5 - 2007

Опыт использования CAD/CAE-системы APM WinMachine в учебном процессе Казахского национального технического университета

Аскар Сейдахмет, Нуртай Сыздыкбеков

Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева является одним из старейших технических учебных заведений и по числу обучающихся в нем студентов занимает первое место среди вузов Казахстана. В 12 входящих в состав КазНТУ институтах обучаются студенты по более чем 70 инженерным специальностям и, в связи с переходом высшей школы Казахстана на двухуровневую подготовку, почти 50 специальностям бакалавр-магистрант.

На заводах и предприятиях страны остро ощущается нехватка специалистов со знанием САПР-технологий: расчетчиков, конструкторов и технологов. К сожалению, консерватизм высшей школы не позволяет в одночасье перейти на современные технологии. Дороговизна и порой нечеткие ориентиры в выборе САПР заставляют вузы быть осторожными. Приобретение программных продуктов в области САПР, пусть даже и по льготной цене (учебные версии), сопряжено с многими проблемами. Среди них — недостаточная готовность профессорско-преподавательского состава к обучению этим продуктам, сложность восприятия преподаваемого обычно за одну-две недели огромного объема информации, неоднородность состава групп преподавателей (в одной группе могут оказаться преподаватели с различным уровнем подготовки). Но главное — обучение этим программным продуктам является только первой ступенью широкого внедрения САПР-технологий в учебный процесс. После обучения начинается гораздо более сложная и важная стадия: необходимо подготовить для студентов различные задания и тесты, разработать методические материалы, внести коррективы в уже преподаваемые курсы и создать новые и т.д.

Поскольку в Казахстане пока нет достаточного количества специалистов, способных профессионально обучать студентов САПР-технологиям, КазНТУ выбрал тактику постепенного накопления знаний и технологий обучения программам САПР, их дальнейшей апробации на ряде дисциплин и специальностей и тиражирования опыта через открытый университетом учебный центр «Информационные технологии САПР». Учебный центр сертифицирован и имеет подготовленных преподавателей и лицензионное программное обеспечение таких российских компаний, как Научно-технический центр АПМ (г.Королев Московской обл.), OMEGA ADEM Technologies (г.Москва) и АСКОН (г.Санкт-Петербург).

Презентация в КазНТУ программного продукта — CAD/CAE-системы APM WinMachine, проведенная несколько лет назад генеральным директором НТЦ АПМ профессором В.В.Шелофастом, во многом рассеяла сомнения, нужен ли высшей школе такой продукт. Для начала КазНТУ приобрел 30 лицензионных сетевых рабочих мест системы APM WinMachine и обучил десять преподавателей со сдачей сертификационных экзаменов. В качестве первоочередных для обучения студентов были определены следующие инженерные специальности:

  • в институте машиностроения — специальности «САПР», «Динамика и прочность машин», «Машины и технологии обработки металлов давлением»;
  • горного института — специальность «Транспортные и горные машины»;
  • в институте металлургии — специальность «Металлургические машины и оборудование».

В настоящее время происходит внедрение этих технологий в учебный процесс в общетехнических и специальных дисциплинах, а также в курсовом и дипломном проектировании. В дальнейшем также предполагается использовать программный продукт как дополнительный инструмент при обучении студентов в курсах «Основы конструирования и детали машин», «Сопротивление материалов», «Прикладная механика», «Проектирование штампов», «Оборудование прокатно-волочильных цехов», «Ковочно-штамповочное оборудование», «Кузнечно-прессовое оборудование», «Расчет и конструирование станков».

Несколько иная стратегия внедрения технологий САПР в учебный процесс при обучении бакалавров-магистрантов. При этом виде обучения каждый час аудиторных занятий подкрепляется блоком часов по самостоятельной работе студента и обязательной аудиторной самостоятельной работой студента под руководством преподавателя. На этом этапе от каждого преподавателя требуется хорошее знание используемых программных продуктов и постоянное общение со студентами. Такие занятия необходимо также обеспечивать современной компьютерной техникой с расширенными графическими возможностями. Для этих целей в Институте машиностроения КазНТУ имеется пять компьютерных классов, в каждом из которых установлено по 12 мощных, специализированных под САПР-продукты компьютеров.

С сентября 2006 года началось внедрение программного продукта в учебный процесс. Система АРМ WinMachine применяется в курсах САПР для бакалавров и магистрантов, в курсовых и дипломных работах, причем как на русском, так и на казахском языках.

Одним из основных модулей системы АРМ WinMachine является АРМ Structure3D, предназначенный для конечно-элементного расчета строительных и машиностроительных конструкций и их отдельных частей. С его помощью могут быть рассчитаны модели, содержащие как стержневые, так и пластинчатые и объемные твердотельные конечные элементы, а также их комбинации. Достоинством этого модуля является простой интерфейс и возможность показа результатов расчета в удобной для пользователя форме. Применение данного модуля совместно с трехмерным редактором АРМ Studio позволяет создавать и импортировать 3D-модели, выполненные в сторонних графических редакторах, задавать граничные условия (нагрузки и опоры), генерировать конечно-элементную сетку и проводить различные виды расчетов, характеризующих напряженно-деформированное состояние модели. Модули инженерного анализа, такие как APM Trans (расчет элементов передач вращательного движения), APM Shaft (расчет валов), APM Bear (расчет подшипниковых узлов), APM Beam (расчет балочных элементов, APM Joint (расчет соединений) и др., хотя и просты в использовании, но не менее важны, поскольку позволяют проводить полный анализ машины или конструкции.

В рамках предлагаемой читателю статьи мы продемонстрируем возможности системы APM WinMachine на примере анализа напряженно-деформированного состояния стойки станка-качалки для выкачивания нефти из скважины с максимальным усилием на штоке до 80 кН. Хотя такой станок-качалка применяется при добыче нефти на протяжении уже многих лет, его анализ является хорошим примером для студентов при проведении расчетов методом конечных элементов.

Модели различных элементов станка-качалки (ножек, поясов и раскосов) создавались непосредственно в редакторе модуля APM Structure3D в виде стержневых элементов. В дальнейшем этим стержням присваивались сечения (уголки). Верхняя часть стойки создавалась в виде пластин различной толщины. Затем было произведено разбиение как стержней, так и пластин на конечные элементы. На рис. 1 показана созданная в модуле APM Structure3D конечно-элементная модель стойки станка-качалки.

Рис. 1. Созданная в редакторе APM Structure3D трехмерная модель стойки станка-качалки, содержащая стержневые и пластинчатые элементы

Рис. 1. Созданная в редакторе APM Structure3D трехмерная модель стойки станка-качалки, содержащая стержневые и пластинчатые элементы

На верхней части стойки располагается сам механизм станка-качалки, усилия от которого и должна выдерживать стойка. Законы изменения этих усилий в вертикальной и горизонтальных плоскостях были определены в процессе силового расчета самого механизма станка-качалки и приложены к модели стойки. Силовые факторы в вертикальной плоскости задавались в виде распределенной нагрузки, приложенной к двум крайним пластинам с отверстиями, расположенными в верхней части стойки (рис. 2). Горизонтальная нагрузка моделировалась в виде четырех сосредоточенных сил, приложенных к узлам половины окружности (рис. 3). Для проведения расчетов был принят треугольный закон изменения горизонтальной распределенной нагрузки. Действие внешних моментов моделировалось приложением сосредоточенных моментов в соответствующих плоскостях в узлах пластин.

Рис. 2. Приложение распределенных нагрузок в вертикальной плоскости к пластинам станка-качалки

Рис. 2. Приложение распределенных нагрузок в вертикальной плоскости к пластинам станка-качалки

 

Рис. 3. Приложение нагрузок в горизонтальной плоскости к отверстиям пластин

Рис. 3. Приложение нагрузок в горизонтальной плоскости к отверстиям пластин

На рис. 4 показана карта распределения эквивалентных напряжений (по Мизесу) элементов стойки (стержней и пластин) после произведенного статического расчета от всех внешних нагрузок. Видно, что уровень эквивалентных напряжений в ножках стойки и ее верхней части не превышает допускаемых. Причем наибольшие по величине напряжения возникают в углах соединения ножек стойки с пластинами (максимум 185,6 МПа).

Рис. 4. Карта распределения эквивалентных (по Мизесу) напряжений в элементах стойки после выполнения статического расчета

Рис. 4. Карта распределения эквивалентных (по Мизесу) напряжений в элементах стойки после выполнения статического расчета

Модуль APM Structure3D дает возможность получить картину распределения напряжений в любом поперечном сечении любого из стержневых элементов конструкции (рис. 5). Такая визуализация позволяет студентам более глубоко и осознанно понимать аналитические вычисления, проведенные методами теории сопротивления материалов.

Рис. 5. Карта распределения эквивалентных напряжений в сечении одной из ножек стойки станка-качалки

Рис. 5. Карта распределения эквивалентных напряжений в сечении одной из ножек стойки станка-качалки

На рис. 6 показана картина распределения коэффициента запаса по текучести в элементах стойки. Диапазон этого параметра был искусственно сужен до максимального значения, равного 3. Минимальный коэффициент запаса возникает в углах соединения ножек стойки с пластинами (минимальное его значение составляет 1,27).

Рис. 6. Карта распределений коэффициента запаса по текучести в элементах конструкции

Рис. 6. Карта распределений коэффициента запаса по текучести в элементах конструкции

Вторым этапом проведения расчетов являлось исследование устойчивости этой конструкции стойки. Расчет устойчивости показывает, что коэффициент запаса при первой критической силе составляет 6,841. На рис. 7 показана соответствующая ему форма потери устойчивости стойки.

Рис. 7. Коэффициент запаса и форма потери устойчивости конструкции стойки станка-качалки

Рис. 7. Коэффициент запаса и форма потери устойчивости конструкции стойки станка-качалки

Далее был проведен расчет собственных частот без учета внешней нагрузки. Первые три собственные частоты составляют соответственно: 8,02, 23,35, и 40,25 Гц. На рис. 8 показано диалоговое окно с результатами расчета низших собственных частот, а также собственные формы (слева направо), соответствующие этим трем собственным частотам. Видно, что первая собственная частота соответствует колебаниям всей стойки в продольном направлении, вторая — в поперечном, а уже на третьей собственной частоте начинаются колебания отдельных элементов стойки.

Рис. 8. Значения собственных частот конструкции и три первые (слева направо) собственные формы колебаний конструкции

Рис. 8. Значения собственных частот конструкции и три первые (слева направо) собственные формы колебаний конструкции

Для проверки возможности возникновения резонанса был проведен анализ внешних возбуждающих сил в механизме станка-качалки от частоты вращения кривошипа. Она значительно ниже первой собственной частоты, поэтому можно сделать вывод о том, что резонансные колебания в стойке отсутствуют.

Входящий в состав системы APM WinMachine модуль APM Joint позволил также выполнить расчет болтовых и сварочных соединений в месте соединения основания ножек стойки с пластинами. Исходными данными для такого расчета служили максимальные и минимальные значения вертикальных и горизонтальных сил, действующих на стойку со стороны механизма. Для болтового соединения сначала проводился проектировочный расчет, результатом которого является значение диаметра наиболее нагруженного болта. На рис. 9 показана карта давлений на поверхность и нагрузки на болты, а также окна результатов проектировочного и проверочного расчетов, в которых видны рассчитанный диаметр болта и коэффициенты запаса по текучести и выносливости для болтов, диаметр которых получен из проектировочного расчета.

Рис. 9. Карта давлений на поверхность и нагрузки на болты, а также результаты проектировочного и проверочного расчетов болтового соединения ножек стоек с опорной поверхностью

Рис. 9. Карта давлений на поверхность и нагрузки на болты, а также результаты проектировочного и проверочного расчетов болтового соединения ножек стоек с опорной поверхностью

 

Рис. 10. Карта распределения напряжений в сварном шве и результаты проектировочного расчета сварного соединения ножек стойки с опорной поверхностью

Рис. 10. Карта распределения напряжений в сварном шве и результаты проектировочного расчета сварного соединения ножек стойки с опорной поверхностью

Кроме того, был проведен расчет сварного шва для приваривания ножек стойки. При этом конфигурация сварного шва задавалась по контуру сечения ножек, а в качестве нагрузок использовались те же силовые факторы, что и для болтового соединения. На рис. 10 приведены результаты проектировочного расчета для одностороннего шва и карта напряжений в сварочных швах. Результаты расчетов показывают, что катет шва больше 5 мм. Следовательно, выбираем катет сварного шва, равный 6 мм, и приводим результаты проверочного расчета при этом катете (рис. 11).

Рис. 11. Результаты проверочного расчета сварного шва с катетом 6 мм по текучести и выносливости

Рис. 11. Результаты проверочного расчета сварного шва с катетом 6 мм по текучести и выносливости

На основании выполненного цикла расчетов можно сделать вывод о том, что имеется необходимый запас прочности и устойчивости для всех элементов конструкции. Анализ полученных результатов расчета болтовых и сварочных соединений показывает хорошее совпадение полученных размеров элементов соединения (диаметра болтов и величины катета сварного шва) с теми, которые реально имеются в конструкции. Подчеркнем, что эти расчеты — лишь один из примеров использования системы APM WinMachine в процессе обучения студентов.

В заключение отметим, что система APM WinMachine является очень хорошим инструментом для проведения расчетов элементов машин и конструкций. Студенты в удобной форме получают результаты всех проведенных прочностных расчетов: карту распределения напряжений, перемещений, коэффициентов запаса, а также напряжений в сечении стержня; значения коэффициента и формы потери устойчивости; значения частот и форм собственных колебаний, давление на опорной поверхности пластин, значений нагрузки на болты, а также распределение напряжений в сварочном шве. Польза данной системы в том, что на стадии моделирования можно быстро вносить различные изменения в конструкцию и после проведения расчетов проводить их оперативный анализ, а также, в случае необходимости, выполнять повторные расчеты.

Хочется пожелать коллективу НТЦ АПМ дальнейших творческих успехов по совершенствованию программного продукта и удовлетворению растущих запросов промышленности и научных работников.


Аскар Жунусулы Сейдахмет

Аскар Жунусулы Сейдахмет

Канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической и прикладной механики Казахского национального технического университета им. К.И.Сатпаева.

Нуртай Турсунович Сыздыкбеков

Нуртай Турсунович Сыздыкбеков

Канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой станкостроения, материаловедения и технологий машиностроительного производства Института машиностроения Казахского национального технического университета им. К.И.Сатпаева.

В начало В начало

САПР и графика 5`2007