Оделирование в САПР. Пакет NASTRAN.

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем»: Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (PDM — Product Data Management), управления процессом проектирования (DesPM — Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Автоматизированное проектирование - это процесс создания группой разработчиков рабочего проекта при помощи специализированного программно-аппаратного комплекса, реализующего решение класса задач создания математических моделей и расчета конструкций, поиска и сортировки информации в базе данных, формирование чертежей и осуществление экспертной оценки решений.

Автоматизированное рабочее место (АРМ) - используемый проектировщиком комплекс технических средств на основе компьютера, оснащенного внешними устройствами и проблемно-ориентированным программным обеспечением.

АПР - это коллектив проектировщиков, объединенных в рамках одной предметной области единой проектной задачей, общим и однородным организационным, методическим, программным и информационным обеспечением на основе определенных технических средств.

В САПР входят специализированные подсистемы, ориентированные на решение задач определенного этапа проектирования: инженерных расчетов, конструирования, создания проектной документации, технологической подготовки производства и др. Система обеспечивает ввод, хранение, обработку и вывод графической информации в виде инженерных документов.

В настоящее время на Российском рынке представлено большое количество CAD/CAM систем и специализированных приложений для них. И у Вас не будет проблем с приобретением таких программ. Но в процессе проектирования предприятия, изготовления детали или отработки технологии специалисту необходим универсальный инструмент, с помощью которого он смог бы оперативно решить все возникающие проблемы. Наша задача, познакомить Вас с возможностями программного обеспечения и необходимых приложений, которые пригодятся Вам для литейного, кузнечно-прессового производства и процессов механообработки, как эффективно использовать это программное обеспечение и быстро получить от него отдачу.

Все программы, о которых мы будем вести разговор, делятся на два вида: программы общего назначения и программы специального назначения. Всем программам для своей работы требуется графическое ядро, роль которого в данном случае выполняет AutoCAD. Почему мы выбрали именно AutoCAD в качестве графического ядра? Потому что AutoCAD добротно сделанная программа, которая длительное время продается во всем мире(в настоящее время продано более миллиона копий этой программы), она имеет более 4000 приложений для различных областей знаний и в настоящее время AutoCAD является стандартом для графических систем, работающих на персональных компьютерах.

Для чего можно использовать AutoCAD? Его можно использовать для выполнения работ по проектированию и конструированию в различных областях машиностроения, строительства, картографии и архитектуры для работы с плоскими чертежами и трехмерными моделями проектов изделий, зданий и даже заводов. Кроме AutoCAD, компания Autodesk предлагает много специализированных программ общего назначения, которые расширяют возможности AutoCAD. Это программа AutoCAD Designer, которая позволяет вам делать компьютерные модели трехмерных параметрических изделий, включая ассоциативность всех размеров, плоских изображений и трехмерных твердотельных компьютерных моделей. Программа AutoSurf позволит Вам работать со сложными поверхностями и тонкими оболочками, используя сплайновое моделирование с применением NURBS-математики. Программа Autodesk Mechanical Desktop поддерживает сквозную параметризацию трехмерных моделей и позволяет Вам проектировать и создавать сложные трехмерные твердотельные и пространственные модели изделий. Программа Autodesk Work Center предназначена для объединения усилий большого количества людей при работе над большим проектом.AutoCADи другие программы компании Autodesk относятся к программам общего назначения. К этому классу программ относятся и программы компании Intermech, Cimlogic и Vibrant Graphics. Программы компании Vibrant Graphics -- SoftEngine4 и SoftPoint -- это драйверы, которые предназначены для ускорения работы систем на базе AutoCAD в 25 раз. SoftEngine имеет функции мгновенного зумирования и панорамирования без регенерации изображения, позволяют быстро тонировать, разрезать и вращать в реальном масштабе времени тонированные трехмерные объекты и конструкции, а также имеют много других полезных функций. Программное обеспечение компании Intermech и Cimlogic позволяет очень эффективно и быстро создавать плоские чертежи отдельных деталей, узлов и изделий в целом. В программное обеспечение включены модули для расчета цепных и ременных передач, шкивов и кулачков, пружин, валов, для расчета моментов инерции и других характеристик изделия, включая сложные кинематические расчеты. Программное обеспечение этих фирм имеет модули для работы с пространственными изделиями, выполненными из листовых материалов и программу работы с трехмерными базами стандартных деталей и элементов крепежа. Программа содержит много команд и режимов, которые значительно упрощают процесс черчения и сокращают время изготовления всех видов чертежей.

К программа специального назначения относятся программы компаний Flow Science, Rebis, SofDesk, Surfware , GTX и программы, разработанные специалистами "Русская Промышленная Компания"для литейного и кузнечно-прессового производства.

Программное обеспечение компании GTX -- GTXRasterCAD предназначено для быстрого и удобного перевода любой документации, в том числе сложных и насыщенных чертежей с бумажного носителя в электронный вид. Программа работает, как приложение AutoCAD и позволяет загрузить отсканированный чертеж непосредственно в среду AutoCAD. Для редактирования изображения могут использоваться специальные интеллектуальные функции GTXRasterCAD или команды из меню AutoCAD. Программы GTX распознают и векторизуют не только чертеж, но и текст, который содержался в поле чертежа. Программа содержит функции для очистки чертежа от "мусора", который появляется в поле чертежа при сканировании старых и некачественных конструкторских документов.

Программное обеспечение компании Rebis предназначено для проектирования заводов и включает программы по проектированию систем трубопроводов, проектированию и расстановке оборудования, проектированию несущих конструкций, модули для проведения поверочных расчетов отдельных элементов и всего проекта в целом.

C помощью программного обеспечения компании SofDesk вы сможете решить все проблемы с автоматизацией проектирования строительных конструкций, расчету основных элементов данного проекта, получению необходимой нормативной документации.

Программа FLOW-3D компании Flow Science Inc. Позволит Вам моделировать процессы массо- и теплопереноса в трехмерной постановке. В настоящее время данный пакет программ используется при разработке конструкций летательных и морских аппаратов, в автомобилестроении, для проектирования систем охлаждения и вентиляции, для проектирования нефте- и газопроводов, в ракетостроении, при проектировании технологии литейных и металлургических процессов, для литья пластмасс и в других отраслях промышленности.

Программное обеспечение, разработанное специалистами нашей компании, используется для проектирования литейной технологии, проектирования пресс-форм для литья металлов и пластмасс, для получения исходной формы заготовки для холодной листовой штамповки при технологических операциях гибки, вытяжки и формовки, для получения оптимальной карты раскроя штампуемых деталей. Для этого используются программы "Технолог", "Конструктор" и "AutoSheet".

Программное обеспечение компании Pathrace Inc. предназначено для компьютерного моделирования процессов механообработки, проверки качества получаемого изделия и получения управляющей программы для 2...5 координатных станков с ЧПУ. В программе учитываются характеристики используемого пользователем оборудования. Программа EdgeCAM позволяет Вам, используя компьютерную модель Вашего изделия, пройти все стадии его обработки, покажет места возможных дефектов или несоответствий требованиям к изделию, которое Вы хотите получить, и поможет Вам создать наилучшую управляющую программу для получения данного изделия с гарантированным качеством на Вашем оборудовании.

В связи с тем, что EdgeCAM разрабатывалась специалистами, имеющими большой опыт работы в области механообработки, программа имеет дружественный интерфейс и ориентирована на использование инженерами-технологами, занимающимися разработкой технологии получения деталей обработкой резанием на станках с ЧПУ. Программа EdgeCAM выполнена по модульному принципу. В ее состав входят "Геометрический Моделлер" -- программа для создания пространственной геометрической модели обрабатываемого изделия; программа для визуализации геометрии обрабатываемого объекта, процесса и результатов обработки изделия; программы для проверки и выявления возможных дефектов в процессе компьютерного моделирования обработки изделия; программа-имитатор процесса обработки изделия и постпроцессор, поддерживающий несколько сот стоек для всех основных типов контроллеров станков с ЧПУ. Также, в состав программы входит база данных с материалами заготовок, инструментальными материалами и сортаментом используемого инструмента.

Проблема взаимодействия колеса и рельса является центральной для всего железнодорожного транспорта. Качество этого взаимодействия, или говоря другими словами, параметры взаимодействия во многом определяют экономическую эффективность железнодорожного транспорта. Именно эти параметры [1] определяют прочность, ресурс и безопасность важнейших элементов подвижного состава и пути – колеса и рельса, и в конечном итоге – долговечность большинства железнодорожных конструкций.

Исследование статического и динамического взаимодействия колеса и рельса, особенно при наличии неровностей типа наваров и ползунов на колесах или волнообразного износа на рельсах, является важным этапом в изучении этого процесса.

Развитие современных инжиниринговых методов, а именно моделирование процессов нагружения и деформирования конструкций на компьютерах, позволяют решать эти задачи наиболее эффективно с учетом вышеназванных особенностей в самых общих постановках.

В данной работе демонстрируются технологии решения задач статического и динамического контактного взаимодействия колеса и рельса любых профилей с использованием систем автоматизированного проектирования, позволяющих быстро менять геометрические характеристики расчетных элементов, в том числе ввести любые неровности, и комплекса программ ANSYS.

Статика

В соответствии с общими представлениями об обеспечении прочности, надежности и безопасности железнодорожных конструкций [1] исследуем статическое (квазистатическое) взаимодействие контактной пары колесо-рельс:

колесо плоскоконическое – ГОСТ 9036-88;

рельс Р65 – ГОСТ Р5185-2000;

нагрузка на колесо – 10 т (100 кН).

Соответствующие чертежи колеса и рельса, выполненные в системе автоматизированного проектирования, показаны на рис. 1-3. На рисунках слева на чертеже представлены основные размеры колеса и рельса, которые можно произвольно менять, тем самым произвольно изменять саму конструкцию, так как в данной системе автоматизированного проектирования изменение геометрии производится изменением размеров, справа общий вид колеса и рельса, которые передавались в комплекс программ ANSYS.

Поверхность катания колеса (рис. 1) имеет конусность. Рельсы в эксплуатации ставят с подуклонкой таким образом, чтобы реализовать условие центрального контактирования колеса и рельса, когда сила от колеса передается по вертикальной оси рельса.

Рис. 1.

В данной работе рассматривается контакт между центральными областями головки рельса и поверхности катания колеса, при этом рельс ставится вертикально, а конусность на колесе не учитывается (рис. 2-3). Контакт осуществляется по центральной оси рельса (R = 500 мм, рис. 2) и кругу катания колеса (R = 475 мм, рис. 3).

Рис. 2.

Рис. 3.

Задача решается в рамках теории упругости с учетом контактных явлений.

Расчетная схема задачи показана на рис. 4. Рассматривалась симметричная постановка. Нагрузка 100 кН (50 кН в симметричном случае) прикладывалась по нижней половине поверхности внутреннего отверстия колеса, соприкасающегося с осью. На нижней поверхности подошвы рельса ставилось условие заделки. В области контакта колеса и рельса расчетная сетка предельно сгущалась (около 20-30 тысяч элементов только в области контакта) и применялись контактные трехмерные элементы с учетом коэффициента трения, равного 0,2. Общее количество конечных элементов – около 50 тысяч.

Рис. 4.

Результаты расчета

Основные результаты можно видеть на рис. 5-10. Рис. 5 – общий вид контакта колеса и рельса. Выделенные (очерченные линиями) области на колесе и рельсе показывают области сгущения конечно-элементной сетки.

Рис. 5.

Рис. 6. Рис. 7.

Анализ результатов расчетов показывает, что максимальные контактные напряжения (интенсивность напряжений по Мизесу) равна 650 МПа при вертикальной нагрузке 100 кН и коэффициенте трения 0,2 (рис. 9-10). Максимальное значение компоненты напряжений SY, перпендикулярной площадке контакта, равно 1010 МПа. Размер площадки контакта близок к эллипсу с диаметрами 13,6 мм и 13,2 мм. Площадка контакта слегка вытянута вдоль оси рельса. В общем случае, когда рельс прогибается между шпалами, площадка контакта еще больше будет вытягиваться вдоль продольной оси рельса.