CC BY
36
Машиностроение и компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 УДК 621.865, 004.942
Анализ механических систем в отечественных и зарубежных CAD системах
Мартынюк В.А.1'2, ТруДОНОШИН В.А.Ц*, 'tmdonoEhingjmail-ru
Федорук В.Г.1
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2Научно-производственная корпорация „Иркут",
Москва, Россия
В статье обсуждаются результаты моделирования тестового объекта, полученные с помощью приложения «Симуляция кинематики» в системе NX 10.0, компании Siemens и комплекса ПА8, разработанного на кафедре САПР МГТУ им.Н.Э.Баумана. Продемонстрирована некорректность результатов, полученных с помощью NX 10.0 в ситуации, когда возмущение в объекте задается идеальным источником скорости. Некорректность выражалась в перемещении центра масс объекта под воздействием внутренних сил при отсутствии трения о внешнюю среду. Попытки устранить некорректность варьированием параметрами численного интегрирования ни к чему не привели. При моделировании этого объекта с помощью комплекса ПА8, подобная некорректность отсутствует.
Ключевые слова: моделирование механических систем; анализ; САПР; методы формирования математических моделей
Введение
В настоящее время в большинстве крупных отечественных проектов создания образцов высокотехнологических изделий преимущественно используются зарубежные CAD-системы. Например, объединенная авиационная корпорация (ОАК), корпорация "Вертолеты России", КАМАЗ, Атоммаш в своих современных проектах используют связку зарубежных комплексов Teamcenter - NX [1]. Основная причина данного обстоятельства заключается в том, что в настоящее время не существует отечественной CAD-системы, которая смогла бы в полной мере заменить зарубежные продукты для разработки таких сложных проектов, как гражданские самолеты Сухой СуперДжет-100 или МС-21. Отрадно, что постепенно крепнут такие отечественные CAD продукты, как T-Flex фирмы "TOP системы" [2] и Компас фирмы "Аскон" [ 3]. Но они ещё не могут в полной мере конкурировать с такими зарубежными системами как NX[4], CATIA [5], или PTC Creo [6].
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 06. С. 10-17.
DOI: 10.24108/0618.0001404
Представлена в редакцию: 06.05.2018
© НП «НЭИКОН»
Одной из сложностей в использовании «чужих» систем является отсутствие информации о реализованных в них математических моделях и методах, что иногда приводит к невозможности получить достоверный результат. В частности, авторы столкнулись с такой ситуацией при использовании приложения системы КХ «Симуляция кинематики». С помощью этого приложения выполняется динамический анализ различных механизмов на макроуровне.
Нужно отметить, что ещё с 70-х годов подобные программы разрабатывались и у нас в стране [7]. По описанию объекта исследования в виде схемы они способны автоматически сформировать его математическую модель в виде системы обыкновенных дифференциальных и выполнить численное интегрирование этой системы. Данный математический аппарат универсален и дает возможность анализировать системы различной физической природы и, в частности, сложные механические системы.
1. Описание объекта моделирования
На рис. 1 представлен механизм, использованный авторами в качестве тестового для сравнения возможностей системы NX и отечественного комплекса ПА8, разработанного на кафедре САПР МГТУ им.Н.Э.Баумана.
Рис.1 Механизм, подлежащий анализу
Ползун способен свободно перемещаться вдоль направляющей, с ним через вращательный шарнир и две пружины контактирует коромысло, правый конец которого шар-
нирно связан с маятником. Трение во всех связах считается отсутствующим. Внешнее воздействие на объект в численных экспериментах обеспечивали «источники» постоянных угловой скорости или момент сил на маятник относительно коромысла.
2. Результаты моделирования
Авторы статьи провели многократные расчеты динамики данного механизма с помощью приложения «Симуляция кинематики» в системе КХ 10.0. На рис. 2 приведен график зависимости положения (в миллиметрах) центра масс ползуна от времени (в секундах) при задании постоянной угловой скорости 10 оборотов в секунду.
"Лгтм* ^___
\ 1 "■■■ -.......—
(
\
^—; V
Т.ПИ
Рис.2 Положение центра масс ползуна, полученное с помощью КХ 10.0 при возмущении скоростью
Очевидно, что результат моделирования абсолютно не отражает физическую реальность - механизм перемещается под воздействием внутренних сил при отсутствии трения ползуна о направляющую. При этом неоднократно повышалась точность расчета: ошибка допуска, начальный размер шага численного интегрирования, максимальный размер шага численного интегрирования, но устранить нарастающее смещение механизма так и не удалось. Авторам неизвестен метод формирования математической модели объекта, используемый в КХ 10.0, но при использовании узловых методов [8,9], идеальный источник скорости дает нулевой элемент на диагонали в исходной матрице Якоби и эту особенность нужно учитывать при вычислениях.
На рис. 3 приведен график той же самой зависимости, полученной с помощью комплекса ПА8. Понятно, что этот результат вполне реалистичен.
Рис.3 Положение центра масс ползуна, полученное с помощью ПА8 при возмущении скоростью
На рис. 4 дан график зависимости, полученной с помощью NX при внешнем воздействии в виде постоянного момента сил в 290 Н*мм. А на рис. 5 — график зависимости, полученной с помощью комплекса ПА8.
Рис.4 Положение центра масс ползуна, полученное с помощью NX 10.0, при возмущении моментом
Файл Вид Изменить Окно Команды
|630|
д
/ \
А / \ I Т J
и 15701 А Г V. / \ / \ / Л
/ N \ / \ / \ J 1
\ / \ 1 \ 1 \ / \
\/ ! * \ / \ \
V
ш Время 0
Init | | Время = 1 Щ] "11 ■ || X I
Рис. 5 Положение центра масс ползуна, полученное с помощью ПА8 при возмущении моментом
Оба результата выглядят вполне реалистично. Расхождение графиков можно попытаться объяснить различием используемых в NX и ПА8 методов численного интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений.
Заключение
В итоге сравнения двух систем можно сделать вывод о том, что приложение «Симуляция кинематики» в системе NX 10 содержит скрытый от пользователя дефект, который может существенно повлиять на достоверность получаемых результатов моделирования. И, к сожалению, пользователь на данную ситуацию никак повлиять не может. Некорректный результат, полученный в одном вычислительном эксперименте, вызывает сомнения в корректности во всех остальных.
Список литературы
1. PLM эксперт. Инновации в промышленности. 2018. № 1 (апрель).
2. Козлов С. T-FLEX CAD 16. Ч. 3: Инструменты для работы со сборочными моделями // САПР и графика. 2018. № 7. С. 30-34.
3. Большаков В. П., Бочков А. Л., Лячек Ю. Т. Твердотельное моделирование деталей в CAD-системах: учеб. курс. СПб.: Питер, 2014. 473 с.
4. NX Advanced Simulation. Инженерный анализ: учеб. пособие / П.С. Гончаров и др. М.: ДМК Пресс, 2012. 503 с.
5. Верди Оджуэлл. О некоторых аспектах PLM-конкуренции Dassault и Siemens. Режим доступа: http://isicad.ru/ru/artides.php?artide_num=20021 (дата обращения 14.09.2018).
6. Creo Elements/Pro 5.0 Primer Advanced: учеб. пособие. Режим доступа: https://www.solver.ru/products/kamp/files/olimpiada/Primer_Advanced_rus.pdf (дата об-
ращения 03.09.2018).
7. Применение комплекса ПА9 для проектирования объектов машиностроения. Режим доступа: http://wwwcdl.bmstu.ru/Press/Press.html (дата обращения 03.09.2018).
8. Трудоношин В.А., Пивоварова Н.В. Математические модели технических объектов: учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1986. 157 с.
9. Моделирование систем с сосредоточенными параметрами (базовый курс). Режим доступа: http://bigor.bmstu.ru/?cnt/?doc=Mod/base.cou (дата обращения 03.09.2018).
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278
Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 06, pp. 10-17.
DOI: 10.24108/0618.0001404
Received: 06.05.2018
© NP "NEICON"
Analysing Mechanical Systems in Domestic and Foreign CAD Systems
V.A. Martynyuk1'2, V.A. Trudonoshin12 V.G. Fedoruk1
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 2Irkut Corporation Joint-Stock Company, Moscow, Russia
trudoiio shinSSmailra
Keywords: modeling of mechanical systems; analysis; CAD; methods of formation of mathematical
models
The article considers applications of foreign CAD-systems in creating the challenging projects at domestic enterprises and design bureaus. As stated in the article "... presently, there is no domestic CAD-system that could completely replace such foreign products as NX, CATIA, Credo". Besides, due to international cooperation in creating the challenging projects (for example, the project to create a modern wide-body aircraft, proposed jointly with China), it makes sense to use the worldwide known and popular CAD systems (the aforementioned NX, CATIA, Credo).
Therefore, in the foreseeable future, we will still have to use foreign software products. Of course, there always remains a question of the reliability of the results obtained. Actually, this question is always open regardless of what software product is used - domestic or foreign. This question has been haunting both developers and users of CAD systems for the last 30 to 40 years. But with using domestic systems, it is much easier to identify the cause of inaccurate results and correct the mathematical models used, the methods of numerical integration applied, and the solution of systems of nonlinear algebraic systems. Everything is much more complicated if we use a foreign software product. All advertising conversations that there is a tool to make the detected errors available to the developers, remain only conversations in the real world. It is easily understandable to domestic users, and, especially, to domestic developers of similar software products. The existing development rates and competition for potential buyers dictate a rigid framework of deadlines for releasing all new versions of the product and introducing the latest developments into commercial product, etc. As a result, the known errors migrate from version to version, and many users have accepted it long ago. Especially, this concerns the less popular tools rather than the most popular applications (modules) of a CAD system. For example, in CAD systems, the "Modeling" module where geometric models of designed parts and assembly units are created has been repeatedly crosschecked. But most of the errors are hidden in applications related to the design of parts from sheet material and to the pipeline design, as well as in
applications related to the analysis of moving mechanisms and to the strength or gas dynamic analysis by the finite element method.
The article gives a concrete example of a moving mechanism in the analysis of which an error was detected using the mathematical model of external influence (a source of speed) in the NX 10.0 system of Siemens.
References
1. PLM ekspert. Innovatsii v promyshlennosti [PLM expert. Industrial innovations]. 2018. No. 1 (April) (in Russian).
2. Kozlov S. T-FLEX CAD 16. Pt. 3: Tools for working with assembly models. SAPR i grafika [CAD and Graphics], 2018, no. 7, pp. 30-34 (in Russian).
3. Bol'shakov V.P., Bochkov A.L., Liachek Yu.T. Tverdotel'noe modelirovanie detalej v CAD-sistemakh [Solid-state modeling of parts in CAD systems]: a textbook. S.-Petersburg: Piter Publ., 2014. 473 p. (in Russian).
4. NX Advanced Simulation. Inzhenernyj analiz [NX Advanced Simulation. Engineering analysis]: a textbook / P.S. Goncharov a.o. Moscow: DMK Press, 2012. 503 p. (in Russian).
5. Verdi Odzhuell. O nekotorykh aspektakh PLM-konkurentsii Dassault i Siemens [On some aspects of PLM competition between Dassault and Siemens]. Available at: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=20021, accessed 14.09.2018 (in Russian).
6. Creo Elements/Pro 5.0 Primer Advanced: a textbook. Available at: https://www.solver.ru/products/kamp/files/olimpiada/Primer Advanced rus.pdf, accessed 03.09.2018 (in Russian).
7. Primenenie kompleksa PA9 dlia proektirovaniia ob'ektov mashinostroeniia [The use of complex nA9 for the design of engineering objects]. Available at: http://wwwcdl.bmstu.ru/Press/Press.html, accessed 03.09.2018 (in Russian).
8. Trudonoshin V.A., Pivovarova N.V. Matematicheskie modeli tekhnicheskikh ob 'ektov [Mathematical models of technical objects]: a textbook. Moscow: Vysshaia shkola Publ., 1986. 157 p. (in Russian).
9. Modelirovanie system s sosredotochennymi parametrami (bazovyj kurs) [Modeling of systems with concentrated parameters (basic course)]. Available at: http://bigor.bmstu.ru/?cnt/?doc=Mod/base.cou, accessed 03.09.2018 (in Russian).
