CC BY
192
Применение систем автоматизированного проектирования в машиностроении
Бубнов В. П., Султонов Ш. Х. Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
Санкт-Петербург, Россия bubnov1950@yandex.ru, sultonovsh@yandex.ru
Аннотация. Рассматривается технологический процесс автоматизации твердотельного моделирования на этапе проектно-конструкторских работ. Представлены проблемы, возникающие при использовании программных средств технологического проектирования. Предложено решение этих проблем, которое заключается в автоматическом формировании массива конструктивно-технологических признаков и в синтезе технологического процесса информационной системой на стадии рабочего проектирования.
Ключевые слова: твердотельное моделирование, алгоритм, метод конечных элементов, инженерный анализ, SolidWorks, проектирование.
Введение
В настоящее время одно из важнейших направлений вагоностроения - использование компьютерных технологий для решения сложных задач проектирования. Возможности и границы применения компьютерных технологий для автоматизации проектирования определяются уровнем научно-технических знаний в данной отрасли. Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем больше возможностей для автоматизации процесса их проектирования.
Многие специалисты конструкторских отделов промышленных предприятий приобретают опыт построения твердотельных моделей методом проб и ошибок. В этом случае технология построения трёхмерных моделей с помощью двухмерной системы автоматизированного проектирования не оптимальна и в зависимости от уровня компьютерной подготовки конструктора может быть очень трудоемкой [1, 2].
В последние годы интеллектуальная информационная система (ИИС) для решения расчетных и некоторых про-
ектных задач (изготовления чертежей, спецификаций, расчетов и т. д.) уделяет много внимания автоматизации расчетно-конструкторских работ при проектировании узлов и агрегатов, в связи с чем появляются универсальные инженерные программы. Автоматизация проектирования с помощью компьютерных технологий основывается на системном подходе, т. е. на создании и внедрении систем автоматизированного проектирования технических объектов (САПР), благодаря которым решается весь комплекс задач от анализа задания до разработки полного объема конструкторской и технологической документации [3, 4].
Цели внедрения таких программ - повысить качество проектирования, снизить материальные затраты на него, сократить сроки проектирования и освоения новых видов выпускаемой продукции. Явное преимущество автоматизированного проектирования - возможность заменить математическим моделированием дорогостоящее и продолжительное физическое моделирование. Процесс проектирования реализуется в подсистемах в виде последовательности проектных процедур и операций. Процедура состоит из элементарных проектных операций, имеет твердый порядок их выполнения и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования. Тип объекта проектирования показан на рис. 1.
Рассмотрим пример моделирования автосцепки подвижного состава при помощи программы SolidWorks [4, 5]. Для получения достоверных результатов при расчетах необходимо также рассмотреть условия эксплуатации моделируемой детали или узла.
Автосцепное устройство относится к ответственным частям вагона. Оно предназначено для соединения (сцепления) вагонов и локомотивов, удержания их на определенном расстоянии друг от друга, передачи и смягчения действия
Рис. 1. Тип объекта проектирования
продольных (растягивающих и сжимающих) усилий, развивающихся во время движения поезда.
Нарушения правил эксплуатации (роспуск вагонов с горки на повышенной скорости, неправильное ведение поезда и т. д.) и ремонта автосцепного устройства часто приводят к появлению трещин и изломов в его деталях. Причиной излома может быть и чрезмерный износ деталей.
Автосцепное устройство во время эксплуатации подвергается воздействию комплекса силовых факторов, действующих в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Под воздействием перечисленных сил автосцепка одновременно подвергается деформациям изгиба в вертикальной и горизонтальной плоскостях, стесненного кручения, растяжения и сжатия.
С помощью инженерного анализа трехмерного моделирования пользователь может оценить прочность разработанной им конструкции по допустимым напряжениям, определить наиболее слабые места конструкции и внести необходимые изменения в изделие (оптимизировать его). При этом между трехмерной моделью изделия и расчетной конечно-элементной моделью поддерживается ассоциативная связь. Параметрические изменения исходной твердотельной модели автоматически переносятся на сеточную конечно-элементную модель [3]. Алгоритм работы анализ трехмерного моделирование показан на рис. 2.
Смоделируем условия нагружения объекта, чтобы выявить предельную величину значения суммарного продольного зазора в автосцепном устройстве. Для этого необходимо: создать параметризованную модель автосцепки; установить характер взаимодействия объекта с сопряженными элементами (способ опирания); определить типы и места приложения внешних нагрузок; выполнить цикл расчетов; установить тенденцию изменений параметров. Созданная с помощью программы SolidWorks модель автосцепки приведена на рис. 3.
Таким образом, модель есть идеализированное представление заданной реальной конструкции. Точность выполняемого расчета зависит в основном от точности моделирования, поэтому этапу подготовки расчетной модели следует уделять исключительное внимание.
Особенность данного этапа - многовариантность. Для одной и той же конструкции можно создать много моделей. На точность модели влияет степень детальности при отображении реальной конструкции. Иными словами, в модель могут быть включены не все конструктивные элементы, а только те, которые в наибольшей степени определяют ее жесткость и прочность.
СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ
Г 1 ЗАДАЧА
ЗАДАНИЕ МАТЕРИАЛА
ГЕНЕРАЦИЯ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ СЕТКИ
НАЛОЖЕНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ
ВЫПОЛНЕНИЕ РАСЧЕТА
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рис. 2. Алгоритм работы анализа трехмерного моделирования
Точность моделирования зависит также от размеров используемых конечных элементов и их типов. Основным источником информации служат чертежи. С целью увеличения точности в расчётах при моделировании использованы размеры из чертежей автосцепки СА-3.
На этапе рабочего проектирования, когда имеется окончательный вариант с детальной проработкой, создается подробная расчетная модель, наиболее полно отражающая структуру реальной конструкции.
При генерации сетки конечно-элементной идеализации объекта исследования использовались объёмные конечные элементы. Идеализация автосцепного устройства по МКЭ приведена на рис. 4 [3, 4].
В основе любого расчета на прочность лежит расчетная схема, включающая в себя геометрические параметры конструкций и действующие на нее нагрузки. В дальнейшем в зависимости от конечных целей расчета с учетом материала конструкции определяются напряжения и деформации ее элементов. Затем на основе анализа поля напряжений устанавливается наиболее опасное сечение, при этом
Рис. 3. Конечно-элементная модель автосцепного устройства
Рис. 4. Подготовка конечно-элементной сетки
von Mises (N/mA2)
4 042 904 832,0 H 3 705 998 592,0 . 3 369 092 600,0 . 3 032 186 366,0 . 2 695 280 384,0 2 350 374 144,0 2 021 468 032,0 1 684 561 920,0 1 347 655 808,0 1 010 749 696,0 673 043 584,0 336 937 472,0 H. 31 340,0
Предел текучести: 620422000.0
Рис. 5. Установка местоположения внешних нагрузок (а) и моделирование режима толкания (б)
используются гипотезы прочности в зависимости от свойств материала и условий работы конструкции.
В соответствии с конструкторской документацией, марка стали элементов корпуса автосцепки должна быть 20 ГЛ ГОСТ 5267.0-90, допустимое напряжение 295 МПа [6].
При расчетах необходимо правильно установить местоположение и значение внешних нагрузок, вид опирания модели. Моделирование и расчеты производятся для режимов как толкания, так и буксировки. Способ приложения нагрузок и вариант расчета приведен на рис. 5.
Заключение
Моделирование режимов нагружения позволяет установить наиболее нагруженные участки конструкции и места контакта элементов (приложения нагрузок) [6-8].
Литература
1. Radhakrishnan P. CAD/CAM/CIM / P. Radhakrishnan, S. Subramanyan, V. Raju. - New Delhi: New age international publishers, 2004. - 674 p.
2. Hoffmann C. Integrating modeling, simulation, and visualization / C. Hoffmann, V. Popescu, S. Kilic // Computers in Science & Engineering. - 2004. - Vol. 6, no. 1. - P. 52-60.
3. Kurowski P. M. Engineering. Analysis with COSMOS-Works Professional / M. P. Kurowski. - Schroff Development Corporation (SDC), 2005. -248 р.
4. Алямовский А. А. Инженерный анализ методом конечных элементов / А. А. Алямовский. - М.: Проектирование, 2004. - 432 с.
5. Akin J. E. Finite Element Analysis Concepts. Via SolidWorks / J. E. Akin. - New Jersey: World Scientific, 2010. - 335 p.
9. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.
7. Fang H. Design and Movement Simulation to the Cam of the Testing Device for capacitor encapsulation equipment / H. Fang, G. Zhang, J. Jian // Open J. Model. Simulation. - 2014. - Vol. 2. -P. 138-143.
8. Кузьмин А. Б. Исследование прочности деталей автосцепки при эксплуатационных нагрузках / А. Б. Кузьмин,
B. С. Коссов, А. Л. Протопопов, Н. Ф. Красюков, Б. Б. Бунин, Э. С. Оганьян // Наука и прогресс транспорта. Вестн. Дне-пропетров. нац. ун-та ж.-д. транспорта. - 2007. - № 19. -
C. 170-175.
Application of Computer-Aided Design Systems in Engineering
Bubnov V. P., Sultonov Sh.Kh. Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University St. Petersburg, Russia bubnov1950@yandex.ru, sultonovsh@yandex.ru
Abstract. The technological process of automation of solid-state modeling at the stage of design and construction work is considered. The problems arising due to the use of software for technological design are presented. The solution of problems by the automatic formation of an array of constructive technological features, and the synthesis of the technological process at the stage of working design by the information system, are proposed.
Keywords: solid modeling, algorithm, finite element method, engineering analysis, SolidWorks, design.
References
1. Radhakrishnan P., Subramanyan S., Raju V. CAD/CAM/ CIM, New Delhi, New age international publishers, 2004, 674 p.
2. Hoffmann C., Popescu V., Kilic S. Integrating modeling, simulation, and visualization, Comput. Sci. & Eng., 2004, Vol. 6, no. 1, pp. 52-60.
3. Kurowski P. M. Engineering. Analysis with COSMOS-Works Professional, Schroff Development Corporation (SDC), 2005, 248 p.
4. Alyamovsky A. A. Engineering analysis by the finite element method, Moscow, Designing, 2004, 432 p.
5. Akin J, E. Finite Element Analysis Concepts. Via SolidWorks, New Jersey, World Scientific, 2010, 335 p.
6. Norms for the calculation and design of new and modernized railways of the Ministry of Railways of gauge 1520 mm (non-self-propelled), Moscow, GosNIIV-VNIIZhT, 1996, 319 p.
7. Fang H., Zhang G., Jian J. Design and Movement Simulation to the Cam of the Testing Device for capacitor encapsulation equipment, Open J. Model. and Simulation, 2014, Vol. 2, pp. 138-143.
8. Kuzmin A. B., Kossov A. L., Protopopov N. F., Krasyukov B. B., Bunin E. S. Oganyan Investigation of the strength of the auto-coupling parts under operational loads, Sci. Transp. Progress. A messenger of the Dnepropetrovsk National Univ. Railway Transp., 2007, pp. 170-175.
