CC BY
34
УДК 681.5.015:658.786+514.18
ВПРОВАДЖЕННЯ СУЧАСНИХ ТЕХНОЛОГ1Й КОМП'ЮТЕРНОГО ПРОЕКТУВАННЯ В НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЦЕС ХНАДУ
О.В. Черн1ков, проф., д.т.н., Харк1вський нац1ональний автомоб1льно-дорожн1й ун1верситет
Анотац1я. Розглядаютъся питання тдвищення якост1 тженерног oceimu з еикористанням комп 'ютерного проектуеання, зокрема при розробщ та розрахунках найпоширетших вузл1в та деталей машинобудуеання, дизайну ix форми, nid часрозв'язання задач архтектурного проектуеання та дорожнъого буд1вництва.
Ключов1 слова: геометричне моделювання, комп'ютерне моделювання, навчалъний процес, CAD, CAE.
ВНЕДРЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ХНАДУ
А.В. Черников, проф., д.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассматриваются вопросы повышения качества инженерного образования с использованием компьютерного проектирования, в частности, при разработке и расчетах наиболее распространенных узлов и деталей машиностроения, дизайна их формы, при решении задач архитектурного проектирования и дорожного строительства.
Ключевые слова: геометрическое моделирование, компьютерное моделирование, учебный процесс, CAD, CAE.
IMPLEMENTATION OF MODERN TECHNOLOGIES OF COMPUTER DESIGN IN THE EDUCATIONAL PROCESS KhNAHU
A. Chernikov, Prof., D. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The problems of improving the quality of engineering education by the use of computer-aided design, particularly in the design and calculations of the most common components and machine parts, shape's design, solving architectural problems and road construction were considered.
Key words: geometric modeling, computer simulation, educational process, CAD, CAE.
Вступ
Проектування об 'екпв машинобудування та шфраструктури вступило в новий етап роз-витку, коли разом 3i зростанням складносп проекпв е важливим скорочення термшв та тдвищення якосп розробок, значною м1рою за рахунок автоматизацп й комп'ютеризацп шженерних po6iT. Найбшьшого поширення здобули штерактивш системи, яю дозволя-ють конструктору в ход1 одержання проект-
них ршень вести д1алог з комп'ютером природного мовою комп'ютерно! графши, де за-стосовуються геометричш модел1 об'екпв, процес1в та явищ як найбшьш наочш i зрозу-мш шженеру.
Вони забезпечують впровадження математи-чних метод1в у проектування й технолопчш процеси, займаючи все бшьш помине мюце серед ефективних шструмент1в шженерно! д1яльносп.
Анашз публжацш
Як вже неодноразово тдкреслювалося, су-часне виробництво потребуе висококвал1фь кованих шжеиер1в та коиструктор1в, постш-но шдвищуе вимоги до випускниюв техшч-них спещальиостей ВНЗ, де иеобхщиою умовою шжеиерио! осв1ти е навчання фах1в-ця всьому комплексу вмшь i навичок комп'ютерного проектування, практичного використання загальновизнаних пакет1в ш-женерно! комп'ютерно! графши. Якщо у по-передш роки мова йшла тшьки про створен-ня тривим1риих моделей деталей i вузл1в з подальшим оформлениям конструкторсько! документаци, то зараз необхщне вмшня створювати повний цифровий прототип май-бутнього виробу i3 проведениям мщшсних i тех-нолопчних розрахунюв саме на стадп проектування [1-7].
Мета i постановка завдання
Одним з комплекс1в програмного забезпечен-ня для внконання проектов машинобущвних вузл1в е Autodesk Inventor, що включае сере-довнща двовишриого, тривишриого парамет-рнчного проектування та ¿нженерного аиал1зу конструкций Також застосовуються програми Autodesk Simulation Mechanical i Autodesk Simulation CFD для анатзу роботи виробу за його цифровим прототипом на основ! кшцево-елементного анатзу конструкци (визначення навантажень i дослщження задач гщро-газодииам1ки). 1ииовацшш технологи - адап-тивне проектування, висока продуктившсть при проектуваиш складань з кшькох тисяч компонентов, технолопчш завдання шдготов-ки керуючих програм для верстатов ¿з ЧПК,
проектування i побудова розгорток тоиколис-тових вироб1в та колективш засоби розробки
- сприяють швидкому та усшшиому розв'язанню конструкторських задач, оптимь заци виробу з урахуванням граничних вимог, динам1чних та кшематичиих характеристик. На мет1 маемо познайомити викладач1в гра-ф1чних та спещальиих дисциплш з досвщом кафедри 1нженерно1 та комп'ютерио1 граф1ки ХНАДУ щодо використання нових можливо-стей комп'ютерного проектування в пакетах, запропонованих ф1рмою Autodesk, зокрема, AutoCAD, Civil 3D, Inventor, Revit, Fusion 360, Simulation Mechanical and CFD та íh.
Особливосл застосування паке^в комп'ютерного моделювання
Пщвищити яюсть роботи в галуз1 машииобу-дування дозволяють, зокрема, спещальш про-цедури проектування, що входять до пакета Autodesk Inventor. Це «майстри проектування» для розробки i розрахунку найпоширеш-ших елемеитов конструкцш: ватв, кулачюв, зубчастих передач, шлщьовпх з'едиаиь, пружин i рамних конструкцш. Доступ до них здшснюеться шд час роботи в середовищ1 «Зб1рка», вкладка стр1чки «Проектування» (рис. 1). 3 можливостями використання 6i6ni-отеки стандартних деталей i моделювання болтового з'еднання студенти знайомляться шд час виконання CBoeï nepmoï модел1 скла-дання. Використання ще! процедури íctotho шдвищуе ефектившсть роботи за рахунок скорочення часу на визначення стандартних параметр1в i розмщеиия з вщповщиими скла-дальиими залежностями елемеитов з'еднання
- болтов, шайб, гайок.
ж & ; ñ:> " " Прео " ^^ i ШЁЯ. X ^^ДШДДД
ЕЯЯЗ^ИЯЯВЯНЯ гТВЬеюированйё ИЯЯ^^ИГЙЯ^Ив^ввзЯНИ^ИЯ^ВЯН
[& ¡р Болтовое Штифт с отверстием соединение под шплинт [Ср^ Ж? Изменить Обрезка по профилю [р Стык п||1 Обрезка/удлиннение профиль Е] Врезать ¡¿Р Удлинение/Укорочение M о* Анализ рам п-П-Вал & Цилиндрическое зубчатое зацепление
Соединения Профиль ▼
ïntor Professional 2014 Сборка! Введите ключевое слово/фразу Irosas A^ii^ i ш ж-
sjio работы Vault Autodesk 360 а
0 Подшипник Дисковый кулачок т Г(Я1 Клиновые ремни - Д Прямабочнае шлицевое соединение " ^ Шпонка _Н_ Уплотнительное кольцо ^J Растяжения Тарельчатая Сжатия J Кручения i-1 Угол пП Периметр Расстояние Ц Площадь
Привод ▼ Пружина Измерение ▼
si wL
Рис. 1. Вкладка «Проектування»
Застосування процедуры моделювання рамних конструкцш (генератора рам) дозволяе за роз-робленою каркасною конструкщею (яка може складатися з вщр1зюв, дуг та кш) створювати металоконструкцп, оперативно редагувати форму та розм1ри використовуваного профшю (кутки, двотаври, кругл1 й квадратш труби та
ш.), створювати правильш стики елеменгав та зварш шви. Для змодельовано! конструкцп може бути виконаний розрахунок на мщнють за допомогою модуля «Анал1з рам» (рис. 2). Якщо виникне потреба, розм1ри та профшь елемент1в можуть бути оперативно скорек-товаш.
Рис. 2. Робота в середовищ1 «Генератор рам»
С зручний модуль (рис. 3) для проектування деталей типу «Вал». Вал створюеться з1 щаб-л1в р1зно! форми (цилшдр, конус, багатогран-ник) з ус1ма необхщними конструктивними елементами: шпонковими канавками, зовшш-шми та внутршшми нар1зями, проточками та канавками. Надал1 до модел1 можна додавати елементи зубчастих колю та шлщьових з'еднань. Вкладка «Розрахунок» дозволяе пе-рев1рити мщнють створювано! модел1 при на-кладенш р1зних тишв навантажень [8].
На рис. 4 наведено приклад роботи над мо-деллю та креслеником детал1 з використанням описаного майстра проектування.
Ще один потужний шструмент - розробка модел1 зубчастого зачеплення. Програма дозволяе розраховувати та створювати цилшд-ричш, кошчш (рис. 5), а також черв'ячш зачеплення. При цьому шдключаються довщков1 даш стандарт1в, таю як значения модутв, ку-т1в нахилу зубщв 1 т.п.
На жаль, модуль оформления креслениюв не включае вс1х необхщних елеменгав, зокрема таблицю параметр1в зубчастого колеса необ-хщно створювати та заповнювати вручну (хо-ча е можливють автоматизувати цей процес ¿з використанням вбудовано! мови програму-вання ^орю/УВА).
| Проектирование |
Изменить ■§= Обрезка по профилю Р Стык ф Обрезка/удлиннение
ЕЕ1
с? ЧГ
Д Подшипник ® Дисковый кулачок *
О Клиновые ремни * Д Прямобочное шлицевое соединение
- ЁЗ Преда
-□начале
$Кониче
Растяжения •¿г1 Тарельчатая Сжатия Кручения | Угол П Периметр Расстояние 1-1 Ц Площадь
Пружина Измерение ▼
Рис. 3. Майстер проектування вал1в
Рис. 4. Приклад виконання студентсько! роботи з використанням «Майсгра проектування вал1в»
№ ф Болтовое Штифт с отверстием соединение под шплинт g— ^Изменить "1= Обрезка по профилю ^ ^ Д Подшипник © Дисковый кулачок - SI Ш Растяжения |—. Угол Р Стык ф Обрезка/удлиннение ^ ^^ О Клиновые ремни - Д Прямобочное шлицевое соединение - Т ¿Тарельчатая □ Периметр Ш Вставить Анализ Вал Коническое " ~ — Сжатия Расстояние Ш профиль О Врезать §=■ Удлинение/Укорочение рам , зубчатое зацепление * 0 Шпонка Л. Уплотнительное кольцо Кручения Q Площадь Щ
Соединения Профиль ▼ | Привод w | Пружина Измерение ▼
"енератор компонентов конического зубчатого колеса
ftgMa.ian, i- S Представления ï ¿jï Конические зубчатые ко-nt
Зубчатое колесо 1 Зубчатое колесо 2 | Компонент -| k | цилиндрическая [компонент - ] |Tj Цилиндрическая 231р " 571р "
Рис. 5. Майстер проектування зубчастих колю
Також можна використати майстер проектування р1зномаштних пружин (пружин стис-кання, розтягування, крутшня й таршчастих), зокрема пщбирати 1х параметри залежно вщ режим1в навантаження.
Окремим важливим компонентом е середо-вище моделювання роботи р1зних мехашзм1в. Сумюно з кафедрою ТММ та деталей машин розроблено завдання з моделювання багато-ланкових мехашзм1в 1 дослщження !х власги-востей (рис. 6).
Також студента знайомляться з можливостя-ми багатовар1антного проектування на баз1 створення парамегричних ряд1в деталей можливо, парамегричних вузл1в.
Вказана процедура дозволяе сгворювати дета-л1 за аналопею з1 стандартними б1блютечни-ми компонентами та надал1 використовувати 1х як, наприклад, дегал1 стандарту пщприемс-тва. У раз1 потреби е можливим створення табличних креслениюв таких деталей.
Рис. 6. Приклад модел1 мехашзму
У поточному рощ для студент1в-магютр1в ме-хашчного факультету, що вивчають дисцип-лшу «Основи ергоном1ки та дизайну БДМ», було впроваджено вивчення нового програм-ного комплексу - Autodesk Fusion 360. Ця спещал1зована програма мае штуггивно зро-зумший штерфейс та широю можливост1 для дизайну форми поверхонь майбутн1х вироб1в. Зокрема е потужний апарат для моделювання поверхонь методами довшьно!' деформаци (скульптинг). Один i3 приклад1в таких можли-востей наведено на рис. 7.
Рис. 7. Приклад використання скульптингу при моделюванш поверхонь
Для студенлв дорожньо-буд1вельного факультету, KpiM класичних задач дво- i тривим1р-ного моделювання, впроваджено знайомство з програмами AutoCAD, Civil 3D. Вони викори-стовуються для отримання навичок роботи з цифровою моделлю мюцевост1, i"i редагування та засобами в1зуал1заци. Також студенти вчаться розмщувати буд1вельш майданчики на рельефа ощнювати обсяги земляних poöiT, проектувати план i профшь дор1г за заданими умовами, моделювати iHrni лшшш споруди.
Для роботи з арх1тектурними конструкщями пропонуеться впровадити пакет «Revit» - вш приходить на змшу систем! Autodesk Architectural i, як i програма Inventor, працюе на осно-Bi параметричних моделей.
Для студенлв факультету мехатрошки додат-ково плануеться знайомство з можливостями пакета AutoCAD Electrical з його потужними б1блютеками елемент1в для електричних схем та обладнання.
Yci зазначеш можливост1 мають вивчатися студентами як у рамках класичного курсу з шженерно!' та комп'ютерно!' графжи, так i пщ час проведения окремо оргашзованих спещ-ал1зованих KypciB i3 сучасних метод1в конс-труювання та у процес1 виконання курсових роб1т.
Висновки
Yci щ нов1 можливост1 пщвищують склад-н1сть i актуальнють завдань, що постають перед викладачами шженерно!' й комп'ютерно!' графжи i основ комп'ютерного конструюван-ня, особливо в умовах постшно зменшуваних аудиторних годин i недостатньо!' базово!' пщ-готовки студенев.
Важливим напрямом роботи викладача мае стати не тшьки ор1ентащя на запам'ято-вування студентами певних абстрактних алгоритм1в дш, а й на оргашзацш та стимуля-щю самостшно!' пошуково!' д1яльносп студен-т1в, зокрема роботи студент1в над заданою конструкторською проблемою в малих трупах.
Характерною рисою виконання пракгичних та групових завдань, самостшно!' роботи з вивчення комп'ютерних систем автоматизова-ного проектування слщ вважати необхщнють консультативно!' пщтримки з боку викладача на Bcix етапах виконання проекту.
Без зазначених знань, умшь i навичок, яю формуе дисциплша «Нарисна геометр1я, ш-женерна й комп'ютерна графка», вивчення наступних шженерних дисциплш, зокрема ефективне конструювання сучасних вироб1в, проведения динам1чних та статичних розра-хунюв, навпъ i3 використанням комп'ютера, е неможливим, оскшьки кшцев1 ршення приймае людина з певною квал1фкащею, тобто шженер.
Фундаментальна роль у формуванш провщ-них шженерних компетенцш, зокрема у во-лодшш засобами створення та в1зуал1зацп техн1чних об'ект1в за допомогою граф1чних зображень i трнвнм1рного моделювання з використанням комп'ютерних технологш, здатнють брати участь у роботах 3Í створення, впровадження та експлуатацп техшчних об'ект1в на bcíx етапах ix життевого циклу мае належати саме безперервнш комп'ю-тернш геометричнш i граф1чнш шдготовщ фах1вщв.
Лггература
1. Черн1ков О. В. Концепщя викладання дис-
циплши «Нарисна геометр1я, шженерна та комп'ютерна графша» в умовах пог-либлення ф1зико-математично! тдгото-вки / О.В. Черн1ков // Преподавание дисциплины «Начертательная геометрия, инженерная и компьютерная графика» в условиях кредитно-модульной системы обучения: материалы Всеукр. научн.-метод. конф., Севастополь, 7 - 11 февраля 2011 г. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011. - С. 7-8.
2. Чершков О.В. Задач1 та особливосп ви-
кладання граф1чних дисциплш в сучасних умовах / О. В. Чершков // 1нновацш-hí аспекти геометрограф1чно! ocbíth : матер1али Всеукр. наук.-метод. конф., Севастополь, 7-10 травня 2012 р. - Севастополь: СевНТУ, 2012. - С. 9-14.
3. Тремблей Т. Autodesk® Inventor® 2013 и
Inventor LT™ 2013. Основы: официальный учебный курс / Т. Тремблей ; пер. с англ. Л. Талхина. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 344 с.
4. Younis, W. Up and Running with Autodesk®
Inventor® Simulation 2011 (A step-by-step guide to engineering design solutions) / Wasim Younis. - Oxford: El-sevier Inc., 2010. - 444 p.
5. Черников A.В. Геометрические модели в
исследованиях физических и технологических процессов / А.В. Черников // Ге-ометричне та комп'ютерне моделювання: зб. наук. праць. - 2006. - Вип. 17. -С.159-163.
6. Чершков О.В. Ochobhî напрямки геомет-
ричного та комп'ютерного моделювання ф1зичних та технолопчних процес1в / О. В. Чершков // Геометричне та комп'ютерне моделювання: зб. наук. праць. - 2007. - Вип. 19. - С. 168-182.
7. Кириченко И.Г. Анализ программных
средств компьютерного проектирования строительных и дорожных машин / И.Г. Кириченко, А.В. Черников // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2014. -Вып. 65-66. - C. 68-74.
8. Грицына НИ. Проектирование деталей
машин с использованием генераторов компонентов и расчетных модулей Autodesk Inventor / Н.И. Грицына // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2015. -Вып. 69. - C. 13-18.
Рецензент: Е.С. Венцель, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 25 березня 2016 р.
