CADmaster

А что если мне надо изготовить модель на станке с ЧПУ? Или посчитать изделие на прочность и сделать кинематический или динамический анализ? Autodesk Inventor может ЭТО? На такие вопросы можно ответить только вынесенными в эпиграф словами византийского ученого: «Умен тот, кто делает, что следует».

Опыт показал, что создание систем, которые способны решать весь спектр машиностроительных задач, неэффективно:

• во-первых, просто нереально охватить абсолютно все машиностроительные задачи;
• во-вторых, компания, которая берет на себя решение всех задач или хотя бы большого их спектра, должна располагать специалистами в области решения каждой задачи. При этом чем шире спектр решаемых задач, тем больше вероятность, что существуют решения, которые решают отдельные задачи гораздо лучше.

Где же выход? А выход очень простой — предлагать базовое решение и давать пользователям и сторонним разработчикам средства для адаптации этого решения к своей области, дополнения его новыми инструментами и возможностями.

Этим путем идут сейчас практически все ведущие разработчики систем САПР. Современные системы трехмерного моделирования являются базой для разработки специализированных приложений. Системы проектирования высокого уровня (например, Unigraphics) строятся по модульному принципу — в них выделяется базовая система моделирования и набор специализированных модулей-приложений.

Первый продукт компании Autodesk — AutoCAD — на сегодня побил все рекорды по количеству приложений сторонних разработчиков и самих пользователей. Появление Autodesk Mechanical Desktop привело к появлению альянса разработчиков — Mechanical Application Initiative, который курирует сама компания Autodesk. В альянс входят компании, специализирующиеся на решении «узких» задач (создание конструкторских библиотек, сборка узлов, оформление чертежей, схемотехника, инженерный анализ, визуализация, выход на станки с ЧПУ, проектирование тонколистовых изделий, печатных плат, прессформ и т.д.). Следующим шагом Autodesk стало создание Autodesk Inventor — замечательной системы трехмерного моделирования. Не прошло и двух лет, а система уже обзавелась более чем пятьюдесятью приложениями и с каждым днем их число растет.

В этой статье мы расскажем о наиболее интересных из них. Системы, о которых далее пойдет речь, интегрированы в оболочку Autodesk Inventor и решают задачи проектирования и инженерного анализа конструкции. А для начала — небольшой анонс.

Проектирование и оформление чертежей в соответствии с российскими стандартами

Летом 2002 года выходит новый продукт компании Consistent Software — MechaniCS для Autodesk Inventor. До сих пор система MechaniCS была приложением только для AutoCAD/AutoCAD LT, решая задачи двумерного проектирования и оформления чертежей по ЕСКД. В этот продукт включены алгоритмы автоматизированного нормоконтроля и контроля качества проектируемого изделия, многовариантного проектирования изделий. Продукт поражает удобством и легкостью в работе. С его двумерной версией познакомились многие тысячи пользователей — и вот теперь разработчики Consistent Software перенесли эти возможности в новую, трехмерную среду.

MechaniCS для Autodesk Inventor решает задачи трехмерного проектирования машиностроительных изделий в полном соответствии с отечественными стандартами и обеспечивает оформление чертежей в полном соответствии с ЕСКД

MechaniCS для Autodesk Inventor решает задачи трехмерного проектирования машиностроительных изделий в полном соответствии с отечественными стандартами. Проектирование зубчатых передач, деталей типа «тело вращения», подшипниковых узлов, а также библиотеки стандартных изделий — вот тот арсенал, которым обладает MechaniCS. Его дополняют возможности оформления чертежей в полном соответствии с ЕСКД, выпуска конструкторских спецификаций и взаимодействия с технологами.

Итак, ждите хит летнего сезона от компании Consistent Software — MechaniCS для Autodesk Inventor!

Проектирование изделий из тонколистового материала

При проектировании изделий из тонколистового материала (корпуса, кожухи, несущие элементы и пр.) конструктор оперирует терминами, связанными с технологией изготовления: сгибы, фланцы, отбортовки…

Изделия из тонколистового материала (корпуса, кожухи, несущие элементы и т.п.) используются практически во всех отраслях машиностроения. Детали из листа обладают небольшой массой и сохраняют при этом высокие прочностные показатели, а правильная работа с материалом (включающая применение средств оптимизации раскроя листа и соответствующего технологического оборудования) позволяет значительно повысить коэффициент его использования. При этом сам процесс проектирования подобных изделий несколько отличается от проектирования обычной твердотельной модели, поскольку конструктор оперирует терминами, связанными с технологией изготовления: сгибы, фланцы, отбортовки и пр. А итог, который он должен получить в первую очередь, — не чертеж готового изделия, а чертеж развертки: исходного контура детали с размеченными и обозначенными гибами.

Базовая система — Autodesk Inventor — включает в себя среду проектирования изделий из тонколистового материала. Но мало кто знает, что весь функционал этой среды, алгоритмы и идеология лицензированы компанией Autodesk у профессионалов в области проектирования тонколистового материала — немецкой компании Data M. А среда тонколистового проектирования Autodesk Inventor родилась на основе разработанного Data M приложения для Autodesk Mechanical Desktop под названием COPRA MetalBender (CMB). Эта же компания выпустила приложение для Autodesk Inventor — COPRA MetalBender Inventor, которое обеспечивает проектирование сложных переходов и построение развертки с учетом физических свойств материала.

Новое приложение включает в себя два модуля: TD-i и Analyser-i.

С помощью COPRA MetalBender TD-i вы можете за несколько минут спроектировать системы воздуховодов, коленных соединений, стыков трубопроводов, которые можно редактировать в контексте сборки обычными средствами Autodesk Inventor. На рисунке представлена сборка с врезанными отводами

Первый модуль предназначен для проектирования сложных переходов с сечения на сечение при проектировании систем вентиляции, обогрева и кондиционирования, а также других объектов, в которых встречаются переходы с диаметра на диаметр, с окружности на прямоугольник и пр. COPRA MetalBender TD-i автоматически формирует подобные переходы, исходя из параметров сечений и их взаимного расположения, которые задает пользователь. Тем самым проектирование деталей, создание которых в «голом» Inventor заняло бы несколько часов, с помощью CMB TD-i осуществляется всего за несколько минут! И самое главное — полученная деталь может редактироваться стандартными средствами Autodesk Inventor, включаться в сборку и дорабатываться уже в ее контексте (например, врезание отводов с подрезкой контура).

Модуль COPRA MetalBender Analyser-i предназначен для получения разверток тонколистовых деталей — в том числе и тех, которые были созданы средствами CMB TD-i

Модуль COPRA MetalBender Analyser-i предназначен для получения разверток тонколистовых деталей — в том числе и тех, которые были созданы средствами CMB TD-i. На этот модуль стоит обратить внимание хотя бы потому, что именно он обеспечивает построение разверток тонколистовых изделий, переходов, создаваемых в CMB TD-I, и учитывает физические свойства материала — его обратное пружинение при гибе. Пакет позволяет разворачивать модели с нулевым радиусом гиба и обеспечивает оптимизацию развертки для изготовления на машинах лазерной и термической резки.

Методы построения развертки включают табличное задание радиусов гибки, расчет нейтральной линии и алгоритмы стандарта DIN. Ну, а готовая развертка может быть оформлена в виде чертежа в Autodesk Inventor или передана для оформления в AutoCAD, а также в системы оптимизации раскроя и подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ.

Готовая развертка может быть передана для дооформления в AutoCAD, а также в системы оптимизации раскроя и подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ

Анализ кинематики и динамики механизмов

Задачи, стоящие перед современным проектировщиком, носят комплексный характер. Помимо чисто конструкторской проработки изделия, необходимо добиться, чтобы конструкция соответствовала целому ряду критериев и требований. Для систем со сложными кинематическими связями (различного рода манипуляторов) критичными являются динамические характеристики изделия. Кроме того, необходимо обеспечить прочность всех компонент сборки.

В недалеком прошлом задачи динамики и прочности изделия решались обособленной и достаточно узкой группой специалистов, имеющих специальные знания в соответствующих областях. Процесс проектирования изделия и окончательной его доводки растягивался на месяцы и годы: конструктор — расчетчик — конструктор и т.д. Времена изменились…

Рабочая версия программы Dynamic Designer (DD) для CAD-системы Inventor появилась в конце марта 2002 года. Программа интегрируется в среду параметрического трехмерного пакета, с которым устанавливается прямой интерфейс. Браузер Inventor`а пополняется деревом динамической модели.

Назначение параметров динамической модели производится в режиме диалоговых окон, содержание пунктов которых вполне понятно для пользователей, ранее специализировавшихся на динамических расчетах. Впрочем, и тем, кто прежде не сталкивался с вопросами динамики объектов, разобраться будет несложно.

Программа динамического и кинематического анализа — это возможность оптимизировать конструкцию быстрее и экономичнее: прямо на рабочем месте, без изготовления опытных образцов.

Постпроцессор программы позволяет получить в разных формах исчерпывающую информацию о характере движения конструкции и силовых факторах, возникающих в ее элементах (двумерные графики для любого рассчитанного кинематического и силового фактора, анимация движения механизма). Дополнительно можно проверить отдельные компоненты сборки на взаимопроникновение в процессе движения — для внесения, если понадобится, корректировок в конструкцию.

Вариация параметров изделия производится посредством графических инструментов Inventor`а, а обновление геометрии с учетом связей между компонентами происходит автоматически с помощью соответствующей команды.

Моделирование динамики механизмов включает три этапа:

• Построение динамической модели
  На этом этапе шарниры и связи геометрической модели автоматически преобразуются в шарнирные соединения динамической модели с возможностью последующей корректировки со стороны пользователя.
  Пользователь также моделирует внешнее воздействие на элементы конструкции в виде сил, моментов и кинематических зависимостей (движение отдельных частей и шарниров).
• Моделирование движения компонентов сборки
  Модуль рассчитывает перемещения, скорости, ускорения каждого компонента сборки, силы реакций и моменты в каждом шарнирном соединении.
• Визуализация результатов

В качестве иллюстрации продемонстрируем возможности DD применительно к кулачково-клапанному механизму.

При открытии файла с геометрией механизма автоматически запускается модуль DD.

Геометрические связи, созданные в среде Inventor, автоматически преобразуются в соответствующие шарниры динамической модели.

Вводим условие контактного взаимодействия между парами: кулачок — коромысло (контакт между трехмерными поверхностями) и коромысло — клапан (двумерный прерывистый контакт между плоскими кривыми), а также моделируем пружину между клапаном и его направляющей.

Движение системы определяется параметрами шарнира вращения между базой и кулачком.

Окно со свойствами шарнирного соединения

Определение параметров вычислительного процесса

Затем задаются параметры процесса моделирования — время, количество фреймов для воспроизведения движения системы, а также параметры вычислительного процесса.

Далее с помощью команды Run Simulation запускаем процесс моделирования. А по окончании вычислений получаем графическую интерпретацию результатов — на рисунках показана некоторая их часть.

Кроме графиков, результаты можно сохранить и в виде таблиц Excel, а в дальнейшем использовать их как исходные данные для прочностного анализа компонент конструкции — например, с помощью программы Cosmos/DesignSTAR американской компании Structural Research & Analysis Corporation.

Анализ прочности и не только прочности…

При установке Cosmos/DesignSTAR (CDS) в меню Autodesk Inventor появляется новая команда Launch Cosmos/DesignSTAR (Запустить Cosmos/DesignSTAR). Наличие прямого интерфейса с Autodesk Inventor позволяет с минимальными затратами времени проводить многовариантный анализ модели, построенной в параметрической графической системе. среде CDS требуется только один раз ввести данные, необходимые для решения задачи: определить краевые условия и нагрузки, параметры конечно-элементной сетки, ссылочную геометрию (точки, ребра и поверхности, которые используются проектировщиком для привязки при формировании краевых условий и нагрузок). В случае изменения модели в CAD-системе прямой интерфейс позволяет помимо геометрии автоматически обновлять в программе CDS краевые условия, нагрузки и ссылочную геометрию. Единственное, что потребуется сделать после этого, — перестроить конечно-элементную сетку (CDS прекрасно с этим справляется) и запустить расчетный модуль.

Результаты совместной работы программ Inventor и CDS проиллюстрируем на примере решения задачи оптимизации геометрии рычага запорного устройства. Критерий — выполнение условий прочности для заданной нагрузки. На рисунках показаны в сравнении результаты расчетов для первого и второго (более оптимального) вариантов исполнения.

Исходная геометрия модели, созданная в Inventor, и ее облегченный вариант

Конечно-элементное представление модели в программе Cosmos/DesignSTAR

Результаты расчета: распределение эквивалентных напряжений в конструкции

Результаты расчета: распределение фактора безопасности (коэффициента запаса по прочности).Из рисунка слева видно, что значения коэффициента запаса для сплошной части рычага лежат в диапазоне от 5 до 40. Облегчив рычаг, можно получить выигрыш, связанный с экономией материала (рис. справа). При этом условие прочности продолжает выполняться для всех точек модели

Результаты расчета: распределение фактора безопасности (коэффициента запаса по прочности).Из рисунка слева видно, что значения коэффициента запаса для сплошной части рычага лежат в диапазоне от 5 до 40. Облегчив рычаг, можно получить выигрыш, связанный с экономией материала (рис. справа). При этом условие прочности продолжает выполняться для всех точек модели.

В результате получаем более рациональную легкую деталь и экономим на материале.

Кроме линейной статики, Cosmos/DesignSTAR решает и множество других задач, среди которых:

• расчет сборок с учетом контактного взаимодействия между их элементами (с учетом и без учета трения);
• частотный анализ — определение собственных (резонансных) частот и соответствующих форм колебаний;
• линейный анализ устойчивости элементов конструкции — определение критических нагрузок и соответствующих форм потери устойчивости;
• термический анализ — определение температурных полей и градиентов, тепловых потоков в конструкции. Рассчитываются стационарные состояния и переходные процессы в линейной и нелинейной постановке;
• задачи нелинейного деформирования материалов;
• динамика жидкостей и газов;
• низкочастотный электромагнитный анализ.

Необходимо отметить, что все виды анализа проводятся по одному и тому же сценарию в дружественной среде с интуитивно понятным интерфейсом.

Итак, мы рассказали о системах, являющихся дополнением базовой системы моделирования Autodesk Inventor. Использование приложений позволяет на основе Autodesk Inventor построить сквозную систему проектирования (CAD/CAM/CAE), обеспечивающую проектирование машиностроительных изделий, их анализ и оптимизацию, передачу данных службам технической подготовки производства (технологам, плановикам и др.), а также непосредственно довести процесс проектирования до изготовления на станках с ЧПУ.

Скачать статью в формате PDF — 894.5 Кбайт