Проектирование сварных конструкций в SolidWorks

Артем Аведьян, Игорь Щекин

Введение

Автоматизация проектирования сварных соединений

Сварные швы в контексте сборки

Сварные швы в контексте детали

Проектирование рамных и ферменных сварных конструкций

Заключение

Введение

За прошедшие несколько десятилетий сварка стала одним из основных видов неразъемных соединений, используемых в большинстве отраслей отечественной промышленности. Многообразие способов сварки, большой практический опыт ее применения, высокие эксплуатационные характеристики сварных швов — все это аргументы в пользу выбора этого вида соединения при проектировании новых изделий.

Современные тенденции развития сварки в машиностроении и строительстве предъявляют новые, повышенные требования не только к сварочным материалам и технологиям, но и к методологии проектирования и качеству проработки элементов сварных конструкций. Поэтому сегодня невозможно обойтись без современных технологий автоматизированного проектирования: использование САПР позволяет еще на этапе рабочего проектирования оценить те или иные конструктивные решения с точки зрения наиболее важных потребительских качеств будущего изделия. В этой статье мы расскажем о том, какие технологии проектирования сварных соединений предлагает SolidWorks и каким образом следует использовать этот функционал, чтобы выполнять работу с минимальными трудозатратами и максимальным качеством.

Автоматизация проектирования сварных соединений

Сварное соединение представляет собой участок конструкции или изделия, на котором сваркой соединены его элементы, выполненные из однородного или разнородных материалов. Сварка относится к неподвижным неразъемным соединениям с жесткой механической связью, обеспечивающей неизменность взаимного положения элементов конструкции под нагрузкой. Применение того или иного вида сварки обусловлено требованиями изготовления, сборки, эксплуатации машин или сооружений, а также экономическими соображениями.

По взаимному расположению соединяемых элементов различают стыковые, тавровые, нахлесточные и угловые сварные соединения. Каждое из них имеет свои специфические признаки в зависимости от выбранного способа сварки — дуговой, роликовой и т.д.

Сварной шов — это участок сварного соединения, непосредственно связывающий свариваемые элементы и образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или пластической деформации при сварке давлением или в результате сочетания кристаллизации и деформации. Основные виды сварных соединений, конструктивные элементы кромок и швов, предельные отклонения и рациональные диапазоны толщин соединяемых элементов для швов всех типов регламентированы государственными стандартами и отраслевыми нормативами: для ручной электродуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей — ГОСТ 5264-80, для дуговой сварки в защитном газе — ГОСТ 14771-76; для дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах — ГОСТ 14806-80; для соединений сварных стальных трубопроводов — ГОСТ 1607-80 и т.д.

Именно поэтому, прежде чем приступать к созданию модели сварного соединения в SolidWorks, проектировщику необходимо в полной мере владеть теоретическими основами сварки, четко представлять себе классификацию сварных швов и соединений и руководствоваться требованиями стандартов, регламентирующих правила проектирования сварных деталей и оформления конструкторской документации.

В SolidWorks сварные швы могут создаваться как в контексте сборки, так и в деталях, причем проектировать сварные соединения можно как минимум тремя различными способами. Технологии проектирования различаются в зависимости от того, проектируется сварная конструкция (например, ферменная) или просто деталь. Конструктору также необходимо знать, для чего будет использоваться создаваемая им D-модель: если она нужна только для оформления чертежа, сварные швы в твердом теле создавать не потребуется — в этом случае достаточно будет нанести на чертеж их условные обозначения. Если же модель будет участвовать в расчете массово-инерционных характеристик или в прочностном анализе, потребуется создавать сварные швы в виде твердотельной геометрии. Рассмотрим возможные способы проектирования сварных соединений в SolidWorks более подробно.

Сварные швы в контексте сборки

Проектирование сварных соединений в контексте сборки является одной из классических функций SolidWorks, появившихся еще в 1995 году. Безусловно, с тех пор эта функция претерпела целый ряд изменений и дополнений, однако общая методология проектирования сварки в сборке осталась неизменной. Используя эту функцию, можно создавать различные типы сварных швов в сборке, каждый из которых формируется как новый компонент сборки с привязкой к окружающей геометрии (свариваемым деталям). Рассмотрим процесс проектирования сварной детали в контексте сборки SolidWorks на примере создания модели кронштейна.

Создадим новую сборку и поместим в нее свариваемые детали, из которых будет состоять проектируемый кронштейн. Поскольку форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют такие конструктивные элементы, как зазор, притупление кромок и угол скоса кромки, значения этих параметров необходимо задать в SolidWorks на этапе создания свариваемых деталей. Тип и угол разделки кромок определяют количество необходимого электродного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. К примеру, X-образная разделка кромок, по сравнению с V-образной, позволяет уменьшить объем наплавленного металла в полтора раза. В нашем случае кронштейн будет свариваться из семи пластин, выполненных из листовой стали толщиной 5 мм, три из которых имеют разделку кромок под стыковой V-образный шов, а четыре привариваются внахлестку (рис. 1).

В меню сборки выберем команду Вставка->Элемент сборки-> Сварка, вызывающую специальный интерактивный Мастер сварных швов (рис. 2). Мастер позволяет: выбрать нужный тип сварного шва из списка, задать параметры поперечного сечения шва, указать свариваемые грани. Кроме того, Мастер сварных швов позволяет редактировать ранее созданные швы. В таблице показаны виды швов, которые предлагает нам SolidWorks в контексте сборки, и необходимая форма разделки кромок соединяемых элементов для обеспечения качественного соединения при автоматизированной и ручной сварке.

Шов сварного соединения может быть обычным, усиленным или облегченным и характеризуется следующими основными конструктивными элементами в соответствии с ГОСТ 2601-84: ширина (или радиус), выпуклость, глубина проплавления (для стыкового шва) и катет для углового шва. Значения этих параметров для различных видов сварных швов также можно задать в Мастере сварных швов SolidWorks. При создании нового элемента «Сварной шов» SolidWorks автоматически наносит на него обозначение сварного шва, а от проектировщика требуется скорректировать это обозначение (вписать необходимый текст) в соответствии с требованием стандарта. Обозначение сварного шва также будет отображено на чертеже.

Создав таким образом все необходимые сварные швы, мы получили сборку, состоящую из совокупности деталей и сварных швов, связанных между собой параметрическими взаимосвязями. Однако нашей конечной целью является проектирование не сборки, а детали. Поэтому воспользуемся функцией объединения, позволяющей слить воедино все компоненты сборки и получить деталь, состоящую из одного твердого тела (рис. 3).

Важным свойством детали, созданной таким образом, является ее стопроцентная ассоциативная связь со всеми компонентами сборки, на основе которых она создавалась. То есть при модификации какого-либо из компонентов сборки изменения автоматически отразятся и в детали. В то же время полученную в результате объединения деталь можно доработать, добавив недостающие отверстия (рис. 4). В итоге мы получим готовый кронштейн.

Поскольку в результате объединения мы получили твердотельную деталь, ее можно проанализировать на прочность с помощью функции COSMOSXpress, входящей в базовую поставку SolidWorks и предназначенной для проведения экспресс-анализа прочности (получения качественной картины результатов нагружения). В инженерной практике применяют два метода расчета сварных соединений на прочность при статическом нагружении: по допускаемым напряжениям (в машиностроении) и по предельному состоянию (в строительных конструкциях). Для сварных соединений из сталей различной прочности расчетные сопротивления на растяжение, сжатие, срез в стыковых и угловых швах, а также допускаемые напряжения на растяжение, сжатие и срез установлены отраслевыми правилами и нормами проектирования конструкций.

Проведем статический экспресс-анализ прочности созданного нами кронштейна по допускаемым напряжениям. Прежде чем приступить к расчету, необходимо в Мастере COSMOSXpress задать граничные условия (закрепить кронштейн) и приложить расчетную нагрузку к проушинам. Физические свойства материала (модуль упругости, коэффициент Пуассона и т.д.) задавать не нужно, так как они берутся из твердотельной модели. Это возможно благодаря использованию единой библиотеки материалов, применяемой в SolidWorks и COSMOSXpress. После того как все исходные данные введены, остается только запустить расчет на выполнение, дождаться его окончания и просмотреть результаты (рис. 5).

Если результаты анализа покажут, что по прочностным характеристикам сварная деталь не удовлетворяет заданным требованиям, необходимо будет изменить (усилить или ослабить) соответствующие конструктивные элементы и повторить расчет. Более точный прочностной анализ можно выполнить с помощью специального модуля COSMOSWorks.

Проведенные расчеты и практический опыт показывают, что при статических нагрузках лучше работают соединения, образованные выпуклыми швами. Однако чрезмерный наплыв приводит к лишнему расходу электродного металла, и потому выпуклые швы неэкономичны. Плоские и вогнутые швы лучше работают при динамических и знакопеременных нагрузках, так как нет резкого перехода от основного металла к сварному шву. В противном случае создается концентрация напряжений, от которых может начаться разрушение сварного соединения.

Сварные швы в контексте детали

Начиная с версии SolidWorks 2004, которая была выпущена в сентябре прошлого года, появилась возможность проектировать сварные швы не только в сборке, но и в контексте многотельной детали, где каждый шов формируется как отдельное твердое тело с привязкой к окружающей геометрии. Рассмотрим процесс проектирования сварной детали в контексте детали SolidWorks на примере создания такого же кронштейна, как и тот, что мы рассматривали в предыдущей главе.

На этот раз мы создадим новую деталь, используя стандартные приемы твердотельного моделирования: построение бобышек и вырезов, базирующихся на 2D-эскизах, зеркальное отражение (рис. 6а, б, в, г). В результате мы получим D-модель, состоящую из одного твердого тела.

Прежде чем приступить к созданию сварных швов, необходимо разделить твердое тело на несколько частей, которые будут символизировать свариваемые конструктивные элементы. Воспользуемся для этого специальной командой Разделить, которая доступна в контексте детали (рис. 7). В результате разделения модель будет состоять из семи твердых тел, между которыми теперь можно будет накладывать сварные швы.

Добавление сварных швов в контексте детали выполняется с помощью команд меню SolidWorks или специальной панели инструментов Сварные детали. Результат этой операции показан на рис. 8. Процесс создания сварных швов в контексте детали будет детально рассмотрен в следующей главе.

По окончании проектирования в D-пространстве создается чертеж на сварную деталь, причем решается эта задача стандартными средствами чертежного редактора SolidWorks. Обозначения сварных швов автоматически отображаются на чертеже. Сварной шов на чертеже условно изображают сплошной основной линией по ГОСТ 2.12-72 (рис. 9).

Проектирование рамных и ферменных сварных конструкций

Рамные и ферменные сварные конструкции находят широкое применение в среднем и тяжелом машиностроении, аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, а также в промышленном и гражданском строительстве. Сварные фермы используются в силовых конструкциях подъемно-транспортной техники, радиобашен и мачт, в перекрытиях цехов и ангаров и т.п. Фермы, по сравнению со сплошными балками, экономичны по расходу металла, им можно легко придать любые очертания, требуемые условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры; они относительно просты в изготовлении. Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках и, в зависимости от назначения, придают различную конструктивную форму — от легких прутковых конструкций до тяжелых, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. К примеру, в строительстве наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы как самые простые в изготовлении и монтаже.

Постоянный рост требований к качеству выполнения проектно-конструкторских работ, а также необходимость точного расчета массовых и прочностных характеристик сварных конструкций на этапе проектирования являются важными факторами, заставляющими проектировщиков применять в повседневной практике различные средства автоматизации. Этот вопрос особенно актуален, например, для высоконагруженных авиационных конструкций, для ферм подвижных крановых установок и покрытий больших пролетов строительных сооружений, где уменьшение веса дает большой экономический эффект.

Все эти факторы обусловили появление в 200 году в базовой конфигурации САПР SolidWorks специальной функциональности по работе со сварными конструкциями. Используя панель инструментов Сварные детали, можно быстро создать практически любую рамную или ферменную конструкцию. Создание сварной конструкции проводится по любому набору плоских или трехмерных эскизов в файле детали. Такой подход позволяет использовать для детального проектирования компоновочные эскизы без сложной прорисовки конструктивно-силовой схемы. Любой профиль определяется параметрами Стандарт (ГОСТ, ISO или ANSI), Тип и Размер. Каждый тип профиля включает несколько типоразмеров. Указав в графической области тот или иной эскиз и выбрав нужный профиль из списка, можно несколькими движениями мыши сформировать основание рамы (рис. 10).

К сварным элементам в SolidWorks относятся: сортамент (уголки, швеллеры, двутавры, трубы круглого, квадратного, прямоугольного сечений и т.д.), элементы разделки под сварку, концевые заглушки, косынки и элементы сварного шва. База данных профилей настраивается под конкретный набор типоразмеров профилей, используемых в производстве, и может быть пополнена пользователем. В настоящее время компания SolidWorks-Russia поставляет лицензионным пользователям SolidWorks 2004 номенклатуру сортамента по ГОСТ, приведенную ниже:

Черные металлы

• Двутавры ГОСТ 829-89

• Профили корытные ГОСТ 828-77 кипящая и полуспокойная сталь

• Профили корытные ГОСТ 828-77 спокойная сталь

• Профили С-образные ГОСТ 8282-8

• Профили стальные гнутые корытные равнопрочные ГОСТ 828-77 из углеродистой кипящей и полуспокойной стали и углеродистой качественной стали у_в<460 Н/мм²

• Профили стальные гнутые корытные равнопрочные ГОСТ 828-77 из углеродистой спокойной стали и углеродистой качественной стали у_в>460 Н/мм²

• Уголки ГОСТ 19771-74 кипящая и полуспокойная сталь

• Уголки ГОСТ 19771-74 спокойная сталь

• Уголки ГОСТ 19772-74 кипящая и полуспокойная сталь

• Уголки ГОСТ 19772-74 спокойная сталь

• Уголки ГОСТ 8509-86

• Уголки ГОСТ 8510-86

• Уголки равнополочные ГОСТ 19771-74

• Швеллеры ГОСТ 8240-89

• Швеллеры ГОСТ 8240-89 без уклона

• Швеллеры ГОСТ 8240-89 с уклоном

• Швеллеры ГОСТ 8278-8 кипящая и полуспокойная сталь

• Швеллеры ГОСТ 8278-8 спокойная сталь

• Швеллеры ГОСТ 8281-80 кипящая и полуспокойная сталь

• Швеллеры ГОСТ 8281-80 спокойная сталь

• Швеллеры равнополочные стальные ГОСТ 8278-8

• Швеллеры равнополочные стальные ГОСТ 8278-8 из углеродистой кипящей и полуспокойной стали

• Швеллеры равнополочные стальные ГОСТ 8278-8 из углеродистой спокойной из низколегированной стали

• Уголок неравнобокий

• Уголок равнобокий

Цветные металлы

• Двутавры Al и Mg ГОСТ 1621-90

• Зет Al и Mg ГОСТ 1620-90

• Зет равнополочный из Al и Mg ГОСТ 1620-90

• Профили прямоугольные отбортованные Al и Mg ГОСТ 1624-90

• Тавры Al и Mg ГОСТ 1622-91

• Уголки Al и Mg ГОСТ 1618-81

• Уголки Al и Mg ГОСТ 177-90

• Уголки Al и Mg ГОСТ 178-91

• Швеллеры Al и Mg ГОСТ 1624-90

• Швеллеры Al и Mg ГОСТ 162-90

При вставке в сварную конструкцию из библиотеки очередного профиля пользователь может выбрать любую характерную точку поперечного сечения профиля для базирования относительно линии каркаса (эскиза) сварной конструкции. При формировании конструкции пользователь может выбрать тот или иной тип совместной разделки элементов конструкции для сварки или, иными словами, различные варианты стыковки профилей. Можно выбрать Т-образное соединение, угловое соединение или оставить выбор на усмотрение системы (рис. 11).

Сварная конструкция может состоять как из отдельных профилей, так и из набора узлов (рис. 12), что делает работу с моделью более удобной. Вновь создаваемые профили привязываются к линиям каркаса сварной конструкции и к уже существующим элементам рамы, причем возможны различные варианты взаимного сопряжения (обрезки или удлинения) профилей. Существуют как минимум два варианта обрезки профиля: с помощью плоских граней и с помощью твердых тел (рис. 13) — и неограниченное количество способов удлинения: с помощью вытягивания, элемента по траектории и т.п. Таким образом, режим проектирования сварной конструкции не исключает других, стандартных для SolidWorks построений. Это позволяет достраивать сварную конструкцию с помощью всех существующих в SolidWorks твердотельных и поверхностных элементов (рис. 14).

К расширенным возможностям SolidWorks по работе со сварными соединениями можно отнести добавление дополнительных конструктивных элементов, таких как заглушки (торцевые пробки — рис. 15) и косынки (рис. 16). Каждый из этих элементов имеет свой набор параметров, которые настраиваются в соответствии с видом сварной конструкции. К примеру, можно использовать два типа косынок: с треугольным и многоугольным профилем (рис. 17).

Завершающим этапом создания D-модели сварной конструкции является добавление сварных швов (рис. 18). Швы могут быть рабочими или связующими, сплошными или прерывистыми (рис. 19). Сварному шву для улучшения зрительного восприятия автоматически присваивается текстура.

При оформлении чертежа на спроектированную сварную конструкцию (рис. 20) SolidWorks позволяет проставлять позиции на составляющие элементы (несмотря на то что проектирование идет в файле детали) и формировать спецификацию на составляющие конструкции.

Кроме того, в чертеж может быть добавлена специальная таблица вырезов с указанием наименования и длины обрезаемых профилей (рис. 21). Элементы таблицы вырезов наследуют свойства пользователя от эскиза профиля и элемента сварной конструкции. Можно назначать новые свойства или изменять существующие. Например, можно добавить свойство Масса и связать его с массовыми характеристиками модели. Создание связи между этими двумя свойствами позволит программе SolidWorks рассчитать массу твердого тела и отобразить ее в таблице вырезов. Система также автоматически выполнит расчет свойства Длина и отобразит его в таблице вырезов.

Таким образом, мы создали D-модель сварной рамной конструкции и оформили на нее конструкторскую документацию.

Заключение

Современные тенденции развития сварки предъявляют новые, повышенные требования к методологии проектирования сварных соединений в изделиях машиностроения и строительных конструкциях. В этой статье было рассмотрено несколько способов проектирования сварных изделий, которые предлагает своим пользователям САПР SolidWorks. Естественно, в рамках статьи невозможно рассказать о них во всех подробностях, однако будем надеяться, что и этого краткого описания вполне достаточно для того, чтобы составить общее представление о проектировании сварных изделий в SolidWorks. За более подробной информацией обращайтесь в компанию SolidWorks-Russia.

«САПР и графика» 2'2004