Компания LOHR Industrie. Повышение качества и ускорение расчетов крупных сварных узлов

Компания LOHR Industrie применяет системы NX, Simcenter и Teamcenter для обеспечения высокого качества продукции, повышения ее долговечности и ускорения подготовки расчетных моделей.

Translohr —  инновационный трамвай

LOHR Industrie —  частная французская группа компаний, специализирующаяся на проектировании и изготовлении грузовых и пассажирских транспортных систем. LOHR традиционно считается лидером в сфере производства автовозов. При этом последние 10 лет компания LOHR занимается созданием решений для пассажирского и рельсового транспорта. Одна из ее самых инновационных разработок —  Translohr, городской трамвай нового поколения. Сегодня трамваи Translohr эксплуатируются в Клермонт­Ферран (Франция), а также в Падуе и Венеции (Италия), Тяньцзине и Шанхае (Китай).

Руководитель по системам автоматизированного конструкторско­технологического проектирования (CAD/CAM) и управления жизненным циклом изделия (PLM) компании LOHR Франсуа Вейль (Francois Weill) рассказывает о корпоративной культуре создания инноваций: «Наш девиз —  всегда быть на одну идею впереди конкурентов. Хорошим примером является наш новый трамвай, который движется на шинах, а не по традиционным рельсам».

Продукты

NX, Simcenter, Teamcenter.

Проблемы

• Создание надежных и долговечных изделий.
• Работа с проектами высокой сложности.
• Сокращение времени подготовки расчетных моделей.
• Обеспечение просмотра проектных решений сотрудниками разных отделов на ранних этапах разработки.

Ключи к успеху

• Интегрированная среда автоматизированного проектирования и численного моделирования в составе решений NX и Simcenter.
• Полноценное математическое моделирование изделия в 3D, широкое использование CAE­систем для прочностных расчетов.
• Частичная автоматизация подготовки модели сварного шва при помощи программного интерфейса NX Open.
• Совместная работа на платформе Teamcenter с обменом данными между отделами предприятия.

Результаты

• Успешный выход на новый рынок.
• Сократились сроки подготовки моделей на 60%.
• Ускорение работы за счет проектирования и утверждения в реальном времени.
• Повышение качества как процессов, так и готовых изделий.

Основной вид деятельности клиента

Компания LOHR Industrie проектирует и изготавливает транспортные средства, включая автовозы, средства рельсового транспорта, военные грузовые автомобили и общественный транспорт —  рельсовые трамваи и трамваи на шинах.

Местонахождение клиента

Дюппиген, Эльзас, Франция. www.lohr.fr

Translohr представляет собой вагон, перемещающийся по одному рельсу на шинах. Поэтому прокладка линий Translohr менее затратна, чем линий другого рельсового транспорта. Вагоны выполнены неширокими и с малым радиусом разворота, что позволяет прокладывать линии по узким улочкам старых городов. Translohr —  низкопольный трамвай, облегчающий посадку пассажиров.

Руководитель по прочностным расчетам и численному моделированию механических систем компании LOHR Дидье Тюрлье (Didier Turlier) отмечает, что кузов трамвая Translohr сварен из алюминия, так как именно в этой технологии заводы LOHR достигли совершенства. Компания LOHR обладает огромным опытом сборки изделий при помощи сварки. У нее есть даже своя собственная школа сварщиков.

Процессы сборки непосредственно влияют на качество и технические характеристики транспортного средства. «При изготовлении общественного транспорта необходимо обеспечить срок его службы в 20­30 лет. Усталостный износ сварных швов —  серьезная проблема. Инженеры компании LOHR тщательно анализируют ее, чтобы гарантировать высокую надежность готового изделия. По усталостной прочности конструкция трамвая Translohr рассчитана примерно на 10 млн циклов нагружения при разгоне и торможении вагона. Это соответствует 30­летнему сроку службы.

NX —  полнофункциональная и эффективная система 3D­моделирования

Изделия компании LOHR состоят из тысяч деталей и узлов. Поэтому крайне важно обеспечить работу со сложными сборками. Франсуа Вейль твердо уверен, что для проектирования объектов такого уровня сложности просто необходимо 3D­моделирование. «Мы всегда ставили перед собой цель создать полную математическую модель изделия», —  отмечает он.

Для достижения этой цели много лет назад компания LOHR выбрала решение NX™ от Siemens PLM Software благодаря высокому качеству твердотельного моделирования. На сегодня NX —  единственная CAD­система, применяемая в компании. «NX обладает всей необходимой функциональностью для построения исключительно сложных 3D­моделей, —  рассказывает г­н Вейль. —  Наличие точной 3D­модели изделия позволяет прогнозировать всевозможные проблемы (например, пересечение деталей), тщательно контролировать массу и пр. Только так все наши отделы могут эффективно выполнять поставленные задачи».

Франсуа Вейль особо подчеркивает ценность реализованных в NX подходов к проектированию «снизу вверх» и «сверху вниз»: можно как добавлять компоненты к существующей сборке, так и строить 3D­геометрию непосредственно в сборке, а затем уже создавать новые компоненты.

С самого начала NX применялась не только конструкторами. Дидье Тюрлье поясняет: «Согласно нашей концепции, вся информация и данные должны создаваться в CAD­системе. Кроме того, мы [отдел прочностных расчетов] применяем систему Simcenter™ 3D, построенную на той же платформе NX, что позволяет нам получать всю необходимую —  а самое главное, правильную —  информацию для построения конечно­элементной модели». Компания LOHR использует Simcenter 3D для проведения линейных статических расчетов, модального анализа, расчета динамического отклика, а также тепловых, газогидродинамических расчетов и анализа устойчивости».

Обеспечение высокого и стабильного качества продукции

Когда изделие собирается в основном при помощи сварки, прочность и качество продукции зависят от правильности выполнения сварных швов. Неудивительно, что в компании LOHR сварка —  одна из важнейших технологических операций. На себестоимость процесса сборки влияет множество факторов: число сварных швов, их длина, наличие промежуточных швов и высота шва. Кроме того, эти же факторы влияют на поведение конструкции под динамическими нагрузками и на ее усталостную прочность.

Численное моделирование —  важнейший инструмент, позволяющий добиться соблюдения противоречивых требований к изделию при сохранении высоких технических характеристик. Традиционно сварные швы моделируются в виде твердотельных конечных элементов. Хотя такой подход и позволяет получать точные результаты, размер модели оказывается неприемлемо большим, что делает невозможными расчеты всей конструкции транспортного средства в целом. Чтобы решить эту проблему, компания LOHR рассмотрела возможность использования оболочечных конечных элементов при моделировании сварных швов.

Инновационный подход к расчету сварных соединений

Выпускаемые компанией LOHR транспортные средства в основном изготавливаются из листового металла и профилей, поэтому при расчетах имеет смысл использовать оболочечные элементы. Первым этапом подготовки модели является построение средних поверхностей. Для этого в LOHR применяют соответствующую функцию, предусмотренную в системе Simcenter 3D. Кроме того, компания LOHR разработала инновационный подход: оболочечными элементами моделируются сами сварные швы. Данный метод пригоден для выполнения статических расчетов и расчетов усталостной прочности. При расчете статической прочности угловых сварных швов эквивалентное механическое напряжение рассчитывается в средней точке по высоте шва. Оценка усталостной прочности выполняется на границе наружной поверхности сварного шва, а также по его высоте. Наконец, представляющие сварной шов оболочечные элементы и представляющие среднюю поверхность листовые элементы соединяются вместе так называемыми клеевыми связями.

Компания LOHR проверила новый подход, проведя натурные испытания образцов на растяжение, и сравнила полученные результаты с результатами расчетов на подробной конечно­элементной сетке. В одном из вариантов модель имела всего 1025 степеней свободы. При использовании твердотельных 3D­элементов число степеней свободы превышало бы 500 тыс. Результаты расчета по такой грубой модели совпали с результатами расчета по модели с подробной сеткой твердотельных конечных 3D­элементов. Специалисты компании убедились, что они на правильном пути. Новый метод моделирования можно применять при расчетах угловых сварных швов с неполной проваркой, сварных соединений внахлест и швов с разделкой.

Хотя меньший размер конечно­элементной модели дает существенные преимущества, рассматриваемый метод требует выполнения ряда ручных операций: необходимо построить проекции сварных швов на листовых телах, разбить поверхности на грани, установить связи между элементами сварных швов и листовых деталей. Это делает процесс подготовки модели длительным и трудоемким.

Автоматизация подготовки модели сварного шва на основе программного интерфейса NX Open

Для сокращения сроков подготовки расчетной модели компания LOHR реализовала инновационный проект по автоматизации процессов моделирования сварных соединений. Сначала было принято решение для построения геометрии сварного шва использовать инструмент NX Weld Assistant. Инженер­конструктор Эрик Франче (Eric Franchet) рассказывает, что модуль Weld Assistant экономит массу времени при моделировании. Пользователю достаточно указать месторасположение сварного шва и задать размеры его поперечного сечения, и модуль автоматически построит шов в виде твердого тела. Эрик Франче отмечает: «Еще одно существенное преимущество модуля NX Weld Assistant —  ассоциативность сварного шва. Если необходимо переместить детали, то и шов будет перемещаться вместе с ними».

Затем в компании LOHR был разработан пакет программ на языке C++, использующий интерфейс программирования приложений (API) NX Open. Эти программы автоматизируют процессы расчета. В них реализован собственный пользовательский интерфейс в рамках систем NX и Simcenter 3D. Интерфейс последовательно направляет пользователя по всем этапам автоматизированного процесса. К таким этапам относятся: наложение связей на CAD­модель для построения проекций сварных швов, а также задание их атрибутов (проекции могут быть весьма сложными, особенно когда швы выполняются с обеих сторон листового тела); упрощение модели с построением средних поверхностей; перенос связей из CAD­модели на срединные поверхности; построение конечно­элементной сетки в системе Simcenter 3D; создание 1D­связей между ребрами конечных элементов.

Теперь все расчетчики компании LOHR пользуются новым автоматизированным процессом. Руководитель отдела численного моделирования Патрисия Клейн рассказывает о преимуществах нового подхода: «Примерно 75% всего времени проведения расчетов тратится на подготовку модели. Предусмотренные в NX и Simcenter 3D автоматизированные процессы сокращают сроки подготовки моделей примерно на 60%».

Поскольку компания LOHR применяет NX в качестве CAD­системы и Simcenter 3D в качестве CAE­системы, это дает дополнительное преимущество: в ходе всего процесса поддерживается ассоциативность. Патрисия Клейн отмечает, что при внесении изменений в CAD­модель (например, при корректировке параметров сварного шва, переносе объектов или граней) конечно­элементная расчетная модель обновляется автоматически.

Teamcenter поддерживает параллельную совместную работу специалистов

В компании LOHR важной задачей является обмен конструкторской информацией со всеми участниками процесса разработки. Франсуа Вейль поясняет: «На расчеты уходит много времени. Поэтому важно, чтобы их результаты доводились до инженеров как можно быстрее».

Расчетчикам необходимо проверить места расположения сварных швов и оценить их влияние на общую прочность и долговечность конструкции. Технологи могут потребовать перенести сварной шов, чтобы его можно было выполнить сварочным роботом. Кроме того, технологи используют результаты расчетов для выбора способа механической обработки после сварки и повышения качества сварных соединений.

Совместная работа специалистов в компании LOHR обеспечивается системой Teamcenter® от Siemens PLM Software, позволяющей обмениваться 3D­моделями и данными. Франсуа Вейль рассказывает о преимуществах этой системы: «После перехода на Teamcenter с учетом глубокой интеграции между NX и Teamcenter каждый сотрудник может в реальном времени наблюдать процесс построения геометрической модели. Это и есть параллельное проектирование».

Компания LOHR применяет предусмотренные в Teamcenter рабочие процессы для управления контролем проектных решений. Благодаря этому разные отделы одновременно рассматривают проектное решение, одобряя либо отклоняя его. Г­н Вейль называет это «проектирование и утверждение в реальном времени».

Дидье Тюрлье добавляет: «В будущем мы, вероятно, будем применять Teamcenter для предоставления результатов прочностных расчетов конструкторам и технологам».

Результаты внедрения NX, Simcenter и Teamcenter в компании LOHR

«Без NX и Simcenter построение модели столь сложного изделия, как транспортное средство со всем его оборудованием, оказалось бы крайне затруднительным делом и на это ушло бы гораздо больше времени. Новые системы позволили нам добиться успеха, —  подчеркивает г­н Вейль. —  Для нас преимущество Teamcenter состоит в том, что все пользователи одновременно получают одну и ту же информацию, а безбумажные процессы выполняются гораздо быстрее. Технологии Siemens позволили нам значительно ускорить работу: конструирование и утверждение проектных решений выполняются в реальном времени. Мы добились сокращения сроков подготовки моделей на 60%. Кроме того, заметно выросло качество и процессов, и готовых изделий. А с точки зрения бизнеса именно внедрение NX, Simcenter и Teamcenter позволило нам успешно выйти на новый рынок».