CC BY
100
Машиностроение
уДК 004.925.84
моделирование и анализ элементов механических передач в среде SOLIDWORKS на БАЗЕ API
м. в. Чугунов, А. в. Щёкин
В статье рассматривается подход к автоматизированному проектированию элементов механических передач, основанный на параметрическом 3D-моделировании деталей машин с учетом их жесткостных и прочностных характеристик. В качестве средства 3D-моделирования используется CAD-система SolidWorks. При этом создание 3D-модели реализуется автоматически в соответствии с набором заданных параметров. Для анализа прочности и жесткости элементов механических передач, представленных расчетной схемой бруса, используются стержневые конечноэлементные модели, максимально адаптированные к расчетным схемам данного типа (одномерным и односвязным). В тех случаях, когда деталь не может быть представлена стержневой моделью, применяются стандартные инженерные методики расчета в виде эмпирических зависимостей.
Основной целью работы является разработка программного обеспечения, дополняющего штатный функционал SolidWorks эффективными и экономичными инструментами анализа напряженно-деформированного состояния конструкций рассматриваемого класса. Для этого используется программный интерфейс приложения API (Application Program Interface) SolidWorks.
Ключевые слова: системы автоматизированного проектирования, механические передачи, 3D-моделирование, API-программирование, COM, SolidWorks, объектно-ориентированное проектирование, CAD/CAM/CAE.
3D-MODELLING AND ANALYSIS FOR MECHANICAL TRANSMISSION ELEMENTS IN SOLIDWORKS SOFTWARE BASED ON API
M. V. Chugunov, A. V. Shchyokin
An approach to creation of software, based on API SolidWorks so, that it extends the basic SolidWorks functionality, concerning 3D-modelling for mechanical transmissions elements. 3D-model has been created automatically, according to user defined parameters. API (Application Program Interface) is the general tool for this problem solving. Results: It is shown, that considered approach is effective for SolidWorks users for following reasons: fully automated style for this model creation, not very expensive analysis for the stress-deformed behavior, based on 1D FEM-model.
Keywords: computer aided design, mechanical transmissions, 3D-modelling, APIprogramming, COM-technology, SolidWorks, object-oriented design, CAD/CAM/CAE.
© чугунов М. В., Щёкин А. В., 2014
SolidWorks - CAD/CAM/CAE-система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства. Специализированный модуль SolidWorks Simulation (в более ранних версиях -CosmosWorks) позволяет осуществлять анализ прочности, жесткости, устойчивости и выносливости изделий широкого спектра сложности и назначения.
Математическим обеспечением SolidWorks Simulation является метод конечных элементов (МКЭ). К его достоинствам относят высокую точность решения и наглядность представления результатов, к недостаткам (в рассматриваемом контексте) - вычислительную трудоемкость или необходимость формирования специфической для этого метода расчетной схемы конструкции, отличающейся от общепринятой в инженерной практике. Кроме этого, в составе SolidWorks имеются специализированные библиотеки стандартных элементов ToolBox, используемых в контексте сборки, которые наряду с возможностью построения параметрических твердотельных моделей, как правило, обладают дополнительной функциональностью, присущей CAE-системам, т. е. на начальных этапах проектирования позволяют осуществлять анализ состояния конструкции на основе упрощенных инженерных методик (сопротивление материалов и др.). Такой подход позволяет получить решение в кратчайшие сроки, но не гарантирует высокой точности результатов.
На наш взгляд, актуальной является проблема разработки библиотек ToolBox на базе использования моделей МКЭ, адаптированных к особенностям конструкций рассматриваемого класса так, что реализация
метода не требует дополнительных к действий от пользователя, кроме Ц задания исходных данных общего g характера, не имеющих отношения | к МКЭ как методу решения. В на- g шей работе такой подход использу- <5 ется при создании параметрических ® моделей элементов механических § передач с последующим анализом | проектных решений с точки зрения й прочности, жесткости и выносливо- м сти с использованием стержневых я конечных элементов. Такой вариант & МКЭ не предъявляет высокие требования к вычислительным ресурсам, но избавляет от трудностей, связанных со статической неопределимостью рассматриваемой системы и с особенностями наложения граничных условий. Кроме того, будучи встроенным внутрь библиотеки, МКЭ может быть скрыт от пользователя и не требовать обращения к специальному интерфейсу, а также формирования конечно-элементной модели и расчетной схемы.
Средством решения поставленной задачи является интерфейс прикладного программирования API (Application Programming Interface), входящий в состав базовой конфигурации SolidWorks. API содержит сотни вызываемых из программ пользователя функций, которые позволяют разрабатывать многофункциональные приложения на платформе SolidWorks [1].
На рис. 1-2 показаны элементы разработанного нами пользовательского интерфейса, применяемого на этапе формирования твердотельной модели конструкции. В нем задаются участки вала разного геометрического типа (цилиндрические, конические и др.), определяются посадочные места подшипников и, в зависимости от их типа, автоматически формируются граничные условия по перемещениям.
рис. 1. Элемент пользовательского интерфейса на этапе создания цилиндрического участка вала
Особенностями пользовательско- Manager Page и TaskPane), а так-го интерфейса является его встро- же динамическое редактирование енность в окна SolidWorks (Property данных.
рис. 2. Элемент пользовательского интерфейса на этапе создания зубчатого колеса
На рис. 3 представлен фрагмент определяются по этим параметрам ав-
панели для задания динамических и томатически, а набор исходных данных
кинематических параметров передач. соответствует стандартным инженер-
Внешние силовые воздействия на вал ным методикам.
Рис. 3. Фрагмент панели для задания динамических и кинематических параметров передачи
Рис. 4 иллюстрирует вариант вывода результатов напряженно-деформированного состояния вала в виде упругой линии, а также эпюр внутренних силовых факторов с указанием опасной точки, величины эквивалентного напряжения
и коэффициента запаса по усталостной прочности. Все представленные графические объекты являются SD-эскизами SolidWorks и рассматриваются в качестве элементов дерева конструирования модели.
Р и с . 4. Пример графического вывода результатов напряженно-деформированного состояния вала
Программно данный подход был реализован в виде пяти динамических библиотек: Mechanics (AddIn-модуль, организующий программный интерфейс с SolidWorks), ShaftWorks (для формирования модели вала), GearCylWorks (для формирования модели цилиндрического зубчатого колеса), GearConWorks (для фор-
мирования модели конического зубчатого колеса) и ShaftSimulation (для реализации МКЭ). Проекты создавались в среде Visual Studio C++, структуры решений для которых представлены на рис. 5. Проекты GearCylWorks, GearConWorks и ShaftWorks являются аналогичными, рисунок иллюстрирует решение GSW для GearCylWorks.
Р и с . 5. Решения проектов
Функции основного класса МКЭ CFEMAnalysis для ShaftSimulatюn реализуют дискретизацию системы, ансам-блирование, решение СЛАУ и обратный ход. Классы CSubstructure и СЕ1етеШ предназначены для создания матриц жесткости конечных элементов и под-
конструкций [2], а CLoadPage обеспечивает формирование панелей диалога и ввод исходных данных. Обмен данными между библиотеками и AddIn-мо-дулем осуществляется посредством специально созданного массива структур DataSolve.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Аведьян, А. Б. SolidWorks API - универсальная платформа для интеграции инженерных и бизнес-приложений / А. Б. Аведьян, Е. Е. Викентьев // САПР и графика. - 2011. - № 6. - С. 32-40.
2. максимовский, д. Е. Программная реализация МКЭ для стержневых конструкций на основе объектно-ориентированного подхода / Д. Е. Максимовский, М. В. Чугунов // Технологии Microsoft в теории и практике программирования : материалы Всероссийской научно-практической конференции; под ред. Р. Г. Стронгина. - Нижний Новгород, 2008. - С. 409-410.
Поступила 04.12.2013 г.
Об авторах:
Чугунов михаил владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин Рузаевского института машиностроения (филиал) ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» (г. Рузаевка, Россия), [email protected]
Щёкин александр васильевич, инженер кафедры МРСиК Рузаевского института машиностроения (филиал) ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» (г. Рузаевка, Россия), [email protected]
Для цитирования: Чугунов, М. В. Моделирование и анализ элементов механических передач в среде SolidWorks на базе API / М. В. Чугунов, А. В. Щёкин // Вестник Мордовского университета. -2014. - № 1. - С. 148-153.
references
1. Avedian A. B., Vikentiev E. E. SolidWorks API - universal'naya platforma dlia integratsii inzhenernikh i biznes-prilozheniy [SolidWorks API - universal base for integration of engineering and business applications]. SAPRIgrafika - CAD and graphics. 2011, no. 6, pp. 32 - 40.
2. Maksimovsky D. E. Programmnaya realizatsiya MKE dlia sterzhnevikh konstruktsiy na baze obiektno-orientirovannogo podhoda [Program realization FEM for beam-frame structures, based on object-oriented approach]. Tekhnologii Microsoft v teorii Ipraktike programmirovaniya: materiali Vseros. Nauchno-prakt. Konf. Pod red. R. G. Strongina - Microsoft technologies in theory and practice of programming: Russian Federation academic conference proceedings edited by R.G.Stringin. Nizhny Novgorod, 2008, pp. 409 - 410.
About the authors:
Chugunov Mikhail Vladimirovich, head of the department of Technical Disciplines, Ruzaevka Machine Engineering Institute, OgarevMordovia State University (Ruzaevka, Russia), Kandidat Nauk (PhD) degree holder in Engineering sciences, [email protected]
Shchyokin Alexander Vasilyevich, engineer, Ruzaevka Machine Engineering Institute, Ogarev Mordovia State University (Ruzaevka, Russia), Kandidat Nauk (PhD) degree holder in Engineering sciences, [email protected]
For citation: Chugunov M. V., Shchyokin A. V. Modelirovanie i analiz jelementov mehanicheskih peredach v srede SolidWorks na baze API [3D modelling and analysis for mechanical transmission elements in SolidWorks software based On API]. Vestnik Mordovskogo Universiteta - Mordovia University Bulletin. 2014, no. 1, pp. 148 - 153.
