Для проектирования сложных изделий, к которым относятся двигатели, необходимы современные методы проектирования, а также системы автоматизированного проектирования, которые позволяют реализовать сквозное решение от создания концепции изделия до производства, эксплуатации и утилизации. В последнее время бизнес-стратегия IBM под названием «управление жизненным циклом» (Product Lifecycle Management, PLM), нацеленная на решения этих задач и опирающаяся на такие САПР, получает все большее распространение в мире. При проектировании двигателя приходится работать с огромным количеством конструктивных элементов и оборудования, а кроме того, управлять большими базами данных.

Одним из широко распространенных пакетов PLM-решений является пакет, базирующийся на программных продуктах фирмы Dassault Systemes — на САПР высокого уровня CATIA и на технологии коллективного управления данными PDM (Product Data Management), реализованной в системах ENOVIA и SmarTeam.

Управление данными

С ростом электронной инфраструктуры данных многим фирмам требуется эффективное управление информацией: результатами инженерных расчетов, таблицами параметров и т.д. SmarTeam — это система управления данными изделия (PDM), которая способна управлять данными о продукции и бизнес-процессами на протяжении всего жизненного цикла изделия, а также обладает развитыми средствами для обмена информацией со смежниками, заказчиками и поставщиками.

Управление проектом двигателя дает возможность конструкторам управлять техническими спецификациями на каждой стадии проектирования (рис. 1), обеспечивая регламентированный доступ к данным и реализацию заданного процесса прохождения данных по цепочке — от создания, утверждения, модификации до применения изделий в коллективной работе.

Совместный проект

Процесс проектирования в CATIA V5 происходит в стандартном формате данных с помощью инструментов, разработанных для поддержки совместной работы. Если имеются сложные детали или сборки, то проект может быть разделен между многими конструкторами, создающими «мастер-модель», к которой каждый из конструкторов имеет индивидуальный доступ. Мастер-модель содержит все спецификации и создается ими совместно от концептуального к детальному проектированию с помощью средств ENOVIA или CATIA. Примером может служить проект двигателя (рис. 2).

Важный момент этого процесса — ассоциативность связей. Это означает, что все модели содержат информацию об изменениях в мастер-модели, вследствие чего проектировщики могут работать над разными сложными деталями, в то время как полный проект развивается параллельно, что значительно сокращает сроки разработки.

Обнаружение на раннем этапе проекта несовместимости между моделью проекта и функциональными спецификациями происходит посредством инструментов раннего контроля (CAE). На этапе концептуального проектирования они дают возможность утвердить проект, а результат сохраняется непосредственно в модели, где присутствует ассоциативность, позволяющая производить изменения в проекте. На рис. 3 в полном объеме представлено исследование напряженно-деформированного состояния блока цилиндров, головки цилиндров и других деталей, в результате чего была создана анимационная модель двигателя.

При использовании PDM конструктор, аналитик, технолог, испытатель и экономист работают над проектом совместно. С учетом крайне сжатых сроков, отведенных на разработку, и ограниченных объемов финансирования заказчики и разработчики могут одновременно подключаться к проекту.

Процесс проектирования изделия

Процесс проектирования в CATIA V5 основан на создании параметрической управляемой базой знаний модели-шаблона, состоящей из многих компонентов, и содержит необходимые условия рассмотрения различных итераций проекта. В модель-шаблон входят: измерения; информация, извлеченная из документов; рекомендации; стандарты; отчеты компании; база данных деталей и т.д. Созданная модель, как правило, включает в свой состав все указанные требования и формирует условия для ускорения процесса проектирования.

Рассматриваемый проект с типичными компонентами, основанный на концепции шаблона и созданный при использовании системы CATIA V5, является основой процесса проектирования, вследствие чего значительно снижается время проектирования и стоимость жизненного цикла изделия. В течение периода установленного концептуального определения двигателя, проект должен быть сделан с учетом технических затрат. На рис. 4 показан процесс проектирования двигателя.

Рассмотрим процесс проектирования более подробно.

Спецификация

Первый шаг заключается в определении модели-шаблона. Пользователь запрашивает необходимый ряд спецификаций, которые применяются для нового компонента и могут быть основаны на международных стандартах или стандартах предприятий. Мощный и интуитивный интерфейс (набор инструментальных средств и меню) CATIA V5 ведет пользователя через отработанный процесс создания основной геометрии для нового проекта.

Выбор пользователя может быть основан на необходимом наборе модулей, на технических спецификациях, на применяемых инструкциях.

Архитектура

Архитектура требует, чтобы пользователь определял фундаментальные решения относительно создания компонентов нового проекта и в соответствии со специфическими техническими требованиями.

Выбор базируется на компонентах конструкции, на наборе инструментов, на процессе производства.

Шаблон

Параметрическая модель шаблона удовлетворяет всем видам выбора и построена на проверках и правилах проекта, включенных в модель. На этом этапе продукты представляют собой твердотельные модели и чертежи, которые необходимы, например, для заказчика и для производства.

Дизайн

Для многих компонентов дизайн очень важен, поэтому, используя рисунки шаблона, дизайнер может делать набросок в пределах границ, определенных в соответствии с требованиями проекта, и на основе полученных эскизов поверхности могут быть быстро построены. CATIA V5 имеет обширное число инструментов создания поверхностей, включая sketch tracer (трассирующий эскиз).

Формирование технико-экономических показателей изделия

В то время как дизайнер работает над обликом изделия, конструкторы и технологи начинают исследовать возможности практической реализации этого изделия, выполнимость изготовления на производстве различных его компонентов, применяя различные методы оценки и используя информацию, находящуюся в модели-шаблоне. Для быстрой оценки характерные особенности изделий извлекаются из существующих моделей и помещаются в каталоги.

Проектирование агрегатов и деталей, как правило, ведется с использованием каталогов, что позволяет значительно сократить сроки выпуска конструкторской и технологической документации. Каталоги могут быть как на специализированных подсистемах, так и на PDM-системе SmarTeam, которая используется на всех этапах создания изделия и технологических процессов, управляет данными изделия и поддерживает параллельное проектирование.

Концепция

На этапе разработки концепции объединяются все предварительно продуманные элементы, с тем чтобы воспроизвести на производстве готовый виртуальный опытный образец, или, как его часто называют, электронный макет изделия (Digital Mock-Up, DMU), который является основой новых технологий. На этом этапе возможно оценить стоимость продукта на основе характеристик материалов и объемов, стоимости отдельных деталей и т.д, для чего составляются чертежи, схемы и список материалов. Проводятся проверки для контроля конечной геометрии, которая должна соответствовать требованиям шаблона, и это происходит автоматически, причем в список вносятся ключевые решения проекта, сопровождаемые стандарты, измерения, а также многократно используются особенности и т.д.

Обзор проекта

Обзор проекта осуществляется и утверждается в CATIA V5 через DMU, что облегчает полную интеграцию основных процессов работы над электронным цифровым макетом в среде многообразного исследования. Различные методы навигации и проверки макета обеспечивают всесторонний просмотр электронного цифрового макета. В DMU используется самая современная графическая архитектура, чтобы обеспечить соответствия требованиям среды DMU к технологическому синтезу, пространственному синтезу и синтезу просмотра и т.д. Пример использования инструментов DMU представлен на рис. 5, где двигатель установлен на опорах рамы.

Обратное конструирование

Координаты точек, полученные в результате замера, с помощью контрольно-измерительного оборудования могут быть переданы в электронную модель опытного образца. С помощью «облака точек» в CATIA V5 можно получить поверхности и твердотельные модели. Изменения быстро включаются в цифровой макет изделия с минимальными временными затратами; при этом поддерживаются параллельные процессы.

Поставка и покупка набора инструментов

Очень важным этапом является передача документов на производство, причем необходима цепочка поставок соответствующих материалов. Совместные инструменты SmarTeam позволяют отслеживать этот процесс в реальном масштабе времени. Поставщики набора инструментов могут указать затраты механической обработки, основанные на массе материала, удаленного от заготовки, и т.д. Другие отделы предприятия могут начать предварительную работу, заказывая детали, материал и пр.

Детальный проект

Модели, соответствующие стандарту предприятия в качестве различных компонентов, используют концепцию «мастер-модель», добавляя технологические особенности производства к деталям там, где это требуется. Участие 3D-назначения допусков в деталях в технологических службах приводит к эффективному созданию сборочных чертежей (рис. 6).

Механическая обработка

Модели для механической обработки получаются после детального проектирования. В CATIA V5 имеются мощные модули для создания программ ЧПУ для 2,5-; 3-, 4- и 5-осевой фрезерной обработки; при этом сохраняется ассоциативность с исходной геометрией. Широко используется проектирование пресс-форм на основе библиотек, где возможно автоматическое наложение связей между компонентами пресс-формы и автоматическое создание линии разъема.

Посредством метода управления спецификациями интегрируются требования отливки в проектировании модели, что уменьшает число итераций с определением инструментов пресс-форм. На рис. 7 представлена схема процесса изготовления двигателя.

Подготовка производства

Подготовка производства охватывает большой круг организационно-технических мероприятий. На современных предприятиях, где цена ошибки на этом этапе расценивается как недопустимая, применяются системы моделирования всех операций на этапе производства средствами, которые интегрированы с данными, полученными на всех предыдущих этапах. Среди продуктов, предлагаемых фирмой Dassault Systemes, задачу моделирования и управления технологическими процессами решает пакет DELMIA (рис. 8).

Заключение

CATIA V5 предлагает единый набор изделий, разработанных для совместной технической работы над каждой стадией процесса проекта. Управление связями (ассоциативное проектирование) дает возможность отдельному конструктору работать на каждом этапе, в то время как полный проект все еще развивается.

Возможность повторного использования проекта и быстрое управление изменения проекта через процесс позволяет сократить число итераций и рассмотреть альтернативный проект.

Управление проектом двигателя дает возможность конструкторам участвовать в работе и управлять выделенными техническими спецификациями на каждой стадии проектирования.

Система CATIA V5 позволяет значительно уменьшить число итераций между проектированием и производственным процессом.

При проектировании двигателя используются основные методологии: методология проектирования, методология отливки, методология назначения допусков. CATIA V5 имеет открытую архитектуру, поэтому можно вставить собственные наработки, программы (например, тепловой расчет и т.п.), функции, необходимые для расширения возможностей специализированных модулей. Программирование с помощью языков VB CATIA, Java, C++, VBA, Basic Script позволяет значительно автоматизировать процесс проектирования двигателя.

Следующий уровень — это то, что называется PPR-технологией (Product—Process—Resource): продукт—технологический процесс—ресурс. На этом этапе не только обрабатываются данные об изделии (ЭМИ), но и происходит управление данными технологического процесса и данными ресурсов. Таким образом, с помощью модели PPR можно управлять всем процессом производства. Как фундамент PPR-архитектуры используются CATIA, ENOVIA и DELMIA. Интеграция данных о продуктах, процессах и ресурсах исключительно важна для оптимизации проектирования и производства двигателя. Эта система позволяет на основе правил проектирования сохранять и повторно использовать базу знаний предприятия. Если учесть, что проектирование является процессом итерационным, то использование базы знаний позволяет автоматизировать процесс оптимизации изделия.

На рис. 9 приведена схема, на которой показано, как следует за короткое время обработать большее число спецификаций с целью получения положительного результата.

Внедрение программного обеспечения, разработанного фирмой Dassault Systemes для проектирования двигателей, позволяет предприятию выпускать качественную продукцию, значительно повышать эффективность производства и достаточно просто переходить от одного проекта к другому, усиливать конкурентоспособность своей продукции.

В статье использованы материалы фирм IBM и Dassault Systemes.

«САПР и графика» 1'2003

Решения IBM и Dassault Systemes для двигателестроения