CC BY
254
УДК 621.81.(075.8)
С. Г. Кондрашева, Д. А. Хамидуллина, В. А. Лашков
ИНЖЕНЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ АРМ WinMashine
Ключевые слова: расчет, автоматизированное проектирование, инженерный анализ.
Рассмотрена система автоматизированного проектирования и инженерного анализа деталей, механизмов и машин АРМ WinMashine. Определены структура программного продукта и назначения отдельных блоков. Приведен пример создания параметрического чертежа механического привода.
Keywords: calculation, computer-aided design, engineering analysis.
The system of computer-aided design and engineering analysis of details, mechanisms and machines ARM WinMashine were reviewed. The structures of the software and use the every block were defined. An example of a parametric drawing mechanically drive was given.
Курсы «Детали машин и основы конструирования», «Теоретическая механика» и «Прикладная механика» являются одними из основных общеинженерных дисциплин. Эти дисциплины объединяют ранее полученные знания по высшей математике (дифференциальное и интегральное исчисление, аналитическая геометрия), физике, теоретической механике, материаловедению, начертательной геометрии и инженерной графике в единое целое, необходимые для решения инженерных конструкторских задач и тем самым завершает общеинженерную подготовку студентов.
В результате изучения перечисленных предметов студенты должны приобрести компетенции, необходимые для изучения специальных дисциплин и дальнейшей инженерной деятельности.
Студенты, освоившие курсы «Детали машин и основы конструирования», «Теоретическая механика» и «Прикладная механика», должны знать:
- терминологию, основные понятия и определения;
- основные виды машиностроительных механизмов и устройств общего назначения;
- условия (математические модели) прочности и жесткости;
- важнейшие требования к вновь разрабатываемым конструкциям общего машиностроения;
- основополагающие принципы, на которых базируется современное конструирование и производство (в том числе и механических устройств);
- критерии работоспособности и расчета деталей и узлов механизмов и машин;
- основы расчетов деталей механизмов и машин на прочность при постоянных и переменных напряжениях;
- основные виды передаточных механизмов общего назначения (передач) и критерии их расчетов на работоспособность;
- детали и узлы для передачи вращательного движения и критерии их расчетов на работоспособность;
Кроме того, студенты должны уметь:
- подбирать необходимую для проектирования механических устройств общего назначения справочную литературу, стандарты и другие нормативные материалы (в том числе графические);
- обоснованно выбирать для разрабатываемых устройств конструкционные материалы и рационально их использовать;
- рассчитывать и конструировать детали и узлы общего назначения, используя справочную литературу, стандарты и другие нормативные материалы;
- учитывать при конструировании требования экономичности, технологичности, ремонтопригодности, стандартизации, унификации, промышленной эстетики, безопасности и экологии;
- оформлять графическую и текстовую конструкторскую документацию в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД;
- конструировать передаточные механизмы общего назначения;
- выполнять расчеты механических устройств на работоспособность;
- выполнять расчеты параметров электромеханических приводов;
- выполнять чертежи механических устройств;
- работать со справочной литературой, стандартами и другими нормативными материалами.
Для достижения целей, поставленных при изучении курсов, используется полный набор методических средств: лекции, практические занятия, самостоятельная познавательная деятельность студентов при выполнении индивидуальных аудиторных и домашних заданий, индивидуальные и групповые консультации по теоретическим и практическим вопросам курса, в том числе и по вопросам, связанных с выполнением индивидуальных заданий, целевые индивидуальные и групповые пояснительные консультации в специализированных аудиториях кафедры с использованием натурных образцов механических устройств, изучаемых в курсе.
Неотъемлемой частью изучаемых дисциплин, незаменимым видом индивидуальной познавательной деятельности студента является курсовое проектирование. Решая индивидуальную инженерную конструкторскую задачу, студент не только закрепляет знания и умения, но и приобретает новые знания и умения, обусловленные этим видом работы, а также накапливает ценный опыт самостоятельной работы с литературой, занимаясь поиском необходимой информации и её анализом. Курсовое проектирование - это разновидность творческой инженерной деятельности студентов, изучающих дисциплины кафедры машиноведения [1].
В существующей системе профессионального образования технических вузов важное значение приобретает использование различных технических средств обучения, обеспечивающих достижение необходимого качества профессиональной подготовки. Вышесказанное относится как к профилирующим кафедрам, так и к кафедрам блока общепрофессиональных дисциплин.
В настоящее время на многих кафедрах Казанского национального исследовательского технологического университета для выполнения расчетов, проектировочных работ, а также для оформления и ведения конструкторской документации используются системы автоматизированного проектирования и пакеты прикладных программ, такие как Solid Edge, AutoCAD, Ansys, Компас, MathCAD, ChimCAD и другие.
Несмотря на удобство пользования и большой интерес к данным программам со стороны студентов, чертежно-конструкторский редактор не может полностью удовлетворить потребности обучения в плане создания оптимальных по размерам, массе, энергопотреблению и ряду других параметров конструкций.
Основным программным продуктом при изучении курсов «Детали машин и основы конструирования», «Теоретическая механика» и «Прикладная механика» является инструментально-экспертная система автоматизированного расчета и проектирования в машиностроении АРМ WinMachine, которая активно осваивается в курсовом и дипломном проектировании. Такой выбор сделан, прежде всего, потому, что данная система представляет собой обширный справочник по машиностроению, включающий инструменты и программы для автоматизированного расчета и проектирования деталей машин, механизмов, элементов конструкций и узлов. АРМ WinMachine содержит современные, эффективные и надежные алгоритмы и программы для расчета: энергетических и кинематических параметров; прочности, жесткости и устойчивости; выносливости при постоянной и переменной внешних нагрузках; вероятности, надежности и износостойкости; динамических характеристик.
Кроме того, АРМ WinMachine образует целый комплекс, состоящий из различных под-
систем, например, для проектирования передач вращения, для расчета неидеальных подшипников качения, для расчета и анализа радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения, для расчета и проектирования кулачковых и мальтийских механизмов с автоматическим генератором чертежей.
Технология обучения экспертной системе автоматизированного расчета и проектирования АРМ WinMachine такая же, как и для системы Компас, однако АРМ WinMachine кроме выполнения чертежной документации позволяет производить всесторонний инженерный анализ разрабатываемой конструкции или передачи. Инженерный анализ - это достаточно широкое понятие, включающее весь комплекс необходимых вычислений для получения информации по прочности, жесткости, долговечности и устойчивости конструкций, по расчету частот собственных колебаний и определению динамических характеристик создаваемого оборудования в условиях действия вынужденных силовых факторов. Кроме того, в инженерной практике приходится решать тепловые задачи, проблемы термоупругости, пластичности, течения жидкости и газа, множество специализированных локальных проблем. Все перечисленные инженерные задачи решаются для того, чтобы были созданы равнопрочные конструкции, имеющие минимальный вес, минимальные энергетические потребности и, как следствие минимальные начальную стоимость и эксплуатационные затраты.
Студентам весьма полезно проводить параллельные расчеты, выполненные как в системе АРМ WinMachine, так и без использования специальных программных продуктов на основе известных методик. Такой подход к проблеме конструирования позволит осознано выполнять и процедуру подготовки исходных данных и анализ полученных с помощью системы автоматизированного проектирования результатов.
Методы, которые используются для вычислений в системе АРМ WinMachine, в некоторых случаях не идеально точно совпадают с результатами аналитических вычислений ввиду того, что численные решения универсальны и приближенны. Однако, как легко убедиться с помощью параллельных вычислений эти решения имеют вполне достаточную для инженерной практики точность.
Имеющиеся в АРМ WinMachine возможности инструментального обеспечения решения инженерных задач позволяют выполнить расчет:
• энергетических и кинематических параметров;
• прочности, жесткости и устойчивости;
• выносливости при переменных режимах нагружения;
• вероятности, надежности и износостойкости.
В состав программного продукта входит параметрический чертежно-графический редактор, информационная и графическая база данных, электронный учебник, модули инженерных расчетов, инструменты для расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов, средства анализа динамического состояния механических конструкций и их устойчивости [2-4]. Все это в конечном итоге позволяет выполнить весь комплекс необходимых вычислений и в полном объеме подготовить конструкторскую документацию, в случае необходимости используя возможности экспорта и импорта графической и расчетной информации.
Система АРМ WinMachine построена по модульному принципу, причем каждый из модулей может работать как в составе системы, так и самостоятельно:
- АРМ Сrарh - плоский чертежно-графический редактор для оформления конструкторской документации, имеющий удобные функции параметрического задания геометрических объектов;
- АРМ Studio - модуль создания трехмерных поверхностных и твердотельных моделей со встроенным генератором разбивки на конечные элементы;
- АРМ Mechanical Data - модуль хранения стандартных деталей и узлов, справочных данных по общему машиностроению;
- АРМ Material Data - модуль хранения и редактирования параметров материалов;
- АРМ Construction Data - модуль хранения графической информации по стандартным деталям и элементам строительных конструкций;
- АРМ Technology Data - модуль хранения стандартных информационных данных для проектирования технологических процессов;
- АРМ DOCs - модуль хранения, просмотра, поиска и редактирования технической документации;
- АРМ Book - электронный учебник «Основы проектирования машин», в котором изложены основные методы расчета, реализованные в Системе АРМ WinMachine;
- АРМ Structure3D - модуль расчета и проектирования произвольных конструкций, состоящих из пластинчатых, стержневых, а также объемных элементов и их произвольных комбинаций методом конечных элементов. С его помощью можно рассчитать напряженно-деформированное состояние конструкции в статическом режиме, выполнить расчеты на устойчивость и определение собственных частот, а также проанализировать поведение конструкции при произвольном динамическом нагружении;
- АРМ Joint - модуль расчета и проектирования соединений деталей машин и элементов конструкций, который позволяет выполнить комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения;
- АРМ Trans - модуль проектирования передач вращения, предназначенный для расчета всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач, и генерации чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме;
- АРМ Bear - модуль расчета неидеальных подшипников качения, позволяющий провести комплексный анализ опор качения всех известных типов;
- АРМ Plain - модуль расчета и анализа радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения;
- АРМ Shaft - модуль расчета, анализа и проектирования валов и осей;
- АРМ Drive - модуль расчета и проектирования привода произвольной структуры, а
также планетарных и волновых передач. С его помощью выполняется комплексный расчет кинематических характеристик и проектирование как привода в целом, так и отдельных его элементов (подшипников качения, передач зацеплением и валов), с автоматической генерацией чертежей, как отдельных деталей, так и в сборе, включая корпус;
- АРМ Spring - модуль расчета и проектирования пружин и других упругих элементов машин, при помощи которого можно рассчитать и вычертить пружины сжатия, растяжения и кручения, плоские пружины, а также тарельчатые пружины и торсионы;
- АРМ Cam, АРМ Slider - модули расчета и проектирования кулачковых механизмов с автоматической генерацией чертежей и рычажных механизмов произвольной структуры;
- АРМ Screw - модуль для расчета неидеальных передач поступательного движения. Он способен рассчитать винтовые передачи скольжения, шарико-винтовые и планетарные винтовые передачи;
- АРМ Beam, АРМ Truss - модули расчета и проектирования балочных элементов конструкций и плоских ферм методом конечных элементов;
- АРМ Technology - модуль проектирования технологических процессов.
Каждый модуль представляет пользователю интегрированную среду, которая в общем случае включает в себя: специализированный графический редактор; полный цикл вычислений; разнообразные средства представления результатов расчета; встроенные базы данных. Многочисленный список модулей уже не представляется обособленным. Интеграция модулей позволяет обеспечить комплексное проектирование.
В качестве основного результата расчета приведено создание параметрических чертежей (рис.1-3) механического привода с использованием модуля APM Drive. Указанный модуль предназначен для комплексного расчета многоступенчатого привода с произвольным расположением осей в пространстве, включающего зубчатые передачи (цилиндрические, конические, червячные, планетарные), валы и подшипники качения.
Процесс проектирования привода вращательного движения произвольной структуры с использованием модуля APM Drive сводится к заданию кинематической схемы в специальном редакторе, вводу начальных и конечных параметров привода в целом, а также к анализу и корректировке полученных результатов. APM Drive позволяет выполнить как проектировочный, так и проверочный расчет привода. Этот модуль работает совместно с модулями расчета зубчатых передач APM Trans, валов и осей APM Shaft и подшипников качения APM Bear, так что на выходе можно получить все расчетные характеристики и рабочие чертежи элементов привода, которые обеспечивают эти модули. Результаты расчетов в APM Drive представляются в виде автоматически сгенерированного сборочного чертежа редуктора и текстового файла отчета.
Рис. 1 - Общий вид механического привода в системе АРМ WinMashine
Рис. 2 - Сборочный чертеж червячного редуктора
Расчет элементов механического привода может вестись как при постоянном, так и при переменном режиме нагружения.
Одной из особенностей современных инженерных модулей является генерация текстового файла исходных данных и результатов расчета.
Для наиболее полного раскрытия теоретических аспектов и методов расчета, реализованных в системе, предназначен электронный учебник «Основы проектирования машин» -
Х-479 84 Y-ЭОО Л Cl
Рис. 3 - Чертежи деталей червячного редуктора
APM Book.
Кроме курса «Детали машин и основы конструирования» система АРМ WinMachine
может быть с успехом использована при изучении курсов «Сопротивление материалов»,
«Теория механизмов и машин», «Теоретическая механика»
Литература
1. Борисов, В.М. Конструкторский контроль курсовых проектов и выпускных квалификационных работ студентов машиностроительных специальностей / В.М. Борисов, В.А. Лашков, С.В. Борисов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 11. - С. 401-406.
2. Шелофаст, В.В. Основы проектирования машин / В.В. Шелофаст - М.: Изд-во АПМ, 2000. - 472 с.
3. Шелофаст, В.В. Основы проектирования машин. Примеры решения задач. / В.В. Шелофаст, Т.Б. Чугунова - М.: Изд-во АПМ, 2004. - 240 с.
4. Замрий, А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов трехмерных конструкций в среде АРМ Structure 3D. Учебное пособие / А.А. Замрий - М.: Изд-во АПМ, 2004. - 208 с.
© С. Г. Кондрашева - канд. техн. наук, доц. каф. машиноведения КНИТУ; Д. А. Хамидуллина - ст. преп. той же кафедры; В. А. Лашков - д-р техн. наук, проф. зав. каф. машиноведения КНИТУ, lashkov_dm@kstu.ru.
