10 - 2016

Autodesk Fusion 360 — анализируй все это!

Александр Стремнев, к.т.н., доцент кафедры информационных технологий Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова
Александр Стремнев, к.т.н., доцент кафедры информационных технологий Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова

Современные программные средства инженерного анализа (CAE) позволяют оценить, как поведет себя конструкция в условиях механических нагрузок или, например, температурного воздействия, не прибегая к натурным испытаниям. Сложность выполняемых расчетов и необходимость правильной интерпретации их результатов диктуют серьезные требования как к функционалу CAE-систем, так и уровню его освоения пользователями-проектировщиками. Данная публикация представляет собой краткий обзор возможностей и практических аспектов использования модуля Simulation САПР Autodesk Fusion 360.

Ни для кого не секрет, что современные системы автоматизированного проектирования — это не только электронные кульманы. Помимо достойного инструментария для создания трехмерных моделей деталей и узлов они должны обладать развитыми средствами аналитики. В связи с этим рассмотрим сравнительно новый на рынке САПР продукт, разработчиком которого является далеко не новичок в этой области — фирма Autodesk. Итак, знакомьтесь: Autodesk Fusion 360 (http://www.autodesk.com/products/fusion­360/overview) — универсальная среда разработки для небольших конструкторских коллективов. Интерфейс приложения достаточно лаконичен: лента с группами команд, рабочая область с инструментами управления видом, браузер структуры объекта. Базовым набором команд и соответствующей рабочей средой является MODEL — с ее помощью осуществляется геометрическое моделирование деталей, а также интеграция их в узлы и сборки. Порядок геометрического проектирования типичен для большинства пакетов аналогичного назначения: создается эскиз (группа команд SKETCH), на его базе генерируется объемная форма (группа команд CREATE), добавляются необходимые конструктивные элементы (группа команд MODIFY) и далее процесс итеративно продолжается до получения необходимой конфигурации модели. Допустим, что этот этап работы выполнен: спроектирована деталь, например пуансон. Конструктора интересует, насколько деталь будет соответствовать условиям нагружения. Для проведения такого типа анализа с помощью меню Change Workspace необходимо перейти в среду SIMULATION (рис.1).

Рис. 1

Рис. 1

При загрузке среды SIMULATION система Fusion 360 дает запрос, какой именно тип анализов будет выполняться: статический, динамический или температурный. Для детали­пуансона из предлагаемых вариантов остановимся на первом (рис. 2).

Рис. 2

Рис. 2

Среда SIMULATION позволяет определить несколько направлений анализа. Для каждого из них в браузере программы создается «ветка» с отдельными параметрами материалов (Materials), связей (Constraints) и нагрузок (Loads). Для добавления анализа в среде SIMULATION служит кнопка STUDY. Обычно анализ начинают с задания материала элементам модели. Кнопка MATERIAL ленты открывает окно (рис. 3), в котором каждой детали (или телу) можно сопоставить материал из выпадающего списка. Для детали пуансона установим материал — сталь.

Рис. 3

Рис. 3

Далее необходимо определить условия закрепления компонента конструкции и задать их в модели. В нашем примере пуансон будет фиксироваться на матрице посредством крепежа, установленного в специальных монтажных отверстиях. Добавить в анализ связи­крепления позволяет группа команд CONSTRAINT среды SIMULATION. В данном случае выберем связь типа Fixed (крепеж), а в качестве базовых элементов (Targets) укажем кромки четырех отверстий, расположенных по углам детали (рис. 4).

Рис. 4

Рис. 4

На следующем шаге подготовки анализа зададим нагрузку, используя меню LOAD ленты. В приведенном перечне нагрузок предусмотрена возможность определить сосредоточенные силы (Force), моменты (Moment) и задать силу тяжести (Gravity).Предположим, что наиболее существенную роль в картине напряжений детали пуансона будет играть давление литьевого материала на рабочую поверхность детали. Поэтому в качестве нагрузки выберем Pressure (давление). В окне настройки нагрузки укажем все грани пуансона (Targets), с которыми будет контактировать материал отливки, а в качестве величины давления (Magnitude) введем 100 МПа (рис. 5).

Рис. 5

Рис. 5

Таким образом, исходные данные для анализа подготовлены, а соответствующие настройки доступны для редактирования в браузере. Самое время приступить к прочностному расчету, используя для этого команду SOLVE среды SIMULATION (рис. 6).

Рис. 6

Рис. 6

В результате выполнения расчета на модель детали в рабочем поле накладывается карта распределения значений аналитических характеристик, по структуре которой достаточно легко определить наиболее ослабленные части конструкции (рис. 7). Цветовая шкала, расположенная рядом с моделью, дает возможность численно оценить значения каждой из выбранных характеристик, будь то коэффициент запаса прочности (Safety Factor), величина напряжений (Stress) или деформаций (Displacement). В нашем случае, например, карта деформаций свидетельствует, что при данных условиях анализа в средней части пуансона будет значительная деформация (~0,3 мм).

Рис. 7

Рис. 7

Решить данную конструктивную проблему проще всего путем редактирования условий закрепления детали. Для этого необходимо найти в браузере соответствующий элемент группы Constraints (рис. 8) и выполнить для него команду Edit (редактирование).

Рис. 8

Рис. 8

При редактировании закрепления пуансона добавим фиксацию к кромкам отверстий, расположенных в средней части детали (рис. 9).

Рис. 9

Рис. 9

Выполним повторно аналитический расчет (командой SOLVE ленты). Теперь максимальные деформации переместились с базы пуансона на рабочую поверхность, а их величина стала практически в 10 раз меньше по сравнению с предыдущим расчетом (рис. 10).

Рис. 10

Рис. 10

С точки зрения практики конструирования достичь допускаемых значений напряжений и деформаций можно было за счет коррекции формы детали или выбора более прочного материала. Тогда для этого следовало вернуться в среду MODEL и внести правки в эскизы и объемные элементы или воспользоваться инструментом MATERIAL среды SIMULATION.

В любом случае, какой бы метод конструкторской оптимизации мы ни избрали, система Autodesk Fusion 360 позволит достаточно быстро выполнить его проверку согласно заданным условиям анализа.