Математическое моделирование при параметрическом проектировании элементов гидропривода

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Математическое моделирование при параметрическом проектировании элементов гидропривода

В.И.Аверченков

Рассмотрены вопросы параметрического проектирования технических элементов гидропривода транспортных машин. Описаны разработанные программные модули для автоматизации процедур параметрического проектирования гидроцилиндров.

Ключевые слова: математическое моделирование, параметрическое проектирование, гидропривод транспортных машин, гидроцилиндр, САПР.

В условиях рыночной экономики конкурентная борьба требует от производственных предприятий постоянного обновления выпускаемой продукции и повышения ее качества. Это приводит к необходимости сокращения сроков и стоимости проектирования изделий при повышении качества разрабатываемых проектов. Решение этих проблем во многом может быть обеспечено путем автоматизации процесса технической подготовки производства. Одним из важных этапов автоматизации данного процесса является автоматизация проектирования изделий.

На многих предприятиях России широко развернулся процесс внедрения различных подсистем САПР (CAD/CAM-систем), позволяющих автоматизировать весь цикл - от разработки изделий до проектирования технологии их изготовления.

Трудоемкость и стоимость проектирования, как и качество его результатов, определяются объемом и глубиной инженерных знаний предметной области, заложенных в систему проектирования. В существующих системах автоматизированного проектирования в подавляющем большинстве случаев инженерные знания остаются вне системы проектирования. Наиболее эффективным является применение специализированных автоматизированных объектно-ориентированных систем проектирования, адаптированных к конкретной предметной области и использующих формализованные инженерные знания.

В настоящее время наиболее эффективным способом автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении является использование так называемых интегрированных САПР, обеспечивающих сквозную автоматизацию всех этапов конструирования и подготовки производства новых изделий[3].

Однако их использование не всегда является оптимальным решением. Далеко не всегда предприятие имеет возможность приобретать довольно дорогостоящие интегрированные САПР. Поэтому фирмы - разработчики современных САПР строят свои системы по модульному принципу и могут конфигурировать их в зависимости от запросов заказчика.

Задачи конструирования принято делить на две основные группы. Одна группа задач предназначена для синтеза структуры (топологии) конструкции изделия с учетом её функциональных характеристик (задачи структурного (топологического) проектирования), а другая определяет геометрические параметры конструкции без изменения ее структуры (задачи параметрического (геометрического) проектирования).

Рассмотрим процесс конструирования гидроцилиндров (рис.1). Его можно представить как последовательность проектных действий, в которой сначала выбирается базовая конструкция гидроцилиндра, включающая все присущие ему конструктивные элементы. Далее выполняются необходимые расчеты конструктивных параметров и проверочные расчеты, формируются чертежи общего вида и деталировка, составляется текстовая документация, т.е. выполняется структурное проектирование.Затем в зависимости от конкретных требований, сформулированных в техническом задании, осуществляется параметрическое проектирование.

Рис. 1. Элементы гидроцилиндра

Параметрическое проектирование предполагает как необходимое условие наличие базовой конструкции, сформированной на стадии структурного проектирования. Базовая конструкция создается таким образом, чтобы имелась возможность задания переменных значений параметрам, определяющим ее структуру. Помимо того, определяется, на базе каких параметров и в каком диапазоне изменения этих параметров можно создавать отдельные варианты базовой конструкции.Конструктивные варианты образуются путем задания конкретных параметров переменным базовой конструкции [2].

Приведем пример. В состав любого гидроцилиндра входит поршень, однако в зависимости от требований технического задания или результатов расчета он, помимо вариаций диаметра, может содержать различное число канавок под уплотнения. Следовательно, использовать типовые проектные решения не получится, соответственно возрастут трудовые и временные затраты на проектирование нового изделия.

Основной проблемой, возникающей при постоянной сменяемости типоразмеров объектов проектирования, является минимизация трудоемкости и временных затрат на проектирование. С такой проблемой столкнулись специалисты ОАО «Агрегатный завод» г. Людиново. Несмотря на высокий уровень типизации элементов конструкции гидроцилиндров, в каждом конкретном случае приходится выполнять большой объем проектно-конструкторских работ. В связи с острой необходимостью сокращения сроков проектирования делались попытки использовать существующие универсальные САПР. Однако они не дают возможности получать твердотельные модели и конструкторские чертежи проектируемого изделия в автоматизированном режиме и требуют дополнительной реализации алгоритмов автоматизированного расчета.

Для решения данной проблемы на этапе конструкторской подготовки было принято решение автоматизировать процесс проектирования гидроцилиндров.По заказу завода был выполнен проект «Создание автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров c разработкой библиотек твердотельных моделей уплотнительных элементов».

Разработанная система представляет собой набор программных модулей, осуществляющих расчет и построение моделей гидроцилиндров с использованием CAD-системы AutodeskInventor.

При применении подобных систем специалист вводит в систему проектирования данные технического задания. Далее осуществляется автоматизированный процесс генерации проекта, в котором проектировщик принимает принципиальные решения путем их выбора из вариантов, предлагаемых компьютером на основе использования формализованных инженерных знаний [1].

В основу разработки структурно-функциональной схемы САПР гидроцилиндров (рис. 2) в соответствии с ГОСТ 23501.101-87, регламентирующим основные принципы создания САПР, заложены принципы системного единства и совместимости, типизации, развития и модульности.

Рис. 2. Структурная схема САПР гидроцилиндров

САПР гидроцилиндров включает следующие основные подсистемы:

1. Подсистему ввода исходных данных.

2. Подсистему расчета конструктивных параметров гидроцилиндра.

3. Подсистему управления библиотекой уплотнительных элементов гидроцилиндра.

4. Подсистему формирования отчета.

5. Подсистему параметрического синтеза гидроцилиндра, состоящую из следующих модулей:

модуля формирования твердотельных параметрических моделей элементов гидроцилиндра;

модуля управления и редактирования 3D-моделей;

модуля создания сборочной модели гидроцилиндра;

модуля управления правилами создания сборки;

модуля генерации чертежной документации.

6. Модуль управления подсистемами САПР гидроцилиндра.

Исходными данными для проектирования гидроцилиндра являются диаметр гидроцилиндра D и развиваемое им рабочее давление P. В разработанной САПР гидроцилиндров имеется возможность выбрать значение из стандартного ряда диаметров, задать рабочее давление гидроцилиндра, ход поршня S, диаметр штока dшт, максимальную и минимальную заделки, указать требуемый тип фланца, а также вид прокладки для фланца, тип нагрузки и вид болтовых соединений.

Подсистема ввода исходных данных (рис. 3) предназначена для указания необходимого диаметра гидроцилиндра (имеется стандартный ряд диаметров гидроцилиндров), рабочего давления гидроцилиндра, хода поршня в зависимости от выбранного диаметра. Подсистема позволяет выводить информацию о диаметре штока, максимальной и минимальной заделках, автоматически подбирать соответствующее уплотнение, передавая необходимую информацию в подсистему управления библиотекой уплотнительных элементов.

Рис.3. Подсистема ввода исходных данных

Подсистема расчета конструктивных параметров гидроцилиндра предназначена для автоматического расчета усилия P, развиваемого гидроцилиндром; толщины стенки гидроцилиндра Д; резьбовых соединений в гидроцилиндре; фланцев; расчета крепления крышек с гильзой на внутренних и наружных полукольцах; расчета проушин, цапф; определения толщины днища цилиндра; расчета гидроцилиндра на прочность и устойчивость, а также расчета опорно-несущей способности колец гидроцилиндра. Подсистема расчета конструктивных параметров гидроцилиндров позволяет автоматически подобрать внутренний диаметр гильзы D, ближайший к стандартному диаметру уплотнения (из библиотеки уплотнительных элементов), и выполнить все необходимые расчеты.

По окончании расчета в распоряжении проектировщика имеются следующие данные: толщина стенки гильзы Д; растягивающее напряжение в резьбе штока (гильзы) ушт; касательное напряжение штока (гильзы) фшт; приведенное напряжение в резьбе штока (гильзы) упр.шт; толщина тарелки фланца hфл; напряжение среза фср; напряжение смятия усм; напряжение растяжения в опасном сечении гильзы ур.оп.с; напряжения на внешней и внутренней поверхностях уН, уВ; суммарное напряжение в проушине при наличии втулки ус; напряжение смятия цапфы усм.ц; толщина днища цилиндра Ддц; напряжение сжатия штока усж.шт.

После расчетов параметров выполняется проверочный расчет гидроцилиндра на прочность и устойчивость.

Исходные данные и результаты расчета передаются в базу данных, значения из которой будут использоваться на дальнейших этапах синтеза твердотельной модели гидроцилиндра. Для контроля результатов расчета проектировщиком итоговые результаты можно представить в виде отчета и вывести его на печать.

При проектировании гидроцилиндра возникает необходимость подбора уплотнительных элементов для того, чтобы учесть посадочные размеры канавок и проточек под них на поршне и втулке. Для этих целей предназначена подсистема управления библиотекой уплотнительных элементов.

В процессе разработки САПР гидроцилиндров создана библиотека уплотнительных элементов фирм «Элконт» и «Polypac», которые используются ОАО «Агрегатный завод» при изготовлении гидроцилиндров. В библиотеке представлены модели уплотнений для поршней гидроцилиндров стандартных диаметров, работающих в среде минеральных масел и водомасляных эмульсий при давлении до 80 МПа, температуре от -50 до +200°С.

Недостатком стандартной библиотеки элементов, формат которой предлагают разработчики AutodeskInventor, является необходимость наличия полного набора файлов типовых деталей, число которых соответствует всей номенклатуре уплотнительных элементов (сотни и тысячи элементов), а это достаточно большое количество файлов. Для облегчения поиска необходимого уплотнительного элемента среди множества файлов в подсистеме хранятся файлы параметрических моделей только для одного представителя каждого вида уплотнительных элементов, а размеры других хранятся в БД и подставляются в параметрическую модель в зависимости от диаметров. Диаметр Dу и тип уплотнения задаются подсистемой управления библиотекой уплотнительных элементов на основании результатов расчета и введенных исходных данных.

Использование библиотеки уплотнительных элементов является необходимым решением, поскольку при подготовке модели гидроцилиндра предприятие должно предоставить заказчику полный комплект конструкторской документации (3D-модели, чертежи и т.п.) в наиболее короткие сроки. Построение уплотнительных элементов и их посадочных мест для каждого проекта - достаточно трудоемкая задача (особенно если необходимо рассмотреть несколько вариантов решений), поэтому было принято решение автоматизировать процесс выбора и создания модели уплотнительного элемента, а также процесс подготовки соответствующей документации. Ввиду того что размеры посадочных мест под уплотнительные элементы необходимы для разработки трехмерной модели и технологического процесса изготовления гидроцилиндра, для ускорения процесса подготовки производства требуется в короткие сроки качественно создать нужную модель элемента гидроцилиндра.

Проектировщик имеет возможность выбрать тип уплотнительного элемента. Диаметр и тип уплотнительного элемента передаются из модуля расчета конструктивных параметров, где проектировщик подбирает требуемый уплотнительный элемент.Выбранная модель с заданными параметрами передаётся в подсистему синтеза 3D-модели гидроцилиндра или сохраняется в виде файла.

Результатом работы автоматизированной библиотеки является твердотельная модель уплотнительного элемента, необходимая для построения сборочной модели проектируемого гидроцилиндра, и таблица с параметрами посадочных размеров.

На следующей стадии проектирования управление передается подсистеме параметрического синтеза гидроцилиндра.

Построение 3D-моделей осуществляется модулем формирования твердотельных параметрических моделей элементов гидроцилиндра и модулем создания сборочной модели гидроцилиндра. Непосредственно твердотельная модель создается с использованием APIInventor, доступ к которому осуществляется при помощи COM-технологии. В данном API существуют все функции, которые доступны проектировщику в интерактивном режиме.

Структурная схема подсистемы параметрического синтеза гидроцилиндра представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема подсистемы структурно-параметрического синтеза гидроцилиндра

параметрический проектирование гидроцилиндр

Модель любой детали, входящей в гидроцилиндр, представляет собой последовательное описание составляющих ее геометрических примитивов и конструктивных элементов. Конструктивные элементы могут быть заданы с помощью формообразующих эскизов (элементы, полученные выдавливанием, вращением, сдвигом по траектории), а также созданы на базе уже имеющихся элементов (отверстия, фаски, скругления, оболочки, ребра жесткости, перегородки, литейные уклоны, резьбовые элементы).Модель детали МД можно представить в виде следующей зависимости:

,

где - полностью определенный двухмерный эскиз; - операция трехмерного моделирования; - количество элементов детали.

Для создания трехмерной модели детали гидроцилиндра в CAD-системе используется алгоритм, при помощи которого можно получить модель с необходимыми размерами, представленными в виде переменных. Вначале программным способом в системе AutodeskInventor строится безразмерный вспомогательный двухмерный эскиз, требуемый для создания трехмерной модели или ее элемента при помощи API-интерфейса. Затем осуществляется наложение необходимых геометрических зависимостей между элементами двухмерного эскиза (параллельность, перпендикулярность, касательность, соосность и др.). После этого указываются размеры основных элементов эскиза, который становится полностью определенным. И в завершение выполняются операции трехмерного моделирования (выталкивание, вращение, лофтинг, булевы операции и др.). Если модель детали имеет сложную форму и не может быть получена с помощью одного такого цикла, то он повторяется необходимое количество раз.

Преимуществом такого подхода к параметризации моделирования является то, что, имея описание модели детали, можно варьировать ее размерные характеристики простым изменением параметров ключевых переменных, содержащих конкретные значения размеров элементов эскиза и операций трехмерного моделирования. Параметры переменных передаются в данный модуль из подсистемы расчета конструктивных параметров гидроцилиндра.

При необходимости добавить новую сборочную единицу система позволяет создать правила, в соответствии с которыми новая модель будет использоваться в сборке.

Все эскизы, полученные при построении модели, являются полностью определенными, модели сборочных единиц - параметрическими. Параметры можно сохранять во внешнем файле и загружать в модель, а также считывать из файла или модели.

В настоящее время САПР гидроцилиндров готовится к опытной эксплуатации в ОАО «Агрегатный завод». Однако существует ряд проблем, сопутствующих эксплуатации данной системы. Во-первых, у CAD-системы Autodesk Inventor отсутствует встроенная поддержка оформления чертежной документации в соответствии с требованиями ЕСКД. Решением может являться разработка своих шаблонов оформления и замена ими встроенных или использование программных продуктов сторонних разработчиков, например MechaniCS фирмы «Consistent Software». Во-вторых, при автоматической генерации чертежей возникает необходимость контроля проектировщиком наличия вспомогательных видов и разрезов, поскольку система автоматически не реализует их создание. В-третьих, при необходимости добавить новый тип проектируемых гидроцилиндров потребуется осуществить достаточно трудоемкую процедуру описания правил построения и вставки моделей деталей в сборку.

В результате выполнения проекта создана методология автоматизации процедур параметрического проектирования технических объектов с применением интегрированных САПР, предложена математическая модель расчета параметров гидроцилиндров общего назначения, созданы программные модули и информационные модели для автоматизированного параметрического проектирования технических объектов машиностроения на примере элементов гидропривода транспортных машин (гидроцилиндров общего назначения).

Список литературы

Аверченков, В.И. Автоматизация процедур обмена конструкторско-технологической информацией о проектируемых деталях на этапах жизненного цикла изделия/ В.И. Аверченков,А.В. Аверченков, М.В.Терешин, В.А. Шкаберин// Материалы научной конференции «Качество и ИПИ-технологии»/ под ред. В.Н. Азарова.- М.: Качество, 2002.-С. 100-101.

Аверченков, В.И. Создание системы автоматизированного проектирования типовых изделий на основе параметризации / В.И. Аверченков, В.Н. Ивченко, М.Ю. Рытов // Изв. ТГУ.Технологическая системотехника.-Тула, 2003.-Вып.1.-С. 70-76.

Зильбербург, Л.И. Реинжиниринг и автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении / Л.И. Зильбербург, В.И.Молочник, Е.И. Яблочников.- СПб.: Компьютербург, 2003.-152с.

Размещено на Allbest.ru