Оптимизация характеристик изделия на этапе его проектирования cредствами программного комплекса Pro/Engineer

Инженерный анализ движения механизма стеклоочистителя, расчет прочности и оптимизация масс его отдельных частей

И.Г.Радченко, А.В.Бобряшов, А.В.Деомидько

Инженерно-консалтинговая компания Solver продолжает цикл статей о реализованных ею проектах автоматизации проектирования и производства на ведущих отечественных предприятиях различных отраслей промышленности.

Повысить конкурентные преимущества выпускаемой продукции при одновременном сокращении расходов невозможно без качественного преобразования всех этапов производства. На этапе конструкторско-технологической разработки — это, безусловно, подразумевает применение САПР высокого уровня.

Интегрированный программный комплекс для автоматизации работ конструкторской и технологической подготовки производства Pro/Engineer американской компании РТС предлагает принципиально новый подход к решению задач разработки и подготовки продукта к производству, обеспечивая сквозной цикл «проектирование—производство». Семейство специализированных модулей системы решает широкий спектр инженерных задач всего конструкторско-технологического процесса:

• концептуальное проектирование;
• конструирование;
• инженерный анализ;
• разработка технологической оснастки и управляющих программ механообработки.

Уникальное преимущество Pro/Engineer заключается в том, что все его программные модули являются собственными разработками компании РТС, вследствие чего пользователь никогда не столкнется с проблемами трансляции или потери данных, неизбежными при совместном использовании программных продуктов от разных фирм-разработчиков.

Цель настоящей статьи — на примере конкретного проекта, осуществленного фирмой Solver, ознакомить читателей с возможностями модулей программного комплекса Pro/Engineer, позволяющими проводить инженерный анализ технических характеристик будущего изделия еще на этапе его проектирования, а по результатам анализа оптимизировать его конструкцию. Инженерному анализу с помощью соответствующих модулей Pro/Engineer могут быть подвергнуты следующие характеристики изделия:

• функциональность изделия в целом и его отдельных узлов и деталей;
• кинематика и динамика механизма;
• прочность, жесткость, устойчивость;
• надежность и др.

Инженерный анализ компьютерной модели обходится несравненно дешевле, чем работа с прототипами изделия и требует значительно меньших временных затрат.

Реализованное в Pro/Engineer параметрическое моделирование позволяет разработчикам без больших затрат вносить изменения в изделие за рекордно короткое время, находить многовариантные альтернативные решения его конструкции и создавать библиотеки типовых деталей, узлов и технологических процессов.

Использование в Pro/Engineer единой информационной модели изделия дает возможность различным инженерным группам (конструкторам, технологам, расчетчикам) параллельно вести работу над проектом, оптимально используя коллективный опыт. В то время как инженеры-конструкторы еще не закончили работу над деталями и сборками, расчетчики и технологи уже проверяют функциональные и прочностные характеристики изделия, разрабатывают оснастку, управляющие программы для станков. Это значительно сокращает время и средства, затрачиваемые на проектные и технологические работы, и позволяет получать на выходе действительно качественный продукт.

Фирма SOLVER провела работы по инженерному анализу для предприятия ООО «Завод «Автоприбор» (г. Владимир). В соответствии с техническим заданием (ТЗ) требовалось минимизировать реакции в шарнирных соединениях механизма и массы деталей. Кроме того, было необходимо оценить напряженно-деформированное состояние тяг стеклоочистителя.

Базовым элементом механизма стеклоочистителя является основание с двумя штуцерами и кронштейном (рис. 1). На кронштейн крепится мотор-редуктор, соединенный с осью вращения кривошипа, который, в свою очередь, связан с двумя тягами, соединенными посредством поводков с осями штуцеров. Таким образом, крутящий момент с выходного вала мотора-редуктора передается на ось вращения кривошипа и далее посредством тяг преобразуется в возвратно-вращательное движение осей штуцеров, на конические хвостовики которых надеты стеклоочистительные щетки.

Для проведения работ, определенных в ТЗ, в Pro/Engineer используются два независимых программных модуля: Motion и Structure. Модуль Motion применяется для кинетостатического анализа механизмов, то есть для определения таких характеристик, как скорости, ускорения и реакции в соединениях, силы инерции, а также для проверки выполнения различных стандартных и задаваемых пользователем критериев. Кроме того, первоначальные результаты исследования, получаемые в модуле Motion, используются при оптимизации конструкции в том же модуле и служат исходными данными для модуля Structure.

В модуле Structure исследуются напряженно-деформированное состояние отдельных деталей (как для постоянных нагрузок, так и для изменяющихся во времени), их контактные взаимодействия, проводится анализ устойчивости, усталостной прочности, форм собственных колебаний и т.д. В этом модуле также возможно проведение исследования по оптимизации.

На первом этапе анализа движения механизма в модуле Motion были получены значения скоростей, ускорений и реакций в соединениях для всех положений деталей стеклоочистителя, как в числовом, так и в графическом представлении с интервалом времени Dt=0,001 с за два полных оборота вала мотора-редуктора. На рис. 2 приведен график зависимости от времени величин реакций в шарнирах, соединяющих короткую и длинную тяги с осями поводков (красным цветом обозначена короткая тяга, зеленым — длинная).

Анализ графика показывает, что максимальное значение реакции составляет 232,4 Н для короткой тяги и 146,8 Н — для длинной. Отношения максимального и минимального значений реакций равны 232,4:112,9 = 2,06 и 146,8:100,4 = 1,46 соответственно для короткой и длинной тяг.

В качестве объекта оптимизации была выбрана короткая тяга, так как она испытывает более высокие и неравномерные нагрузки.

Первым шагом в поиске направления оптимизации, как правило, является исследование глобальной (общей) чувствительности (Global Sensitivity), которое проводится для того, чтобы оценить изменение интересующей конструктора характеристики механизма при варьировании того или иного параметра. Характеристика оформляется в форме стандартного критерия из обширного набора, предоставляемого Pro/Engineer, либо задается как вычисляемый критерий (по усмотрению проектировщика). В нашем случае такой характеристикой послужил стандартный критерий — максимальное значение реакции в шарнире, соединяющем короткую тягу с поводком, а в качестве аргумента была выбрана длина тяги — размер d13 (рис. 3) с диапазоном изменения от 120 до 131 мм (в исходном варианте d13 = 125,163 мм).

В результате проведенного исследования и анализа зависимости величины максимальной реакции от длины тяги (рис. 4) было установлено, что наименьшее значение реакция принимает при значении d13 = 129 мм.

Следует отметить, что в некоторых случаях исследование глобальной чувствительности имеет смысл предварить или дополнить исследованием локальной чувствительности (Local Sensitivity). Такая потребность возникает в том случае, если интересующая конструктора характеристика зависит от нескольких параметров и нельзя с уверенностью сказать, изменение какого из них наиболее весомо.

Значение длины короткой тяги, определенное на этапе исследования глобальной чувствительности, послужило отправной точкой для сужения области поиска оптимального решения в субмодуле Optimization.

В качестве цели оптимизации была выбрана минимизация величины реакции в шарнире, соединяющем короткую тягу с поводком. Ограничивающим фактором в нашем случае служит вычисляемый критерий — угол отклонения щетки стеклоочистителя, который должен лежать в диапазоне от 1,693 рад до 1,8675 рад (или 102°±5°), что соответствует требованиям ТЗ. Для расширения зоны поиска к параметру d13 был добавлен еще один параметр оптимизации — длина поводка d1 (рис. 3) с диапазоном изменения от 65 до 76 мм (исходное значение d1 = 71,5 мм); параметр d13 изменялся от 128 до 131 мм.

В результате проведенного исследования были найдены оптимальные значения параметров: d1 = 72,01 мм и d13 = 128,741 мм. На рис. 5 показан график зависимости от времени реакции в шарнире, соединяющем короткую тягу с поводком, для оптимального варианта механизма. Анализ графика показывает, что максимальное значение реакции снизилось с 232,4 до 178,2 Н, то есть на 23,3%, а отношение максимального значения реакции к минимальному ее значению составило 178,2:113,0 = 1,58 (в исходном варианте — 2,06).

Для исследования напряженно-деформированного состояния в модуле Structure выбрали короткую тягу, так как она испытывает наибольшие усилия в шарнирах. В качестве нагрузок из модуля Motion в модуль Structure передаются реакции в соединениях рассматриваемых деталей, а также действующие на них инерционные силы — гравитационные и центробежные, соответствующие линейному и угловому ускорениям центра тяжести детали.

Для тяги стеклоочистителя основными видами нагрузки являются растягивающая и сжимающая. Поскольку величины растягивающей и сжимающей нагрузок для тяги указанного механизма практически одинаковы, то ее напряженно-деформированное состояние исследовалось при максимальных сжимающих усилиях. Такой выбор объясняется тем, что для длинных деталей при равных нагрузках более опасным является сжатие, которое может привести к потере устойчивости. На рис. 6 приведена схема сил, действующих на тягу, а на рис. 7 — распределение этих сил по поверхности контакта тяги и сферического шарнира.

Поскольку основной целью статьи является обзор технологии оптимизации в Pro/Engineer, то мы здесь не приводим подробного описания исследования напряженно-деформированного состояния тяги — на рис. 8 показано лишь распределение «сжимающих» напряжений (направленных вдоль продольной оси) для оптимизированного в модуле Motion варианта детали (деформированное состояние для наглядности дано с большим увеличением). На этом рисунке четко проявляется основной характер напряженно-деформированного состояния тяги — сжатие с изгибом.

Изгиб является следствием П-образной формы сечения тяги и несимметричного приложения сжимающего усилия. Максимальное «сжимающее» напряжение, полученное в результате расчета, составляет 38,1 МПа (допускаемые напряжения для материала тяги — 110 МПа).

Технология оптимизации в модуле Structure, принципиально ничем не отличаясь от технологии оптимизации в модуле Motion, имеет некоторые особенности, связанные с его функциональным назначением. Поскольку модуль Structure используется для исследования напряженно-деформированного состояния, то и переменные оптимизации (целевая функция, ограничения, параметры) связаны с такими параметрами, как напряжение, перемещение, момент инерции, энергия деформации, коэффициент запаса устойчивости, форма и частота собственных колебаний и т.п. В модуле Structure, как и в модуле Motion, кроме стандартного набора параметров и критериев конструктор может создавать необходимые для конкретного случая параметры и критерии.

Согласно требованиям ТЗ было необходимо провести минимизацию массы тяги, в связи с чем в качестве целевой функции был взят стандартный параметр total_mass (масса детали), первоначальное значение которого составило 0,0947 кг. Выше уже говорилось, что наиболее опасным видом нагрузки для длинных деталей является сжатие, и поэтому в качестве ограничивающего критерия был принят коэффициент запаса устойчивости buck_load_factor с условием, что он не должен быть меньше 2. Исходя из назначенных переменных оптимизации при исследовании напряженно-деформированного состояния к стандартному анализу Static добавлен еще один — Buckling (анализ устойчивости конструкции с определением коэффициента запаса устойчивости). В качестве параметров оптимизации были выбраны два характерных размера поперечного сечения тяги: d15 = 8,5 мм и d16 = 4,5 мм (рис. 9). Этим параметрам были назначены следующие границы изменения: для d15 — от 5 до 10,5 мм, для d16 — от 2,5 до 5,5 мм.

В результате проведенного исследования вес детали был снижен с 0,0947 до 0,0671 кг, то есть на 29,1%, при этом значение коэффициента запаса устойчивости было равно 2,91 (допустимое значение — 2). Параметры оптимизации стали такими: d15 — 5 мм и d16 — 2,5 мм. Максимальное значение «сжимающего» напряжения (рис. 10) при этом снизилось до –37,7 МПа (на предыдущем шаге было 38,1 МПа).

В данной статье мы рассмотрели оптимизацию только двух параметров (что определялось требованиями ТЗ). Обратившись в фирму SOLVER, вы сможете подробно ознакомиться со всеми возможностями модулей для инженерного анализа, а также с возможностями всего программного комплекса Pro/Engineer.

Квалифицированные специалисты фирмы, прошедшие обучение и сертификацию в компании РТС в США, предоставят вам полную информацию по вопросам автоматизации конструкторских и технологических процессов подготовки производства с использованием передового и эффективного программного средства — программного комплекса Pro/Engineer.

«САПР и графика» 3'2001