Инженерные модули APM WinMachine: состояние и перспективы
Компания НТЦ АПМ публикует к 15-летней годовщине серию информационных статей. Данная статья содержит краткий обзор современных инженерных решений в CAD/CAE-системе APM WinMachine. Под инженерными приложениями понимается инструментальная среда для проектирования механики машин, механизмов и конструкций, расчеты в которых выполняются инженерными методами без использования метода конечных элементов.
В состав системы APM WinMachine входят 22 модуля, что явилось результатом кропотливой 15-летней работы большого коллектива разработчиков. Подробное описание всех программных продуктов Научно-технического центра АПМ (автоматизированного проектирования машин), а также полный список дополнений и изменений, внесенных в последние версии системы, можно найти на сайте компании: www.apm.ru.
В данной статье будут рассмотрены основные возможности и перспективы развития следующих модулей инженерного анализа:
- APM Drive — модуль автоматизированного проектирования привода вращательного движения произвольной структуры;
- APM Trans — модуль расчета и проектирования механических передач вращения;
- APM Shaft — модуль расчета и проектирования валов и осей;
- APM Bear — модуль расчета и проектирования подшипниковых узлов качения с учетом их класса точности;
- APM Joint — модуль расчета и проектирования соединений элементов машин;
- APM Spring — модуль расчета и проектирования упругих элементов машин;
- APM Cam — модуль расчета и проектирования кулачковых механизмов;
- APM Plain — модуль расчета и проектирования подшипников скольжения;
- APM Screw — модуль расчета неидеальных винтовых передач (скольжения, шарико- и планетарно-винтовых);
- APM Material Data — база данных параметров материалов;
- APM Base — модуль создания и редактирования баз данных;
- APM Mechanical Data — база данных стандартных деталей и узлов, справочных данных по машиностроению;
- APM Construction Data — база данных графической информации по стандартным деталям и элементам строительных конструкций;
- APM Section Data — база данных параметрических сечений.
Примечателен тот факт, что первыми разработками НТЦ АПМ стали именно инженерные модули, а графические средства и системы конечно-элементного анализа были созданы позднее.
Ключевые особенности инженерных модулей
Многочисленный список модулей уже не представляется обособленным. Интеграция модулей позволяет обеспечить комплексное проектирование.
В качестве основного результата расчета взято создание параметрического чертежа рассчитываемого конструктивного элемента: редуктора, зубчатого колеса, шкива, звездочки, вала, пружины, кулачка и т.д. Для элементов механического привода и кулачков автоматически осуществляется подбор параметров шпоночных, шлицевых и других соединений цилиндрических деталей. Такой подход позволяет проводить многовариантные расчеты и оптимизацию, а также существенно снижает время подготовки конструкторской документации.
Расчет элементов механического привода может вестись как при постоянном, так и при переменном режиме нагружения.
Одной из особенностей современных инженерных модулей является генерация текстового файла исходных данных и результатов расчета.
Для наиболее полного раскрытия теоретических аспектов и методов расчета, реализованных в системе, предназначен электронный учебник «Основы проектирования машин» — APM Book. Для удобства пользователей НТЦ АПМ предлагает и бумажное издание учебника, которое органично дополняет учебное пособие с примерами решения задач.
Расчет и проектирование механического привода в системе
Базы данных — инструмент для работы с информацией
Использование хорошо организованных баз данных позволяет более эффективно работать с крупными объемами информации: табличными и текстовыми данными, параметрическими моделями и рисунками. Базы данных, созданные с помощью APM Base, обеспечивают единую информационную среду системы APM WinMachine.
В составе системы APM WinMachine входит набор тематических баз данных: APM Mechanical Data, APM Construction Data, APM Section Data и APM Material Data.
Модуль APM Base предоставляет широкие возможности по модификации предоставляемых баз или создания пользовательских баз данных. Для более эффективной работы с информационными массивами предусмотрены как стандартная система поиска, так и функция задания классификаторов.
Расчет передач в системе APM Trans
Модуль APM Trans позволяет выполнить весь комплекс проектировочных и проверочных расчетов передач, сделать выбор рациональных параметров этих передач, а также получить рабочие чертежи и 3D-модели ведущего и ведомого колеса, шкивов, звездочек и т.д. Расчет передач выполняется в соответствии с действующими на данный момент ГОСТами РФ и нормативными документам ряда зарубежных стран: ISO, AGMA и др.
APM Trans позволяет проводить расчеты следующих типов передач:
- передачи зацеплением:
- цилиндрические с прямым зубом внешнего и внутреннего зацепления,
- цилиндрические с косым зубом (внешнего зацепления и шевронные),
- конические ортогональные с прямым зубом (равносмещенные и не равносмещенные),
- пластмассовые цилиндрические с прямым зубом (внешнего и внутреннего зацепления),
- конические с круговыми зубьями для трех известных форм,
- червячные: с архимедовым, эвольвентным и конволютным червяком; с червяком, образованным торовой и конусной поверхностью, и т.п.;
- передачи гибкой связью:
- ременные: с плоским ремнем, с клиновыми и поликлиновым ремнями, с зубчатым ремнем;
- цепные различных типов и модификаций.
Генерация чертежей элементов механического привода
Проектирование валов в системе APM Shaft
Валы — наиболее ответственные детали машин. Модуль АРМ Shaft позволяет выполнить весь цикл проектирования валов и осей, включающий полную проработку конструкции, расчет вала по критериям статической и усталостной прочности с учетом всех концентраторов напряжений, определение собственных частот и форм колебаний, оптимизацию конструкции и автоматическую генерацию рабочего чертежа вала.
Модуль APM Shaft имеет специализированный графический редактор для задания геометрии валов и осей с учетом конструктивных элементов (цилиндрические и конические участки, фаски, галтели, канавки, отверстия, участки с резьбой, шпонки, шлицы и т.д.); действующих на вал нагрузок и опор.
Расчет подшипников качения в APM Bear и скольжения в APM Plain
В АPМ Bear выполняется весь комплекс проверочных расчетов, когда по известной геометрии подшипника рассчитываются его выходные характеристики. С помощью этого модуля можно выбрать оптимальные конструкции подшипниковых узлов.
В АPМ Bear могут быть рассчитаны подшипники восьми наиболее распространенных в практике проектирования типов:
- шариковые радиальные;
- шариковые сферические;
- шариковые радиально-упорные;
- шариковые упорные;
- роликовые радиальные;
- роликовые сферические;
- роликовые радиально-упорные;
- роликовые упорные.
С помощью АPМ Bear можно рассчитать: перемещения (жесткость); долговечность; момент трения; наибольшие контактные напряжения; потери мощности; тепловыделение; силы, действующие на тела качения.
Все геометрические размеры подшипника и параметры точности можно ввести вручную или выбрать из базы данных. Подшипник при расчете считается неидеальным вследствие неизбежных погрешностей его изготовления. От точности изготовления напрямую зависит величина смещений вала. В зависимости от типа подшипника параметры этих перемещений в общем случае могут иметь осевые, радиальные и боковые составляющие. С целью изучения картины статистического рассеяния выходных параметров в модуле АPМ Bear их расчет выполняется для ста произвольных положений центра подшипника.
Используя модуль АPМ Plain, можно рассчитать основные характеристики подшипников скольжения и выбрать оптимальные конструкции подшипниковых узлов.
АPМ Plain позволяет рассчитать подшипники следующих типов:
- радиальные, работающие в режиме жидкостного трения;
- радиальные, работающие в режиме полужидкостного трения;
- упорные (подпятники), работающие в режиме жидкостного трения.
Критерием расчета подшипников жидкостного трения является условие, при котором величина зазора между находящимися в относительном движении поверхностями не меньше допустимого значения. Для подшипников полужидкостного трения аналогичный критерий формулируется как требование по отношению к рабочей температуре подшипника: она должна быть ниже допустимой для данного типа масла. Методика расчета подшипника, работающего в условиях полужидкостного трения, основана на исследовании процесса тепловыделения при трении и решении уравнений теплопередачи.
С помощью модуля АPМ Plain могут быть определены следующие характеристики:
- распределение радиальных и осевых зазоров;
- оптимальное значение зазора;
- параметры системы смазки (толщина смазочной пленки, максимальная и средняя температура масла, расход масла);
- действительный коэффициент трения и потери на трение;
- конструкционные параметры.
Расчет болтовых и сварных соединений и соединений типа «вал-втулка»
Комплексное проектирование механического привода в системе APM Drive
Модуль APM Drive предназначен для комплексного расчета многоступенчатого привода с произвольным расположением осей в пространстве, включающего зубчатые передачи (цилиндрические, конические, червячные, планетарные), валы и подшипники качения.
Процесс проектирования привода вращательного движения произвольной структуры с использованием модуля APM Drive сводится к заданию кинематической схемы в специальном редакторе, вводу начальных и конечных параметров привода в целом, а также к анализу и корректировке полученных результатов. APM Drive позволяет выполнить как проектировочный, так и проверочный расчет привода. Этот модуль работает совместно с модулями расчета зубчатых передач APM Trans, валов и осей APM Shaft и подшипников качения APM Bear, так что на выходе можно получить все расчетные характеристики и рабочие чертежи элементов привода, которые обеспечивают эти модули. Результаты расчетов в APM Drive представляются в виде автоматически сгенерированного сборочного чертежа редуктора и текстового файла отчета.
Расчет соединений в системе APM Joint
Модуль APM Joint предназначен для выполнения проектировочного и проверочного расчетов соединений следующих типов:
- резьбовые групповые соединения при произвольном нагружении, установленные в отверстиях с зазором и без зазора;
- сварные соединения следующих типов: стыковые, нахлесточные, тавровые стыковым швом, тавровые угловым швом, угловые, точечной сваркой;
- заклепочные соединения;
- соединения деталей цилиндрической формы:
- с натягом (цилиндрические и конические),
- шпоночные (призматической, сегментной, клиновой и тангенциальной шпонкой),
- шлицевые (прямобочные, эвольвентные, треугольные),
- штифтовые (осевые и радиальные),
- профильные соединения различных типов,
- клеммовые соединения различных исполнений.
Особенностью модуля APM Joint является возможность импорта исходной геометрии через формат DXF из сторонних графических редакторов, а также данных из других программных продуктов НТЦ АПМ. Такой подход позволяет существенно ускорить процессы проектирования и исключить появление возможных ошибок.
Расчет и проектирование упругих элементов и кулачковых механизмов
Расчет и проектирование упругих элементов в системе APM Spring
Модуль APM Spring предназначен для всестороннего расчета и проектирования упругих металлических элементов машин. Он позволяет выполнить проектировочный и проверочный расчеты этих объектов, а также расчет по ГОС Ту и получить чертежи рассчитанных пружин. При выборе расчета по ГОСТу программа выбирает по заложенной методике несколько вариантов стандартных пружин, соответствующих исходным данным.
В модуле APM Spring предусмотрено проектирование следующих типов упругих элементов машин:
- цилиндрические пружины растяжения круглого и квадратного поперечных сечений;
- цилиндрические пружины сжатия круглого и квадратного поперечных сечений;
- цилиндрические пружины кручения круглого и квадратного поперечных сечений;
- тарельчатые пружины сжатия;
- плоские прямоугольные пружины;
- торсионы;
- листовые рессоры.
Расчет и проектирование кулачковых механизмов в системе APM Cam
Модуль АPМ Cam предназначен для проектирования элементов кулачкового механизма по известному закону движения.
Подготовка исходных данных сводится к выбору типа кулачкового механизма, заданию некоторых вспомогательных геометрических параметров, сведений по материалам и закона движения в виде графика перемещения, скорости или ускорения. Для ввода графика используется специализированный редактор, позволяющий задать график функции в виде сплайна или набора линейных отрезков и любой их комбинации. Предусмотрен также ввод аналитических функций и данных из файлов.
Модуль АPМ Cam позволяет:
- рассчитать профиль кулачка и представить его в декартовых и полярных координатах;
- определить закон изменения углов давления по углу поворота кулачка;
- представить профиль кулачка и смоделировать его работу;
- построить рабочий чертеж кулачка.
Расчет винтовых передач в системе APM Screw
APM Screw позволяет провести комплексный анализ винтовых передач, рассчитать их основные параметры и выбрать оптимальные. С помощью APM Screw могут быть рассчитаны наиболее распространенные типы винтовых передач: винтовая передача скольжения, шариковая винтовая передача и планетарная винтовая (роликовая винтовая) передача.
Главным преимуществом модуля APM Screw является то, что с его помощью на этапе проектирования можно учесть влияние погрешностей изготовления на параметры винтовой передачи.
С помощью APM Screw можно рассчитать следующие параметры:
- перемещения (жесткость);
- долговечность;
- момент трения;
- максимальные контактные напряжения;
- потери мощности;
- тепловыделение;
- силы, действующие на тела качения;
- коэффициент полезного действия;
- ошибки позиционирования.
Перспективы развития инженерных модулей
Дальнейшее развитие инженерных модулей системы осуществляется в нескольких направлениях. Во-первых, это увеличение возможных рассчитываемых узлов и элементов, расширение баз данных параметрических моделей и материалов. В основе этого направления развития учитываются прежде всего пожелания пользователей APM WinMachine.
Современное проектирование невозможно без выполнения комплексного инженерного анализа и интеграции между другими системами. В связи с этим предполагается дальнейшее совершенствование методов расчета и интеграция модулей. Ведь разрабатываемые в НТЦ АПМ программные продукты предназначены для максимального удовлетворения потребностей предприятий в комплексном решении задач инженерного анализа.
Научно-технический центр АПМ является динамично развивающейся компанией. Число наших пользователей в России и за рубежом постоянно растет. Это позволяет постоянно совершенствовать программные продукты и создавать новые инженерные приложения.
