Шаг навстречу
Читатели журнала «САПР и графика», наверное, обратили внимание, что в последнее время акцент публикаций сместился в сторону разного рода комплексных решений. Пользователи систем автоматизированного проектирования требуют от поставщиков программного обеспечения не отдельных продуктов (пусть даже и хорошо отлаженных), а законченных системных решений. А поскольку клиент всегда прав, разработчики вынуждены либо самостоятельно создавать недостающие прикладные модули, либо искать партнеров среди компаний, уже зарекомендовавших себя на рынке САПР.
В линейке продуктов, предлагаемых компанией АСКОН, отсутствовали средства для полной интеграции прочностных и других расчетов методами конечных элементов (FEM). «Пироги должен печь пирожник, а сапоги тачать сапожник» — этим принципом руководствовались в компании, когда приняли предложение о сотрудничестве, поступившее от фирмы «АЛЕКСОФТ», разработчика и поставщика системы прочностного анализа ИСПА. В результате совместной работы был создан механизм интеграции КОМПАС-3D с ИСПА. Данный механизм является универсальным и может быть использован при передаче данных из CAD-системы в другие расчетные пакеты.
О системе ИСПА в журнале «САПР и графика» рассказывалось неоднократно. С последней публикацией можно ознакомиться в № 7’2003. В ней рассматриваются особенности системы, проводится ее сравнение с аналогами, рассказывается о приемах и способах работы с пакетом. На российском рынке предлагается несколько зарубежных подобных систем, однако стоимость их очень высока. Кроме того, зарубежное программное обеспечение изначально проектировалось для использования на суперкомпьютерах типа CRAY или на специальных рабочих станциях, функционирующих под управлением операционной системы UNIX. Математические алгоритмы были оптимизированы под иные вычислительные ресурсы, нежели те, которые установлены на персональных машинах. А система ИСПА специально написана для работы на ПК. Сначала она работала под управлением MS-DOS, сейчас — под управлением ОС Windows.
В этой статье хотелось бы обратить внимание читателей не столько на технические аспекты, сколько на цельность программного комплекса КОМПАС 3D—ИСПА, обеспечивающего работу коллектива, в состав которого входят конструкторы, расчетчики и технологи (рис. 1).
При создании комплекса ставилась достаточно очевидная задача: дать проектировщикам мощный и доступный набор инструментов для трехмерного моделирования изделий машиностроения и приборостроения, для расчета прочностных, тепловых, вибрационных нагрузок и для быстрого запуска изделий в производство.
Система трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС 3D не нуждается в специальном представлении. Она прочно заняла место лидера на российском рынке САПР среднего класса, позволяя успешно решать задачи, которые стоят перед отечественными инженерами-конструкторами. Постоянно расширяющиеся возможности математического ядра разработки группы компании АСКОН (в версии КОМПАС 3D V6 Plus появились средства поверхностного моделирования и другие функции) дают пользователям систем КОМПАС все больше преимуществ. Широкий набор дополнительных модулей и электронных справочников делает работу инженеров производительной и интересной.
Приемы и методы 3D-моделирования уже многократно описывались в различных статьях и руководствах, поэтому останавливаться на них мы не будем. Достаточно лишь привести несколько примеров изделий, спроектированных с использованием КОМПАС 3D (рис. 2).
В принципе, модели, созданные с помощью КОМПАС 3D, можно использовать для создания программы числового управления обрабатывающим центром. Или же можно разрабатывать технологический процесс для нее, применяя САПР ТП КОМПАС-Автопроект.
Однако настоящего конструктора не может удовлетворить только интуитивное проектирование деталей. Перефразируя А.С.Пушкина, можно сказать, что «гармонию» интуиции хотелось бы «проверить алгеброй» расчетов. Именно здесь на помощь и приходит ИСПА.
Сделаем небольшое отступление. К сожалению, когда для проектирования используется система одного разработчика, а для расчетов — другого, возникают проблемы передачи данных о модели из одного продукта в другой. Эти коллизии свойственны как отечественным, так и зарубежным системам. Обычно для передачи данных используются общепринятые форматы обмена, такие как SAT, STEP, IGES и др. Для некоторых деталей это вполне приемлемо, однако зачастую при передаче страдает качество, геометрия моделей искажается. Все разработчики решают эти проблемы по-разному. Как же поступили в АСКОН? Компания приняла решение разработать собственный универсальный транслятор из КОМПАС 3D напрямую в формат системы ИСПА. Неужели транслятор применяется только для связи этих двух программ? Вовсе нет — принципы, заложенные в основу такого транслятора, как уже было отмечено, позволяют с успехом использовать его и при передаче данных в любые другие расчетные системы.
Транслятор позволяет передавать в расчетную систему триангуляционную сетку, накладываемую на поверхность детали. При этом, варьируя размер стороны треугольника разбиения, можно устанавливать различную степень точности будущих расчетов.
Но вернемся к нашей задаче. В системе КОМПАС 3D была спроектирована деталь «Картер нижний» (на рис. 2 она показана справа), являющаяся частью корпуса небольшого двигателя внутреннего сгорания. В процессе эксплуатации она подвергается воздействию различных факторов, как-то: давление картерных газов, повышенные температуры, вибрационные нагрузки при вращении коленчатого вала и т.п. Деталь должна быть спроектирована при условии минимального веса и при соблюдении прочностных показателей. Кроме того, жесткость картера должна быть максимальной, так как возможные деформации приводят к перекосу посадочных мест под подшипники, увеличивают вибрации и нагрузки на валы и приводят к иным нежелательным последствиям.
Естественно, сразу просчитать все геометрические параметры модели чрезвычайно сложно. Поэтому на первом этапе конструктор проектирует деталь, руководствуясь своим опытом. При этом толщина ребер жесткости, количество точек крепления и геометрия других элементов могут быть выбраны неоптимальным образом.
Вот тут-то пора переходить к вышеупомянутой «алгебре». Деталь импортируется в формат «04» системы ИСПА, затем расчетчик производит визуализацию модели уже в системе ИСПА и формирует сетку конечных элементов (рис. 3).
Повышение плотности сетки существенно увеличивает не только точность расчетов, но и время их выполнения. Можно произвести несколько последовательных изменений плотности, чтобы добиться оптимального соотношения этих показателей.
Помимо наложения сетки, специалист непосредственно в системе ИСПА может визуализировать приложенные нагрузки (задавая их величину и закон распределения) и определить места закрепления детали. Для большей наглядности нагрузки условно обозначаются объемными стрелками красного цвета (рис. 4), а закрепления — «булавками» сиреневого цвета (рис. 5).
До сих пор мы ничего не говорили о материале, из которого изготовлена деталь. Материал может быть назначен в любой момент из списка материалов, имеющегося в системе ИСПА. Но оптимальным решением, раз уж мы говорим о едином комплексе, будет использование «Справочника материалов» для КОМПАС (в корпоративной поставке — «ЛОЦМАН: Материалы и сортаменты»). На данный момент этот справочник содержит информацию о физико-механических свойствах 465 марок различных металлов и сплавов и 515 марок неметаллических материалов.
Таким образом, все необходимые данные для расчетов получены — можно приступить к вычислениям. Занимают они, в зависимости от плотности сетки, от нескольких десятков секунд до нескольких минут.
Результаты расчетов можно получить в виде специальных списков или представить очень наглядно — на модели изделия (рис. 6). Причем на модели можно увидеть деформацию отдельных ее элементов — стенок, ребер и т.п. С помощью встроенного аниматора можно даже оживить деформируемую деталь. Цветные диаграммы сразу информируют специалиста об узких местах, которые необходимо либо усилить, либо переконструировать.
Рекомендации, которые конструктор получает от расчетчика, помогут ему быстро внести в детали необходимые изменения, чтобы на этап технологической подготовки, а затем и в производство не поступило заведомо негодное изделие. Таким образом, еще на этапе электронного проектирования можно исключить ряд натурных испытаний, которые ранее составляли неотъемлемую часть производственного цикла.
На примере этой детали мы продемонстрировали преимущества программного комплекса КОМПАС 3D—ИСПА, предлагаемого российским пользователям компаниями АСКОН и «АЛЕКСОФТ». Он призван не только повысить качество проектирования и технологической подготовки, но и заметно снизить затраты предприятия и повысить его прибыльность и конкурентоспособность. Подобные средства интеграции чрезвычайно актуальны для российского CAD/CAМ/CAE-рынка.
