Курс лекций дисциплины «Компьютерные технологии и сапр» для студентов специальностей 120500, 120507, 120700 очной, очно-заочной и заочной форм обучения

Вид материала

Курс лекций

Содержание Вычисление гибов развернутой детали. Способы отображения детали. Текущая гнутая деталь. Единицы измерения. Расположение элементов. Определение материалов. Определение правил изгиба листового металла. Радиус + толщина / 3) Радиус гиба, толщина, мате­риал). 4. Инженерный анализ в машиностроении

Подобный материал:

• Курс лекций дисциплины «Компьютерные технологии и сапр» для студентов специальностей, 559.5kb.
• Методические указания по написанию курсовой работы для студентов очной, заочной и очно-заочной, 318.34kb.
• Учебное пособие для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения (дистанционное, 929.04kb.
• Реферат как форма самостоятельной работы студента: методическое пособие по выполнению, 325.87kb.
• Курс лекций для студентов заочного факультета самара, 1339.16kb.
• Методические рекомендации по выполнению практических работ по курсу «Экология» для, 474.71kb.
• Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Стратегический менеджмент» для, 76.01kb.
• Методические рекомендации для студентов очно-заочной и заочной форм обучения Тематика, 268.03kb.
• Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Экономика отрасли» для студентов, 197.88kb.
• Методические указания по выполнению рефератов и контрольных работ по курсу «экология», 187.76kb.

Структура детали из листа. Логическая структура детали яв­ляется древовидной: каждая ветвь дерева соответствует элементу, определяемому пользователем. Корнем дерева является фиксиро­ванная часть детали (основание), относительно которой выполня­ется развертка. Элементы делятся на три категории:

• элементы, присоединяемые по внешнему контуру других эле­ментов. Присоединяемые элементы могут определяться либо кон­турами, либо заданной деформацией, такой, как изгиб или круче­ние, и получаются в результате вычисления;

• дополнительные элементы, которые могут размещаться толь­ко внутри или по периметру ранее созданных элементов;

• элементы, конструируемые пользователем, - нестандартные элементы, для создания которых используются средства данной подсистемы, и элементы, созданные пользователем в своей при­кладной программе.

Деталь из листового металла может иметь до 255 элементов, распределенных по 120 уровням.

^ Вычисление гибов развернутой детали. Для вычисления раз­вернутой длины гиба (изогнутого участка детали из листа) исполь­зуют один из двух подходов:

• интерактивный - применяют одну из формул, предусмотрен­ных в подсистеме, с возможной коррекцией значения коэффици­ента;

• программный - записывают программу, которая выполнит необходимые вычисления.

^ Способы отображения детали. На любом этапе конструирова­ния можно отобразить деталь либо согнутой, либо развернутой, управляя способом отображения:

• отображение контуром или листом позволяет получать реаль­ное представление о детали из листа, либо запросить упрощенное отображение детали в виде контуров для более простой идентифи­кации .и обработки элементов;

• отображение «согнуть/разогнуть» наглядно представляет де­таль в согнутом состоянии (реалистическое отображение детали в режиме 3D) либо развернутой;

• подробное или упрощенное отображение показывает полное и реалистическое представление деталей. Частичная детализация отображает только размещение элементов на детали.

Помимо возможности управлять способом отображения элемен­тов в подсистеме обеспечивается автоматическое окрашивание эле­ментов по их типу (см. рис. 7 на вклейке). Первый элемент детали - фиксированная часть, которая может быть либо плоским конту­ром, либо гибом - отображается красным цветом, в процессе опе­рации развертывания он неподвижен. Присоединяемые элементы отображаются следующим образом: недеформированные элемен­ты - зеленым цветом, деформированные части (места гибов) - жел­тым цветом. Дополнительные элементы имеют голубой цвет. Не­стандартные элементы, символы-знаки и элементы пользователя отображаются фиолетовым цветом.

^ Текущая гнутая деталь. Первой разрабатывается текущая гну­тая деталь. Можно начать разрабатывать новую деталь. Если нуж­но продолжить разработку ранее созданной в этом сеансе работы детали, выполняется редактирование детали. Если нужно продол­жить разработку детали, созданной в прошлом сеансе работы и записанной в базу данных, то ее необходимо выгрузить из базы данных. Любая из этих моделей делает деталь текущей, присваи­вая ей следующие свойства: название; материал; толщина листа.

Система анализирует деталь и признает ее разворачиваемой или не разворачиваемой, о чем делает соответствующее сообщение.

^ Единицы измерения. Можно выбрать тип единиц измерения длины. Углы всегда выражаются в градусах. Единицы измерения жесткости материала и модуля упругости по умолчанию - Н/мм² (ньютон на квадратный миллиметр). Альтернативное значение - фунт/дюйм² (фунт на квадратный дюйм). Нужно использовать те единицы измерения, которые установлены для параметров в нача­ле сеанса работы. Если единицами измерения являются фунты, то нужно использовать фунт/дюйм² в качестве значения этого пара­метра. Если установлены метрические единицы измерения, то ос­тавьте Н/мм².

^ Расположение элементов. Элементы детали из листового ме­талла должны иметь соединения. Соединение - это отрезок, огра­ниченный двумя точками. Можно соединить следующие элемен­ты: гибы, кручения и контуры.

Дополнительные элементы можно добавлять только внутри кон­туров ранее созданных элементов. Исключение составляют три типа обработки кромки и ребер, которые могут быть размещены на гибах в дополнение к контурам.

Для упрощения построения элементов можно создавать гибы, кручения, контуры и профили «по месту» и «не по месту» (рис. 1.29). Если удобнее задать элемент в стороне от текущей детали («не по месту»), то нужно определить соединения между элемен­тами, и система автоматически переместит элемент на его место.

^ Определение материалов. Материал листа имеет следующие характеристики:

• механические свойства для проверки предела деформации элементов детали;

• значения толщины листа из этого материала;

• минимальный радиус гиба, допустимый для каждой толщины листа.



Рис. 1.29. Размещение элемента «по месту» (а) и «не по месту» (б)



Можно хранить характеристики материала в базе данных, т.е. соз­дать банк используемых на пред­приятии материалов в стандартной базе данных, в которой хранится информация, доступная всем поль­зователям. В этом случае измене­ние параметров материалов в базе данных не допускается.

^ Определение правил изгиба листового металла. При изги­бе детали ее длина меняется. Результирующая длина зависит от следующих факторов: радиуса гиба, угла гиба; толщины листа; от­носительного удлинения, прочности и модуля упругости листа; спо­соба обработки листа (типа оборудования).

Существует общая формула для вычисления развернутых длин, основанная на положении нейтрального слоя (рис. 1.30). Развер­нутая длина гиба равна длине нейтрального слоя элемента. Нейт­ральный слой элемента не сжимается и не растягивается при сгибе элемента детали. Положение нейтрального слоя определяется ко­эффициентом нейтрального слоя

К=а/ТОЛЩИНА,

где а - расстояние от нейтрального слоя до внутренней стороны гиба; ТОЛЩИНА - толщина листа.

Общая формула расчета развернутой длины гиба может быть записана в виде:

РАЗВЕРНУТАЯ ДЛИНА = УГОЛ ГИБА х (ВНУТРЕННИЙ РАДИУС + ТОЛЩИНА х К).

Параметры этой формулы выбираются различными способами в соответствии с требованиями конструктора.

В самом простом подходе можно воспользоваться выбором од­ной из следующих формул, которые пригодны для работы с лю­бым материалом и часто используются в промышленности для вычисления развернутой длины изделия:

РАЗВЕРНУТАЯ ДЛИНА = УГОЛ ГИБА х (ВНУТРЕННИЙ РАДИУС + ТОЛЩИНА х 0,5).

где 0 < УГОЛ ГИБА < 90°;

РАЗВЕРНУТАЯ ДЛИНА = УГОЛ ГИБА х (ВНУТРЕННИЙ

^ РАДИУС + ТОЛЩИНА / 3),

где 90 ° < УГОЛ ГИБА < 150°;

РАЗВЕРНУТАЯ ДЛИНА = УГОЛ ГИБА х (РАДИУС + + ТОЛЩИНА / 3) + 2 х (РАДИУС + ТОЛЩИНА) х (sin (УГОЛ ГИБА / 2) - 1),

где 150° < УГОЛ ГИБА < 180°.

Эти расчеты могут быть выполнены по умолчанию, если конст­руктор не решит добавить свои собственные правила.

В другом случае можно обеспечить соответствие параметров формулы развернутой длины требованиям заказчика, используя принятые на предприятии коэффициенты. Таким способом можно определить положение нейтрального слоя для каждой толщины материала и каждого радиуса гиба:

ДЛИНА = (РАДИУС ГИБА + ТОЛЩИНА х К) х УГОЛ ГИБА,

где К - коэффициент положения нейтрального слоя гиба, опреде­ляемый по формуле

К=К₁хК,.

Угловой весовой коэффициент К₁ выбирается по углу гиба, а линейный весовой коэффициент К₂ - по внутреннему радиусу гиба, толщине и типу листа. Таким образом, коэффициент К зависит от четырех параметров:

К = К₁(УГОЛ ГИБА) х К₂^ (РАДИУС ГИБА, ТОЛЩИНА, МАТЕ­РИАЛ).

Значения коэффициентов К₁ и К₂ определяются пользователем как функции угла, радиуса гиба, толщины листа и характеристик материала.

И наконец, можно написать программу, алгоритм которой будет определять правила вычисления развернутой длины гиба с особы­ми свойствами материала.

В рассматриваемой подсистеме в процессе конструирования изделий из листового материала можно учитывать ограничения, вытекающие из особенностей используемых инструментов или оснастки. Так, если в процессе производства будет использоваться пуансон V-образной формы (рис. 1.31), то положение нейтрально­го слоя вычисляется по формуле

К=К+[ РНI - РНI х cos (1/ sin ((90 - (УГОЛ ГИБА/ 2)) /РНI))],

где

РНI =((0,5-C)² + 180²)/(2 х (0,5 - С));

C = (C₁ + C₂)/2 x cos (В)/2;

С₁ = (1 + sin (45) / sin (135 - В )) /2;

C₂ = sin(90-2xB/(l+t/2));

В = 1 / tg (t / (2 х R +1)) - 3,7313 + 3,74 x In (E ).



Переменными являются R (радиус), t (толщина), УГОЛ ГИБА, Е (относительное удлинение при разрыве).

В другом случае (изгиб «по матрице») коэффициент нейтраль­ного слоя вычисляется тем же способом, как и при изгибе V-об-разной формы, с добавлением поправочных коэффициентов К₁ и К₂ которые учитывают удлинение, вызванное растяжением листа (рис. 1.32):

С_n = С - [(2 х K₁)/(t x R) х ( 1 - 16 х К₂⁴)], где

К₁ = 0,1+0,0721 x In (E), 01<0,2;

К₂ = (0,65 + 0,5 x log (R /t)) / 2, 0 < К₂< 0,5.

В качестве примера, раскрывающего основные этапы создания корпуса прибора из листового металла, рассмотрим конструкцию (рис. 1.33), спроектированную в подсистеме твердотельного моде­лирования в виде совокупности контуров.



Рис. 1.33. Исходная сборка контуров модели корпуса прибора



Рис. 1.34. Линии соединения элементов

Назначим материал листа марки AZ5GU, толщину листа 1,0 мм. Чтобы перейти от исходной сборки контуров к законченной модели корпуса прибора необходимо

выполнить несколько этапов.

• Используя базу данных материалов, выбрать и подтвердить толщину листов (например, 1 мм) и нужный материал (например, AZ5GU).

• Из всех существующих контуров этого объекта указать фик­сированную часть (основание) детали, относительно которой де­таль будет разворачиваться, и все линии гиба (рис. 1.34).

• Запустить автоматический процесс формирования объемной модели корпуса и проверить полученный результат (рис. 1.35).



Рис. 1.35. Результат соединения контуров



Рис. 1.36. Два вида законченной модели корпуса прибора

- Выполнить необходимые вырезы и подрезы, создать углубле­ния на детали. Чтобы выполнить последнюю операцию, например, необходимо указать:

- контур углубления с плоским дном;

- ширину склона;

- радиус гиба между деформируемым материалом и фиксиро­ванной частью (автоматически задается это же значение для ради­уса гиба у дна);

- глубину формовки.

После ввода подтверждения система выполнит моделирование и проверит допустимость заданных значений параметров.

- Создать при необходимости подсечки на элементах корпуса в нужном направлении (на рис. 1.36 показаны две подсечки - завы­шение на фиксированной части детали).



Рис. 1.37. Развертка модели корпуса прибора

• Выполнить развертку созданной детали (рис. 1.37). В завершение конструктор может уточнить значение массы из­делия, проверить значения радиусов гибов, развернутых длин гибов или структуру изделия.

^ 4. ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Развитие средств вычислительной техники стимулировало рас­пространение инженерного анализа практически на все этапы про­ектирования как отдельных деталей, узлов и агрегатов, так и изде­лий в целом. Многообразие физических процессов в наукоемких изделиях, субъективность в постановке задач анализа, в подходах к идеализации протекающих процессов, в выборе методов реше­ния и многие другие причины привели к созданию огромного чис­ла специальных методик, алгоритмов и программ, предназначен­ных для решения задач анализа машиностроительных изделий. В этом разделе основное внимание уделяется вопросам организации сквозного процесса конструирования и анализа в концепции CALS-технологий и особенностям использования наиболее распростра­ненных программ.

Можно условно выделить четыре основные группы программ анализа:

• программные системы проектирования;

• универсальные программы анализа;

• специализированные программы анализа;

• программы анализа систем управления.

Первая группа программ - программные системы проектирова­ния, органически объединяющие процессы конструирования и ана­лиза в едином комплексе, о них уже шла речь выше. К числу про­граммных систем проектирования относятся системы CATIA5, EUCLID3, UNIGRAPHICS и др. При их использовании не возни­кают трудности с созданием сложной и математически точной мо­дели изделия, так как только эти системы обладают самыми мощ­ными средствами геометрического моделирования. Организация обмена между подсистемами конструирования и анализа также не­заметна для пользователя - обе подсистемы оперируют с одной базой данных или имеют внутренние форматы данных. Состав раз­личных видов анализа ограничен по сравнению с составом уни­версальных программ и в основном предназначен для решения та­ких задач, как структурный анализ, линейный статический анализ, модальный анализ, анализ (продольных) деформаций, тепловой анализ, анализ устойчивого состояния (электропроводность, линей­ная конвекция) и др.

Во вторую группу программ входят универсальные программы анализа машиностроительных изделий. Мировыми лидерами в области разработки, поставки и сопровождения этих программ яв­ляются ANSYS, Inc. (США), SAMTECH (Бельгия), MacNeal Schwendler Corporation (MSC) (США). В 1970-е годы одним из ве­дущих методов компьютерного моделирования стал метод ко­нечно-элементного анализа (FEA). Благодаря разработкам этих и многих других фирм, инженерный анализ стал практически по­всеместным и постепенно перерос в мощное направление, полу­чившее свое воплощение в системах автоматизированного анализа (САЕ).

Фирмой ANSYS, Inc. разработано семейство программ анали­за. Ведущей многоцелевой программой этого семейства является ANSYS/Multiphysics [5]. В дополнение к ней создано подмноже­ство автономных, специализированных пакетов, расширяющих возможности основной программы. Среди них можно выделить следующие:

• ANSYS/Mechanical - решение задач прочности, теплопереда­чи и акустики. Расчет и оптимизация конструкции, определение перемещений, напряжений, усилий, давлений и температур можно выполнить с помощью этого пакета;

• ANSYS/Structural - прочностной анализ проектируемого из­делия с учетом геометрических и физических нелинейностей, не­линейного поведения конечных элементов и потери устойчивости;

• ANSYS/LinearPlus - упрощенная версия пакета ANSYS/ Mechanical, предназначенная для решения задач линейной стати­ки, динамики и устойчивости конструкции;

• ANSYS/Thermal - может использоваться для анализа тепло­вых стационарных и нестационарных процессов;

• ANSYS/PrePost - предназначен для построения конечно-эле­ментной сетки на стадии подготовки задачи и обработки результа­тов решения в требуемом виде.

Дополнительными программами этой фирмы, которые можно использовать совместно с ANSYS/Multiphysics или автономно, яв­ляются:

• ANSYS/FLOTRAN - позволяет выполнять решение задач гид­роаэродинамики, включая ламинарное и турбулентное течение не­сжимаемых или сжимаемых потоков;

• ANSYS/Emag - используется для моделирования электромаг­нитных полей;

• ANSYS/LS-DYNA - предназначена для решения прочностных задач динамики с учетом больших нелинейностей, среди которых могут быть задачи поведения изделия при столкновениях и ударах, при конечных деформациях, а также задачи нелинейного поведе­ния материала и т.п.

ANSYS/LS-DYNA PrePost обладает всеми средствами подготов­ки данных для решения и обработки полученных результатов.

Компанией SAMTECH в сотрудничестве с Лабораторией аэро­космических технологий Льежского университета разработана уни­версальная система анализа SAMCEF [6], все расчетные модули которой связаны с единым графическим пре- и постпроцессором BACON.

Универсальная комплексная система программ SAMCEF также имеет модульную структуру, включая:

• THERNL - нелинейный температурный анализ стационарных и переходных режимов; расчет задач электропроводности, конвек­ции, излучения. Исследования электрических и тепловых явлений, связанных с ударом молнии или искровым разрядом;

• ASEF - линейный статический анализ с учетом нелинейных условий;

• SPECTRAL - расчет случайных характеристик усталостных разрушений, базирующийся на спектральном анализе;

• REPDYN - анализ переходных, гармонических и сейсмичес­ких процессов;

• STABI - определение условий потери устойчивости конструк­ции;

• DYNAM - расчет собственных частот упругих систем;

Среди дополнительных разработок этой фирмы можно выде­лить следующие программы:

• FOURIER - линейный статический анализ задач Фурье;

• MECANO / STRUCTURE - новая программная среда, откры­вающая возможности совместного нелинейного анализа структу­ры и податливости элементов механизмов. Впервые была исполь­зована для исследования авиационной и космической техники;

• COMPOSITES - база данных композитных материалов;

• ROTOR - уникальный инструмент динамического анализа вращательных механизмов;

• BOSS/QUATTRO - пакет предназначен для оптимизации ра­боты программной среды SAMCEF и др.

Основные программные разработки фирмы MSC это:

• MSC.NASTRAN - анализ линейной и нелинейной статики и динамики, устойчивости, теплопередачи, акустики, аэроупругос­ти, оптимизации конструкций;

• MSC.PATRAN - интегрированная среда систем моделирова­ния, анализа и проектирования на основе современного графичес­кого пользовательского интерфейса;

• MSC.DYTRAN - анализ высоконелинейных быстротекущих динамических процессов. Столкновение конструкций с разруше­нием, попадание предметов в авиадвигатель, обрыв лопатки, взры­вы, штамповка металла и т.д.;

• MSC.MARC - комплексный нелинейный анализ конструкций и решение сложных задач термопрочности;

• MSC.FATIGUE - новые методы анализа ресурса и долговеч­ности. Усталость, появление и рост трещин, оптимизация конст­рукции по критерию долговечности;

• MSC.CFDesign - газо- и гидродинамика в среде MSC. NASTRAN. Задачи течения жидкости и газа с учетом тепловых про­цессов;

• MSC.Working FEA - прочностные расчеты в пакетах AutoCAD, SolidWorks и SolidEdge;

• MSC.NVH_Manager - комплексный анализ акустики, вибра­ций и устойчивости автомобиля;

• MSC.AMS - пре- и постпроцессор для моделирования конст­рукции автомобиля;

• MSC.Flight Loads&Dynamics - комплексный анализ аэроупру­гих, динамических и прочностных характеристик летательных ап­паратов;

• MSC.MVISION- данные о свойствах материалов. Пакет ADAMS (фирма Mechanical Dynamics, Inc.) используется для динамического и кинематического анализа сложных механи­ческих схем механизмов, статического и модального анализа. С помощью этого пакета могут решаться задачи, например, стыков­ки космических аппаратов, динамики полета и посадки и т.п. Дву­сторонняя связь с конечно-элементными пакетами (ANSYS, MSC.NASTRAN, ABAQUS, I-DEAS) позволяет встраивать неогра­ниченное число конечно-элементных моделей в механизм для уче­та влияния деформируемости на поведение системы. В ADAMS обеспечен обмен информацией с CAD-системами и пакетами ма­тематических методов (MATLAB, MATRDC, EASY5).

Краткий перечень возможностей универсальных программ по­казывает, что в них наиболее полно разработаны различные виды инженерного анализа, включая: статический и динамический ана­лиз, анализ устойчивости, нелинейный температурный анализ (в том числе с учетом процесса фазового перехода или химических реакций), спектральный анализ, статический анализ циклических структур, расчет электрического поля и др. Универсальные про­граммы используются при проектировании изделий машиностро­ения, судостроения, аэрокосмической и электротехнической отрас­лей для решения таких специфических задач, как нелинейный теплообмен (с переходным или стационарным режимом, включая воздействие радиации), структурная оптимизация, анализ упругих механизмов, усталостные разрушения, анализ явлений вязкопластичности и др. Многоцелевая направленность этих программ дает возможность применять их для решения даже таких смешанных задач, как анализ прочности при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Программы позволяют учитывать раз­нообразные конструктивные нелинейности, наличие больших де­формаций, получать решение задач гидроаэродинамики и др.

В универсальные программы анализа включены собственные средства построения геометрической модели изделия. Однако воз­можности геометрического моделирования этих пакетов намного слабее по сравнению с программными системами проектирования, так как с их помощью могут решаться задачи твердотельного мо­делирования сравнительно простых форм.

Все универсальные программы анализа имеют стандартные фор­маты обмена графической информацией с пакетами конструирова­ния. При необходимости геометрическая модель проектируемого изделия может быть предварительно создана на этапе конструиро­вания в CAD-системе.

Третью группу программ составляют многочисленные специа­лизированные программы. К их числу можно отнести:

• пакет MSC.SuperForge (фирма MSC) - предназначен для объем­ного моделирования процессов штамповки и ковки. Результаты анализа могут быть использованы для проектирования оснастки и технологических процессов. Кроме американской фирмы MSC, признанными лидерами в области моделирования процессов штамповки и ковки также являются американская компания SFTC (система DEFORM), французская компания TRANVALOR (систе­ма FORGE) и российская фирма «Квантор-Софт» (система Qform).

В области разработки программных сред инженерного анализа значительные результаты получены российскими фирмами. При­ведем примеры пакетов, фирм, выполнивших разработку, и пере­чень основных задач, решаемых с их помощью:

• Euler (Автомеханика) - динамический анализ многокомпо­нентных механических систем;

• ИСПА (АЛЕКСОФТ) - расчет и анализ на прочность;

• ПОЛИГОН (ЦНИИ материалов) - система моделирования ли­тейных, гидродинамических, тепловых и усадочных процессов в ЗD-постановке;

• РИМАН (ПроПроГруппа) - расчет и анализ напряженно-де­формированного состояния конструкций, решение упругих и пла­стических задач, в том числе штамповки и ударных напряжений;

• АРМ WinMachine (НТЦ АПМ) - комплекс программ для про­ектирования и расчетов деталей машин, анализа напряженно-деформированного состояния конструкций и их элементов;

• ДИАНА (НИЦ АСК) - анализ конструкций и их элементов;

• GasDinamics Tool (Тульский государственный университет)-мо­делирование газодинамических процессов и др.

К сожалению, многие из перечисленных пакетов не имеют стан­дартных интерфейсов, и их использование в сквозных процессах проектирования проблематично.

Для исследования динамических процессов, протекающих в системах автоматического регулирования и управления, а также для решения других задач анализа, широкое применение находят спе­циальные программные комплексы MATRIX, Simulink, VisSim, EASY5, МВТУ, составляющие четвертую группу программ. Ана­лиз динамических процессов на примере программы МВТУ рас­сматривается ниже (см. разд. 1.4.5).