Стендовый прототип – состав комплекса, основные размерения.

Он минимальный.

- БРЛКЭМ (извините, что по татарски , но писать много букафф «бироторная линейно-кольцевая электромашина» не хочется. Кто не согласен – предложите название лучше).

- источник электропитания,

- частотно-регулируемое управление роторами (DCU – Drive Control Unit)

- ну и собственно стенд (каркас).

Над размерами долго голову не ломал – это должно быть что- не очень большое (чтоб можно было спрятать за шкаф или задвинуть куда нибуть в угол), но всё же понятное глазу без микроскопа. Решил придерживаться линейного масштаба 1:5 по отношению  к предполагаемому промышленному изделию. Тогда расчётный диаметр магнитного ротора у меня получился где-то с пол-метра. Ну и всё остальное от него пляшет.

Отчёт о ходе проекта: Стендовый прототип - зачем он нужен?

Во-первых, нужно  «в железе» пощупать,  как это всё получается. Чертежи и 3D-визуализация –  это конечно хорошо, но «гладко было на бумаге, пока не встретились овраги».

В-вторых, нужно качественно оценить механнику – будет ли крутиться, то что должно бы крутиться,  и будет ли держаться, то что должно стоять на крепко.

В-третьих, меня беспокоит вопрос электромагниткной совместимости отдельных частей магнитной системы. Тут вот какая штука. Генератор, представляет собой обычную электромашину. Но ест в ней кое-какие особенности. Прежде всего – отсутствие вала. Роторы – это кольца большого диаметра, с закреплёнными на них лопастями. Кольца выполнены из электропроводящего материала (алюминий), и  вращаются в переменном магнитном поле трёхфазных статоров. Но у машины два ротора – внешний и внутренний, вложенные друг в друга. Собственно – от того и название : би-роторная линейно-кольцевая электромашина. Статор (его магнитная система) оказывается между ними. По соображениям аэродинамики эти роторы должны не только вращаться навстречу друг другу (один по часовой стрелке, другой – против) но и делать это с разными скоростями – внутренний в несколько раз быстрее внешнего. Получается , что в магнитной системе одновременно будет присутствовать магнитной поле как миниму двух разных частот, да к том уже вращающееся в противоположные стороны.

Как бы чего не вышло.

Впрочем, это ещё не тот «стендовый прототип», что обозначен в Графике проекта на 5-й строке. До него ещё рано. Это скорее макет, хотя и «живой». Все «прототипы» появятся позже