Исследование назначения и использования программ САЕ в составе комплексов CAD/CAE/CAM

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

РЕФЕРАТ

на тему: «Исследование назначения и использования программ САЕ в составе комплексов CAD/CAE/CAM»

по дисциплине: «Тенденции развития машиностроения»

Выполнил: аспирант С.А. Погудин

Проверил:

д-р тех. наук, профессор С.Д. Кугультинов

Ижевск 2019



Содержание

Введение

1. Жизненный цикл изделия

1.1 Жизненный цикл изделия (ЖЦИ)

1.2 Маркетинговые исследования

1.3 Проектирование

1.4 Подготовка производства

1.5 Управление производством

1.6 Производство

1.7 Эксплуатация, обслуживание, утилизация

2. Понятие PLM-технологии

3. Общие сведения о САПР (CAD/CAM/CAE/PDM) и компьютерной (машинной) графике САПР(MCAD)

4. Функции САЕ в составе CAD/CAE/CAM

4.1 Классификация программ САЕ

4.2 Интеграция и передача данных

4.3 Исследовательская роль САЕ

4.4 Решение прикладных задач средствами САЕ

4.5 Решение теоретических задачи выполнение уникальных вычислительных экспериментов в САЕ

4.6 Корректировка компьютерных расчетов

4.7 Использование CAD/CAE/CAM в учебно-исследовательской работе студентов и преподавателей

Заключение

Список литературы



Введение

Все этапы изготовления и обслуживания машиностроительной продукции, включая проектирование, разработку технологий, оформление конструкторско-технологической документации, создание прототипов, проведение тестовых испытаний, производство, складирование, отгрузку, утилизацию и другие необходимые мероприятия, образуют жизненный цикл изделия. В настоящее время происходит объединение управляющих и производственных функций для эффективной организации всех этапов жизненного цикла на базе информационных технологий и систем автоматизированного проектирования (Product Life-Cycle Management, PLM) [1]. Современная концепция проектирования и подготовки производства предполагает выполнение проектных и технологических работ в едином информационно-программном пространстве, что позволяет вести одновременную разработку изделия группой специалистов, территориально расположенных в разных подразделениях, компаниях и даже странах

Быстрое развитие вычислительной техники и ее внедрение практически во все сферы жизни привело к тому, что сегодня грамотный специалист в любой области знаний должен хорошо ориентироваться в мире компьютеров и владеть необходимыми программными средствами [6]. Современный инженер не возможен без знания систем автоматического проектирования (CAD - Computer Aids Design), автоматического производства (CAM - Computer Aids Manufacturing) и автоматического инженерного анализа (CAE - Computer Aids Engineering). Такие CAD/CAM системы как AutoCAD, DUCT, Pro/Engineer, Unigraphics и SolidsWorks широко используются для компьютерного моделирования изделий сложной формы, с последующим выпуском чертежей и генерацией управляющих программ для станков с ЧПУ. Однако эти специализированные пакеты численного моделирования не обладают развитыми средствами инженерного анализа. CAE-системы инженерного анализа (ABAQUS, ANSYS, COSMOS, I-DEAS, NASTRAN, и другие) позволяют не только выполнить качественное моделирование систем различной физической природы, но и исследовать отклик этих систем на внешние воздействия в виде распределения напряжений, температур, скоростей, электромагнитных полей и т.д. Использование таких программ помогает проектным организациям сократить цикл разработки, снизить стоимость изделий и повысить качества продукции.

Доступность мощных компьютеров, высокая скорость передачи данных по сети и широкое распространение программного обеспечения для проектирования и подготовки производства в машиностроении привели к тому, что в настоящее время и крупные промышленные предприятия, и небольшие инжиниринговые компании внедряют компьютерные системы для эффективного решения производственных и управленческих задач. Потребность конструкторских бюро, научно-исследовательских организаций и промышленности в быстрых, надежных и удобных для пользователя программах, реализующих широкий спектр инженерных расчетов (прочностных, гидродинамических, тепловых и многих других) послужила импульсом к разработке как универсальных, так и специализированных пакетов прикладных программ для компьютерного инженерного анализа - САЕ.

Цель данной работы исследование использования программ САЕ в составе комплексов CAD/CAE/CAM, позиционировать CAE-системы как современный инструмент для выполнения вычислительных экспериментов при решении различных исследовательских и проектных задач в машиностроении.



1. Жизненный цикл изделия

1.1 Жизненный цикл изделия (ЖЦИ)

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ), как определяет его стандарт ISO 9004-1, это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта[4,6].

Жизненный цикл изделия - все этапы «жизни» продукции. Включает этапы дизайнерской задумки, конструкторской и технологической подготовки производства, изготовления, обслуживания, утилизации и т. п. В основном, применяется по отношению к сложной наукоёмкой продукции высокотехнологичных предприятий.

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) включает ряд этапов, начиная от зарождения идеи нового продукта до утилизации по окончании срока его использования:

· маркетинговые исследования;

· проектирование продукта;

· планирование и разработка процесса;

· закупка;

· производство или обслуживание;

· проверка;

· упаковка и хранение;

· продажа и распределение;

· монтаж и наладка;

· техническая поддержка и обслуживание;

· послепродажная деятельность;

· утилизация и (или) переработка;

Основные этапы жизненного цикла промышленной продукции представлены на рисунке 1[11].

Рисунок 1 - Этапы жизненного цикла изделия и применяемые на них автоматизированные системы

PLM-система (англ. product lifecycle management) - прикладное программное обеспечение для управления жизненным циклом изделия.

1.2 Маркетинговые исследования

Цель маркетинговых исследований - анализ состояния рынка, прогноз спроса на планируемые изделия и развития их технических характеристик, поиск похожего продукта и определение сильных и слабых сторон конкурента. На данном этапе жизненного цикла находит применение система CRM (Customer Requirement Management - Управление взаимоотношениями с заказчиками).

1.3 Проектирование

Этап проектирования. Является одним из наиболее важных этапов. Автоматизация проектирования осуществляется САПР. В САПР машиностроительных отраслей промышленности принято выделять системы конструкторского (системы CAD), функционального (системы расчетов и инженерного анализа - системы CAE) и технологического проектирования (системы CAM).

1.4 Подготовка производства

Подготовка производства. Назначение этого этапа сводится к решению следующих основных задач:

· разработка технологий изготовления изделия, электродов, пресс-форм и штампов на основе их геометрических моделей, полученных на этапе проектирования;

· подготовка программ для станков с ЧПУ по спроектированным технологиям;

· контроль качества работы управляющих программ для станков с ЧПУ.

Проектирование технологических процессов составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в системах CAM.

1.5 Управление производством

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения, координации работы систем САЕ/СAD/САМ, управления проектными данными и проектированием разрабатываются системы, получившие название систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). Системы PDM либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР.

Главная цель PDM - поддержка электронного описания продукта (изделия) на всех стадиях его жизненного цикла. Эта поддержка должна обеспечить решение следующих задач:

· ведение проектов: управление работами, процедурами и документами в составе проекта, контроль над выполнением проекта;

· планирование и диспетчирование работ;

· распределение прав доступа к информации между отдельными участниками проекта или их группами;

· организация и ведение распределенных архивов конструкторской, технологической и управленческой документации (электронные архивы);

· управление изменениями в документации: контроль версий документов, ведение протокола работы с документами, листов регистрации изменений и извещений;

· фиксирование стандартных этапов прохождения документов, контроль прохождения документов по этапам;

· интеграция с CAD/CAM-системами и их приложениями, используемыми при проектировании;

· контроль целостности проекта;

· поиск необходимой информации в проекте на основании запросов.

1.6 Производство

На большинстве этапов жизненного цикла, начиная с определения предприятий-поставщиков исходных материалов и компонентов и кончая реализацией продукции, требуются услуги системы управления цепочками поставок - SCM. Цепь поставок обычно определяют как совокупность стадий увеличения добавленной стоимости продукции при ее движении от компаний-поставщиков к компаниям-потребителям. Управление цепью поставок подразумевает продвижение материального потока с минимальными издержками.

Координация работы многих предприятий-партнеров с использованием технологий Intrenet возлагается на системы E-commerce, называемые системами управления данными в интегрированном информационном пространстве CPC (Collaborative Product Commerce).

Организованная удаленная работа различных предприятий над одним продуктом образует виртуальное предприятие.

Управление в промышленности, как и в любых сложных системах, имеет иерархическую структуру. В общей структуре управления выделяют несколько иерархических уровней, показанных на рисунке 2. Автоматизация управления на различных уровнях реализуется с помощью автоматизированных систем управления (АСУ).

Рисунок 2 - Общая структура управления

Информационная поддержка этапа производства продукции осуществляется автоматизированными системами управления предприятием (АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).

К АСУП относятся системы планирования и управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning), планирования производства и требований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) и упомянутые выше системы SCM. Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т. п. Системы MRP-2 ориентированы, главным образом, на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством. В некоторых случаях системы SCM и MRP-2 входят как подсистемы в ERP, в последнее время их чаще рассматривают как самостоятельные системы.

Промежуточное положение между АСУП и АСУТП занимает производственная исполнительная система MES (Manufacturing Execution Systems), предназначенная для решения оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом.

Для выполнения диспетчерских функций (сбор и обработка данных о состоянии оборудования и технологических процессов) и разработки ПО для встроенного оборудования в состав

АСУТП вводят систему SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Непосредственное программное управление технологическим оборудованием осуществляют с помощью системы CNC (Computer Numerical Control) на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологическое оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ).

1.7 Эксплуатация, обслуживание, утилизация

Понятие Единого Информационного Пространства (ЕИП) является ключевым понятием CALS-технологий. Потребитель является полноправным участником ЖЦИ на этапе эксплуатации изделия и ему необходимо обеспечить доступ в ЕИП. Поскольку потребителю необходимы только эксплуатационные данные об изделии, в качестве средства доступа к ЕИП он будет использовать интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР - IETM (Interactive Electronic Technical Manuals)).

Интерактивные электронные технические руководства также выполняют функции обучения обслуживающего персонала. С их помощью выполняются диагностические операции, поиск отказавших компонентов, заказ дополнительных запасных деталей и некоторые другие операции на этапе эксплуатации систем.

Использование ИЭТР дает следующие преимущества по сравнению с традиционными бумажными техническими руководствами:

- сокращение на 20 - 25 % сроков освоения новых изделий потребителем.

- в интегрированном ИЭТР организовать обновление информации гораздо проще, чем в бумажных руководствах.

- в ИЭТР высокого уровня встраивается система диагностики неисправностей.



2. Понятие PLM-технологии

Под PLM (Product Lifecycle Management) понимают систему управления жизненным циклом продукции реализующую технологии управления данными в информационном пространстве, едином для различных автоматизированных систем.

В целом же PLM - это совокупность программных систем CAE/CAD/CAM/PDM и ERP/CRM/SCM, методики их применения, а главное - людей, обладающих должной компетентностью.

Концепция PLM предполагает, что создается единая информационная база, описывающая три краеугольные компоненты: Продукт - Процессы - Ресурсы и взаимосвязи между ними рисунок 3.

Наличие такой объединенной модели обеспечивает возможность быстро, эффективно увязывать все эти три компоненты, оптимизируя решение под требования бизнеса.

Работа всех проектантов, конструкторов, технологов с единой моделью обеспечивает снижение издержек на многочисленные согласования, неизбежные при традиционной технологии работы, и исключает наличие дублирующих или взаимоисключающих документов.

На практике это позволяет значительно сократить материальные и временные затраты на создание продукта и запуск его в производство, минуя многочисленные отладочные варианты, воплощаемые в реальности, то есть получить проект продукта, готового буквально с первых экземпляров к отправке потребителю.

Мировая практика уже имеет примеры в даже таких сложных отраслях, как, например, авиастроение, когда самый первый собранный самолет нового проекта после проверочных испытаний был передан в реальную эксплуатацию.

Конечно, такие идеальные случаи все-таки редки, но количество испытательно-доводочных вариантов продукции в современной автомобильной, авиационной, станкостроительной промышленности сократилось кардинально, а сроки на создание новых продуктов буквально в разы.

Существуют целые классы технических объектов, в которых опытные образцы просто невозможны (например, целый завод) и "натурные эксперименты" на доводку их функционирования до оптимального уровня баснословно дороги.

Рисунок 3 - Общая структура PLM



3. Общие сведения о САПР (CAD/CAM/CAE/PDM) и компьютерной (машинной) графике САПР(MCAD)

Этап проектирования изделия является одним из наиболее важных этапов.

Трудоемкость и стоимость технологической подготовки производства (ТПП) растет из года в год. Увеличение сложности ТПП вызвано следующими причинами:

· машины и приборы становятся из года в год все сложнее. Приборы и машины насыщаются электроникой, используют новые материалы, требуется более высокая точность изготовления деталей и узлов. Такое усложнение приводит к увеличению трудоемкости проектирования технологических процессов;

· в промышленности сейчас широко используются станки с числовым программным управлением.

Для них необходима разработка операционной технологии и составление управляющих программ, что также приводит к увеличению трудоемкости проектирования технологических процессов;

· в настоящее время необходимо проектировать качественные технологические процессы, т. е. изделия, изготовленные по этим процессам, должны отвечать требованиям конструктора и иметь минимальную стоимость, следовательно, нужно проектировать оптимальные технологические процесс. От этого во многом зависит прибыль фирмы.

Уменьшить время, необходимое для проектирования, с сохранением качества работ можно за счет автоматизации проектных процедур.

Эта задача решается с использованием специализированных программных продуктов - систем автоматизированного проектирования (САПР).

Системы САПР в соответствии с международной классификацией делят на системы CAD (computer aided design), CAM (computer aided manufacturing) и CAE (computer aided engineering) [7, 9, 12,14].

CAD и CAE представляют собой программы, предназначенные для двухмерного, трехмерного, параметрического моделирования, а также проведения всех сопутствующих расчетов на прочность, долговечность и др.

В настоящее время различают три основных подгруппы CAD:

· машиностроительные CAD (MCAD - Mechanical CAD);

· CAD печатных плат (ECAD - Electronic CAD / EDA - Electronic Design Automation);

· архитектурно-строительные CAD (CAD/AEC - Architectural, Engineering and Construction).

К современным CAD, применяемым в отечественном машиностроении относят: Компас-3D, SolidWorks, T-Flex, AutoCAD и некоторые другие.

Одним из наиболее распространенных CAE продуктов в нашей стране является ANSYS - универсальная программная система конечно-элементного анализа.

CAM-системы призваны автоматизировать технологическое проек-тирование.

Такое проектирование может частично исключаться из произ-водственного цикла благодаря программам, генерирующим управляющие программы на станки с ЧПУ с двухмерных или трехмерных моделей дета-лей.

Примерами таких программ являются: PowerMill, ГеММа-3D, Edge-cam, ESPRIT, Mastercam, FeatureCAM, Винтех RCAM, COMCNC.

Другой вид CAM(CAPP - computer aided process planning) - про-граммы, которые представляют собой базу данных технологических про-цессов, режущих инструментов, приспособлений, станков, СОЖ, СИЗ и других атрибутов технологического проектирования, а также содержат подпрограммы расчета режимов резания, межоперационных припусков, норм времени и расхода материала.

Данные программы реализуют методы синтеза, анализа и прямого проектирования, описанные в теоретическом базисе САПР ТП.

Примерами таких программ являются Вертикаль, Спрут-ТП, T-FLEX Технология и некоторые другие.

«Тяжелые» САПР, такие как CREO Parametrics (бывший PRO/ENGINEER), Unigrafics и CATIA, которые объединяют в себе CAD, CAM и CAE технологии также заняли свою нишу в отечественной про-мышленности в целом и машиностроении - в частности. (высокогорец)

Инновационное развитие многофункциональных компьютерных систем [3], согласованно выполняющих объемное конструирование (CAD), инженерные расчеты (CAE), подготовку производственно-технологических процессов (CAM) и управление инженерным проектом (PDM), предопределяет появление новых возможностей для изготовления уникальных изделий в сжатые сроки и с минимальными затратами.

Доступность мощных компьютеров, высокая скорость передачи данных по сети и широкое распространение программного обеспечения для проектирования и подготовки производства в машиностроении привели к тому, что в настоящее время и крупные промышленные предприятия, и небольшие инжиниринговые компании внедряют компьютерные системы для эффективного решения производственных и управленческих задач.

Потребность конструкторских бюро, научно-исследовательских организаций и промышленности в быстрых, надежных и удобных для пользователя программах, реализующих широкий спектр инженерных расчетов (прочностных, гидродинамических, тепловых и многих других) послужила импульсом к разработке как универсальных, так и специализированных пакетов прикладных программ для компьютерного инженерного анализа - САЕ.

Наблюдаемый в последнее десятилетие стремительный темп обновления и совершенствования программ САЕ разработчиками намного опережает результативность и полноту их использования рядовыми инженерами.

Одной из причин дисбаланса является недостаточное понимание роли и сути этих программ, прежде всего - организаторами производственных и образовательных структур, которые недооценивают актуальность изменения подходов к подготовке специалистов, в полной мере владеющих современными технологиями компьютерного моделирования.



4. Функции САЕ в составе CAD/CAE/CAM

4.1 Классификация программ САЕ

Все многообразие инженерных расчетов, представляющих интерес для машиностроения, можно классифицировать по объектам моделирования и разбить на два основных направления - конструкторские расчеты и имитация технологий.

По типу решаемых уравнений в механических расчетах конструкции машин можно выделить задачи кинематики, статики, динамики и устойчивости.

Вместе с тем, большинство инженерных задач не ограничивается вычислением механических характеристик конструкции. Как правило, в программной среде моделируется поведение технического объекта, который подвергается одновременно воздействию нескольких нагрузок, имеющих разную физическую природу.

Это могут быть тепловые, механические, гидроаэромеханические нагрузки, воздействие электрических и магнитных полей, облучение потоком заряженных частиц.

Для получения корректных результатов требуется учесть их совместное влияние на объект. Соответствующие такой расширенной постановке расчетные задачи носят комплексный характер, относятся к классу междисциплинарных и успешно решаются программами САЕ. Моделирование технологий включает компьютерный анализ технологических процессов литья металлов и пластмасс, обработки давлением, термообработки, сварки, механообработки.

В сквозной технологии проектирования и подготовки производства CAD/CAE/CAM местоположение САЕ-программ можно обозначить на двух уровнях (Рисунок 4): «конструктор» и «технолог»[10]. На уровне «конструктор» создается объемная модель конструкции в CAD и проверяются функциональные возможности изделия в конструкторских СAЕ-программах, причем проектирование ведется в контексте сборки. Если в САЕ выявляется несоответствие функциональных возможностей анализируемой компьютерной модели тем параметрам, которые обозначены в техническом задании на разработку изделия, то конструкция подвергается редактированию в CAD и отправляется на повторную проверку в СAЕ.

Рисунок 4 - Схема передачи геометрии в сквозной технологии проектирования и производства CAD/CAE/CAM

Когда конструкторские программы САЕ подтверждают, что расчетные параметры модели соответствуют заданным требованиям, отдельные детали машины из сборки отправляются на уровень «технолог», где проектируется технологическая оснастка в CAD и оптимизируются технологии изготовления деталей с помощью технологических САЕ-программ. Если проектируемая оснастка не обеспечивает изготовление бездефектной детали, она подвергается доработке в CAD.

Когда технологии оптимизированы и готовы геометрические модели оснастки, эстафета передается программам САМ, которые обеспечивают изготовление оснастки в инструментальном производстве, и на заключительной стадии - серийную обработку деталей.

4.2 Интеграция и передача данных

Проектирование в интегрированной среде CAD/CAE [12] предполагает создание исходной геометрической модели и ее первичный расчет, а затем при необходимости циклическое повторение корректировок конструкции в CAD/САЕ до полного совмещения расчетных результатов с требованиями технического задания. На последнем шаге такого итерационного совершенствования в CAD-программе создается наилучший проектный вариант. Поиск необходимых параметров конструкции все чаще ведут на параметрических моделях с использованием специальных средств и модулей оптимизации.

В интегрированных программных средах САЕ-модуль читает файл геометрии во внутреннем формате CAD-системы. При необходимости геометрическую модель можно отправить на расчет в автономную САЕ-систему аналитического уровня, установленную, например, на суперкомпьютере в центре коллективного пользования. В этом случае передачу данных стараются произвести в наиболее устойчивом формате.

4.3 Исследовательская роль САЕ

Компьютерное проектирование - один из наиболее важных этапов жизненного цикла изделия, который неразрывно связан с исследованием конструкции машины и оценкой ее эксплуатационных параметров средствами САЕ. управление компьютерный инженерный автоматический

Вместе с тем, в программных комплексах, реализующих идеологию PLM, программы САЕ занимают обособленную позицию. Тому есть несколько причин.

Во-первых, САЕ-программы, особенно «тяжелого класса», требуют на порядок больше машинных ресурсов, чем системы конструирования или подготовки производства, поэтому они устанавливаются на выделенные расчетные станции и обслуживаются, как правило, математиками-расчетчиками.

Отличительной особенностью САЕ-программ является большой объем одновременно обрабатываемых данных. Современные вычислители САЕ в зависимости от масштаба решаемой задачи осуществляют параллельные вычисления с использованием различных методов и структур: распределенные вычисления в сети Internet, GRID-офис, кластеры и суперкомпьютеры.

Во-вторых, в процессе проектирования и изготовления машиностроительных изделий САЕ-программы располагаются за пределами магистрального движения цифровой 3D-модели, сами не вносят транслируемых изменений в геометрию и являются по сути средством проверки функциональной пригодности конструкции или оптимизации технологических параметров изготовления деталей.

В-третьих, как это ни парадоксально, но инженерный анализ конструкции является для конструктора в определенной степени чужим полем; поскольку целью САЕ является не синтез новой конструкции, а так же, как в научном исследовании, - получение новых знаний, в данном случае о свойствах проектируемого изделия.

Компьютерный инженерный анализ по смыслу аналогичен научному исследованию. Его методология радикально отличается от основных принципов конструирования, и в плане постановки задачи, и в плане методов решения, и в плане интерпретации результатов.

Компьютерный инженерный анализ фактически является вычислительным экспериментом, а программы САЕ выполняют при этом роль исследовательского инструмента. В российских источниках для обозначения виртуальных исследований с помощью компьютерных программ используются также термины «вычислительное моделирование» и «компьютерная симуляция».

4.4 Решение прикладных задач средствами САЕ

Компьютерные инструменты САЕ используются преимущественно в прикладных исследованиях, направленных на поиск новых технических решений, конструкций и технологий.

Далее приводится краткое резюме некоторых типичных задач, решенных российскими исследователями за последний календарный год, с указанием использованных программ САЕ и со ссылкой на соответствующие литературные источники.

Запас прочности, АРМ WinMachine [10]. Исследование напряженнодеформированного состояния (НДС) металлургического оборудования под действием сосредоточенных и распределенных силовых нагрузок с учетом собственного веса деталей позволяет снизить металлоемкость машины, одновременно повысив запас прочности и работоспособность основных узлов установки. Решение в данной российской программе получено на стержневой модели.

Статическая прочность, Autodesk Inventor [10]. Исследование НДС отдельных деталей и узлов в статическом анализе позволяет обоснованно вносить изменения в геометрию деталей при заданной схеме нагружения и совершенствовать прочностные характеристики.

Жесткость, Altair + ANSYS/LS-Dyna [10]. Исследование жесткости каркаса гоночного автомобиля под действием кинематических нагрузок позволяет проектировать детали, удовлетворяющие регламенту международных соревнований, условиям безопасной эксплуатации и требованиям технологичности. Техническое содержание проекта защищено патентами.

Усталостная прочность, CosmosWorks [10]. Оценка НДС деталей вагонов по максимальной нагрузке стационарного цикла в условиях статического нагружения и использование оригинального метода расчетов на конечно-элементной сетке позволяет прогнозировать количество циклов до появления усталостной трещины или до разрушения детали.

Ударное воздействие, Pro/Engineer Mechanica [10]. Исследование поведения бортового прибора при ударном нагружении однократными импульсными ускорениями в виде полусинусоид, заключается в анализе отклика с учетом собственных колебаний конструкции и позволяет корректировать 3Б-модель, повышая ее надежность.

Пластическая деформация в контактной зоне, ANSYS/LS-Dyna [7]. Исследование контактного взаимодействия шероховатой поверхности с режущим инструментом в процессе механической обработки позволяет выявить основные закономерности получения сложнопрофильных поверхностей высокого качества при чистовой обработке и разработать необходимые для этого методы настройки станков с ЧПУ.

Несущая способность, MSC.Nastran [10]. Компьютерный расчет несущей способности рабочих колес реактивных турбин под действием комплекса нагрузок, включая центробежные силы, перепад давлений и температурное воздействие, с нелинейной моделью материала и с учетом зависимости свойств материала от температуры позволяет точнее оценивать запас прочности турбины и выбирать пути ее форсирования.

В большинстве случаев российские ученые для выполнения прикладных исследований выбирают программный комплекс ANSYS: контактные напряжения в резьбовом соединении [10, 13], тепловые деформации и напряжения в волновом твердотельном датчике [6, 10, 13] и другие задачи.



4.5 Решение теоретических задачи выполнение уникальных вычислительных экспериментов в САЕ

Компьютерные инструменты САЕ используются не только в прикладных исследованиях, но и в сугубо научных целях - для поиска новых закономерностей, например, при разработке новых материалов и нанотехнологий. Так, в работе [6,10] модальный анализ средствами ANSYS используется только для оценки оригинального подхода к неразрушающему методу обнаружения трещин в матрице слоистых композитов, а в работе [10] модальный анализ двухслойной спиральной нанопленки, обладающей пьезоэлектрическими свойствами, проводится средствами ABAQUS и позволяет прогнозировать поведение наноструктуры при совмещении различных свойств.

Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться инженерам, не поддаются точному аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию выбора правильного варианта конструкции.

К таким задачам относятся проектные задачи нано- и микроэлектроники [10] в связи с высокой стоимостью и трудоемкостью изготовления опытных образцов.

Существует обширный класс задач, например, в области медицинской техники и протезирования, где натурное испытание прототипов представляется неэтичным. В связи с этим крайне актуальным направлением развития программ САЕ становится конечно-элементное моделирование биологических тканей [10] в задачах хирургии и травмотологии. Свою специфику имеет компьютерное проектирование механизмов для замещения биологических объектов.

Современные технологии особенно важны в медицине [10], например, при изготовлении протезов по индивидуальному заказу, когда используется цифровая модель. Реверсивный инжиниринг, компьютерное моделирование и быстрое прототипирование обеспечивают качественный и быстрый результат в единичном производстве протезов с учетом анатомических особенностей и индивидуальной биомеханики.

В таких случаях единственным методом, позволяющим быстро оценить эффективность предлагаемого технического решения, становится компьютерное моделирование.

4.6 Корректировка компьютерных расчетов

Компьютерные расчеты с целью обеспечения их достоверности дополняются экспериментальными данными. Дополнив численный эксперимент натурными испытаниями на последних стадиях проектирования, можно достичь максимального соответствия полученных результатов реальному поведению конструкции.

В вычислительном моделировании различают верификацию и валидацию расчетных моделей [10].

Верификация проводится на начальном этапе и предполагает решение простой очевидной задачи с обязательным совмещением расчетных результатов с экспериментальными данными.

Валидация проводится для сложных расчетных моделей с целью уточнения отдельных параметров, характеризующих уникальное взаимодействие различных частей конкретной модели, и осуществляется также с использованием экспериментальных методик.

Технология сочетания компьютерного моделирования проектируемого изделия с экспериментальным подтверждением адекватности принятых конструкторских решений и расчетных моделей при сокращенном объеме экспериментальных исследований обеспечивает оптимальный баланс между точностью и стоимостью проекта.

В дальнейшем, при проектировании аналогичных конструкций и устройств, проведение экспериментов на натурных образцах не требуется, достаточно получить подтверждение технических характеристик на верифицированных компьютерных моделях.

4.7 Использование CAD/CAE/CAM в учебно-исследовательской работе студентов и преподавателей

Компьютерное инженерное моделирование (CAE) играет все более важную роль в научных исследованиях и изучении инженерных дисциплин [10]. Студенты ВУЗов используют CAE-инструменты для изучения основ физики и получения прикладных знаний, которые помогут им в дальнейшей профессиональной деятельности, на пути построения успешной карьеры. Аспиранты, занимающиеся разработками, применяют инструменты инженерного моделирования для решения сложных прикладных задач.

Группой ученых Брянского государственного технического университета, Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, Дальневосточного федерального университета моделированием напряжений и деформаций твердосплавных концевых фрез получены усовершенствованные конструкции составных концевых фрез, обеспечивающие снижение доли инструментальных затрат в себестоимости изготавливаемых изделий без снижения качества и производительности в сравнении с дорогостоящими монолитными твердосплавными фрезами [8]. Посредством моделирования процесса резания с помощью программных сред ANSYS (стандартный модуль Workbench Explicit Dynamics), SolidWorks (модуль Simulation), SOLID164 исследованы поля напряжений, температур и деформаций элементов системы резания при обработке заготовок, выполненных из алюминиевого сплава, конструкционной стали, титанового сплава.

Актуальность моделирования в связи с разработкой конкурентного металлорежущего инструмента связана с применением высокопроизводительных импортных металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением, что привело к бесконтрольному применению дорогостоящих монолитных (цельных) твердосплавных концевых фрез, тогда как часть работ, особенно при обработке алюминиевых заготовок можно выполнить значительно более дешёвыми фрезами. Погоня за производительностью обработки привела к чрезмерным инструментальным затратам в себестоимости изделий.

Результаты анализа отказов монолитных концевых твердосплавных фрез (рисунок 5) послужили причиной моделирования процесса фрезерования концевыми фрезами с целью сокращения инструментальных затрат без снижения качества и производительности обработки.

Рисунок 5 - Иллюстрация отказов монолитных концевых твердосплавных фрез при обработке заготовок авиационного назначения: a -распределение фрез по видам отказов; б - превалирующий вид отказа сколом хвостовика по месту крепления фрезы в патроне

Моделирование с рассчитанной нагрузкой на фрезы (Рисунок 6) показало, что с монолитными фрезами могут успешно конкурировать составные фрезы, стоимость которых в разы меньше.



Рисунок 6 - Картины распределения величин напряжений в модели составной фрезы (а) и измененияпо длине фрезы величин её деформаций (перемещения от вертикального положения) (б)

В результате моделирования и составления сопоставительных номограмм погрешностей обработки были сделаны выводы, что:

1. Составные фрезы в значительной области условий эксплуатации составляют конкуренцию цельным фрезам либо незначительно уступают им (в пределах точностных параметров, применимых в общем машиностроении и авиастроении).

2. Подвергнутые моделированию варианты конструкции составных фрез оптимизированы ещё не по всем параметрам, позволяющим управлять технико-экономическими показателями высокоскоростного фрезерования. Тем не менее эти варианты конструкции составных фрез составляют конкуренцию цельным концевым твердосплавным фрезам.

3. Основной диапазон конкуренции составных фрез приходится на области применения, где точность изготовления не превышает общемашиностроительных требований.

Чем меньшей длины требуется фреза, тем более конкурентны составные фрезы из-за несущественного различия их деформации в сравнении с деформацией цельных фрез и значительной (до30 %) экономии твёрдого сплава.

Чем большей длины требуется фреза, тем ещё больше (до 70 %) экономия твёрдого сплава, но и больше величина деформации фрезы, что снижает точность и производительность обработки, т.е. ограничивает область применения составных фрез.

Кроме того, было показано, что эти результаты не противоречат данным, полученным в ходе экспериментов, проведенных с применением иных методов исследования.



Заключение

При проектировании в программной среде CAD/CAE/CAM программы САЕ выполняют вычислительные эксперименты в широком спектре физических моделей и процессов, обеспечивая правильный выбор инженерами конструктивных и технологических параметров проектируемого изделия.

В прикладных исследованиях компьютерные инструменты САЕ используются для поиска новых технических решений, конструкций и технологий.

Вместе с тем, компьютерный инженерный анализ может быть направлен на решение теоретических задач и выявление новых закономерностей, например, при разработке нанотехнологий и новых материалов.

Преимуществом компьютерного исследования является возможность анализировать междисциплинарные расчетные модели и визуализировать скрытые процессы.

Размещено на Allbest.ru