Аналитическое сопровождение конструкторской подготовки производства с APM FEM для КОМПАС-3D

Аннотация. Машиностроение является одной из передовых, инновационных отраслей экономики. Разработка передовых решений определяет применение передовых инструментов. Однако, последствия санкций ограничивают, а порой и совершенно исключают использование прежних зарубежных решений. Хотя отечественные решения инженерного анализа еще не вполне способны их заменить, в большинстве случаев вполне применимы в стандартных процессах конструкторско-технологической подготовки изделий и исследованиях. В статье приведен пример использования инструмента APM FEM для КОМПАС-3D в концептуальной проработке кронштейна подвеса инерционного оборудования и анализа блока системы управления приводом на устойчивость к внешним воздействиям.

Машиностроение является одной из передовых, инновационных отраслей экономики. Перед машиностроительными предприятиями стоят задачи разработки и производства продукции современного уровня и качества в наиболее короткие сроки.

Машиностроительная продукция характерна разнообразной номенклатурой, видовыми представлениями и широким спектром условий эксплуатации – от лабораторных до арктических или космических. Растущие потребительские требования к изделиям определяются более высокой надежностью при более длительном сроке их эксплуатации. Таким образом, при разработке изделий необходим их комплексный анализ [1].

Научно-технические задачи подразделяются на направления: исследовательское, опытно-конструкторское и производственно-технологическое.

Для исследований характерно наличие общей концепции, без четких конструктивных образов. Одним из вариантов проведения исследований является перебор различных сочетаний кинематических схем, геометрических размеров и свойств материалов. Для исследований необходим функционал инструмента, позволяющий быстрое перестроение модели и переназначение свойств материалов, приложений нагрузок.

Стоит отметить отдельное направление исследований на соответствие существующей конструкции новым условиям эксплуатации (расширение сфер применения, например, арктическое исполнение).

Для опытно-конструкторской проработки характерно изучение поведения конструкции при известных условиях эксплуатации, проработка отдельных компонентов с композицией-декомпозицией функциональных узлов, изменение размеров, допусков и типов сопряжений, свойств материалов и категорирование приложения нагрузок.

Отдельно следует выделить класс сертификационных задач.

Для технологической проработки изделий характерно изучение поведения детали при обработке, исследования вариантов технологии производства для изготовления требуемого конструктивного исполнения, обоснование технологических допусков и зазоров.

Обособленным классом расчетов является экспертиза причин выхода из строя: является ли этот факт следствием возникновения новых воздействующих факторов или недостаточной информации о них, недоработки конструкции, технологии производства (включая брак), несоответствие свойств использованных материалов или нарушение условий эксплуатации.

Обычно работа производителя машиностроительной продукции проводится в двух направлениях: модернизация существующего изделия и разработка нового.

При модернизации имеется готовая модель изделия (включая чертежи, спецификации, техпроцессы и т.п.). В идеальном случае есть и расчетная (CAE) модель. Модернизация заключается в изменении геометрии, свойств материала или нагрузок и сравнение полученных результатов. Цикл указанных изменений и анализа результатов расчетов продолжается до достижения необходимых целей. Экономический эффект достигается, в том числе за счет применения готовых (типовых) решений [2, 3].

Разработка нового изделия заключается в разработке с нуля функциональной и структурной схемы изделия с последующей конструктивной проработкой и анализе на соответствие заданным характеристикам.

При подобной проработке изделия полезной функцией будет топологическая оптимизация. Не столько для целей производства на 3D-принтере, но для идеологической концептуализации конструктивного облика, конкретную реализацию которой впоследствии выполняют традиционными методами и материалами.

В настоящее время российские предприятия и исследовательские центры столкнулись с проблемой ограничения в доступе (вплоть до полной блокировки облачных решений) иностранного программного и информационного обеспечения (ПО и ИО).

В отдельных случаях использование российскими пользователями зарубежного программного обеспечения (как лицензионного, так и «трофейного») чревато не только потерей данных, генерируемых данным ПО, но и утечкой любой информации с оснащенных им рабочих мест и доступных сетевых ресурсов.

Российский кластер инженерного и исследовательского ПО (из наиболее популярных, в алфавитном порядке): APM WinMachine, APM FEM и KompasFlow (Интеграция в КОМПАС-3D), ЛОГОС, SimInTech, Универсальный механизм, Fidesys, FlowVision, Эйлер, ELCUT и др.

В отдельных задачах функциональность этих программных комплексов совпадает, тем самым их сравнение и выбор для применения больше аргументирован привычками, удобством и существующими наработками конкретными пользователями, подразделениями, требованиями заказчика.

Ранее нами применялись решения зарубежных разработчиков: Autodesk, SOLIDWORKS, Ansys и т.п. Из отечественного ПО использовался APM WinMachine. Исходя из вышеприведенных соображений, акцент при разработке нами смещен в сторону APM FEM.

APM FEM – это система прочностного анализа, встроенная в КОМПАС-3D.

В состав APM FEM входят инструменты подготовки конструкторской модели для моделирования: задание граничных условий и нагрузок, а также генерация конечно-элементной сетки и постпроцессор [4 – 7].

Прочностной анализ модуля APM FEM для КОМПАС-3D позволяет решать линейные задачи:

• напряженно-деформированного состояния (статический расчет);
• статической прочности сборок;
• устойчивости;
• термоупругости;
• стационарной теплопроводности.

В состав APM FEM для КОМПАС-3D входит также инструмент топологической оптимизации для концептуализации конструктивного облика и проведения исследований сочетания геометрии, свойств материалов, сочетаний нагрузок при ограничениях жесткости и максимальных напряжений [8].

Пример решения исследовательской задачи – проработка кронштейна с минимальными массо-инерционными характеристиками для крепления навесного стабилизируемого оборудования.

К базовым элементам относятся: фланец крепления к приводу поворота, поверхности крепления оборудования.

Действующие нагрузки: вес оборудования, момент инерции, силовые воздействия от работы оборудования, приложенные к поверхностям крепления.

Классически конструктивное исполнение выполняется в связи с силовыми элементами мест крепления оборудования и фланца приложения момента привода. Для повышения жесткости силовые элементы дополнительно связываются ребрами или пластинами (Рис. 1).

Рис. 1. Модель классического кронштейна с оребрением

Результаты моделирования деформированного состояния и собственных частот кронштейна классической формы представлены на Рис. 2 и Рис. 3.

Рис. 2. Поле перемещений кронштейна

Рис. 3. Собственные частоты кронштейна

Предсказуемо: уменьшение толщины жесткостных пластин снижает критические частоты конструкции. В данном варианте в диапазоне эксплуатации 2 частоты. Утолщение пластин повышает критические частоты, но и увеличивает массу.

Для концептуальной проработки конструктивного исполнения кронштейна применяем инструмент топологической оптимизации APM FEM для КОМПАС-3D. Модель для исследований представлена на Рис. 4.

Рис. 4. Модель для концептуальной проработки конструкции кронштейна

Результаты топологической оптимизации: объемная доля элементов конструкции, удовлетворяющая заданным критериям и ограничениям, представлена на Рис. 5.

Рис. 5. Результаты топологической оптимизации конструкции кронштейна

Остальной концепт силовой конструкции формируется двумя плоскими поверхностями (бабочкообразного вида). Их реализация возможна стандартными листовыми панелями с поперечной фиксацией.

В данном случае очевидно: неиспользуемый материал, кроме нижних углов – внутри фланца. Возможное повышение жесткости каркаса будет достигаться увеличением толщины (в пределах габаритного размещения).

Доработка первоначального варианта объема отражена на Рис. 6.

Рис. 6. Доработанная модель кронштейна для исследований снижения массо-инерционных параметров

Результат топологической оптимизации с учетом новых вводных данных приведен на Рис. 7.

Рис. 7. Результаты топологической оптимизации конструкции кронштейна

Очевидно изменение формы «бабочки», снижение количества материала, явное формирование двух внешних поверхностей с поперечной фиксацией.

Дальнейшая работа проходит в направлении конструкторско-технологической проработки полученных концептов с анализом жесткостных и массо-инерционных характеристик.

Второй пример – аналитическая поддержка конструкторских решений. На Рис. 8 показана конструкция блока управления приводом стабилизации инерционного объекта. Модель содержит плату управления и корпус. Блок управления крепится на корпусе мобильного шасси или непосредственно на сам управляемый привод. На блок управления воздействуют в обоих случаях внешние факторы, характерные для функционирования мобильной техники: вибрации от приводного двигателя и от дорожного покрытия, климатические воздействия, а также силовые и вибрационные воздействия от работающего оборудования. Оценка устойчивости к указанным воздействиям позволяет гарантировать запуск в производство полноценно функционального изделия.

Рис. 8. Модель блока управления

Рис. 9. Результаты моделирования блока управления

Из результатов расчета собственных частот следует, что первая критическая частота превышает 900 Гц.

На основании результатов выдается заключение о соответствии изделия требованиям по прочности или устойчивости к заданным воздействиям. Кроме того, результаты используются конструкторским подразделением для дальнейшего совершенствования конструкции изделия, отдельных элементов, взаиморасположения, необходимости защитных узлов и т.п.

Учет климатических воздействий актуален для изделий мобильной техники, особенно при эксплуатации в экстремальных условиях Арктики или пустыни [9].

Инструменты APM FEM для КОМПАС-3D позволяют определить на карте температурного поля локальные значения, критичные как для конструкции, так и для их эксплуатации, тепловые деформации.

В приведенном ниже примере задачей было определение температуры на внешней поверхности корпуса при максимальной мощности (температуре на поверхностях) электроэлементов.

Рис. 10. Результаты моделирования теплопроводности блока управления

Кроме этого, интерес представляет температурная деформация платы – как в местах крепления, так и в местах установки отдельных электроэлементов для исключения их отслаивания или погрешности их показаний (для датчиков положения).

Рис. 11. Результаты моделирования деформации платы управления от воздействия температур

Следует отметить, что в APM FEM отсутствует возможность моделирования вынужденой или естественной конвекции. Эта функциональность реализована в другом инструменте — KompasFlow, но последний не определяет тепловые напряжения и деформации.

Заключение

Использование иностранного программного обеспечения чревато потерей как результатов проведенных или проводимых расчетов, так и всей информации на данной рабочей станции, внутренней сети организации.

Отечественные программные комплексы для анализа конструкций и систем еще не вполне обладают функциональностью зарубежных решений, особенно в части сертификационных процедур. Однако, в большинстве случаев, они вполне применимы в стандартных процессах конструкторско-технологической подготовки изделий и исследованиях.

Автор: Пузанов А.В., CAE эксперт, к.т.н., доцент, Русская Промышленная Компания

Список литературы

1. Пузанов, А.В. Мультидисциплинарный анализ систем управления мобильной техники / А.В. Пузанов // Автоматизация. Современные технологии. 2016, №10 – С. 13-17.
2. Пузанов, А.В. Информационно-логическая модель конструкторско-технологической подготовки производства электрогидроприводов // Автоматизация. Современные технологии. 2017, №2 – С. 88-93.
3. Пузанов, А.В. Принцип проектирования гидроприводов по типовым элементам / А.В. Пузанов // Наукоемкие технологии в машиностроении - 2015. №6 (48). -С. 42-48.
4. Система прочностного анализа APM FEM для КОМПАС-3D. URL: https://apm.ru/apm-fem.
5. Информационные материалы для APM FEM. URL: https://ascon.ru/products/apm-fem/training/
6. APM FEM. Руководство пользователя. URL: https://apm.ru/downloads/188/APM-FEM.pdf
7. Обучающие материалы. URL: https://kompas.ru/publications/docs/
8. Каширский, В. Комплексное решение для прочностного анализа 3D-моделей / В. Каширский // САПР и графика – 2008, №9. –С.14-17.
9. Пузанов, А. В. Модельные исследования теплового режима блока управления приводами мобильной техники / А. В. Пузанов // Автоматизация в промышленности. – 2021. – № 6. – С. 17-19. – DOI 10.25728/avtprom.2021.06.03.