SolidWorks и партнерские приложения. Азбука проектирования

Олег Абашев

В февральском номере «САПР и графика» была опубликована статья, посвященная тендеру, устроенному ОАО «Ростсельмаш». В этой публикации читатель мог найти в основном политические и общие технические нюансы данного мероприятия. В настоящей статье нам хотелось бы остановиться более подробно на технических аспектах выполнения предложенного задания. Здесь мы рассмотрим основные функциональные возможности SolidWorks и партнерских приложений, которые расширяют базовые функциональные возможности системы применительно к машиностроительным конструкциям.

После анализа технического задания тендера стало понятно, что предложенный объем и характер работ соответствуют основным этапам проектирования общего и специального машиностроения. Состав требований включал в себя такие шаги, как перевод «ручных» чертежей в модели и сборки SolidWorks, создание технологической оснастки, выпуск программ для станков с ЧПУ, проведение комплексных инженерных расчетов, оформление конструкторской и технологической документации.

Первым делом инженеры нашей компании начали создавать электронные модели деталей и узлов по чертежам заказчика. И на этом этапе, уже в который раз, всплыли ошибки, присущие бумажной технологии. К таким типовым недочетам можно отнести:

• невозможность создания геометрии по указанным размерам (рис. 1);
• ошибки в размерах и размерных цепях (рис. 2);
• неточность (иногда очень большая) вычисления массово-инерционных характеристик.

К чему может привести совокупность перечисленных недостатков, читателю хорошо известно. Это и потеря времени на исправление чертежей, и неувязки с узлами и агрегатами, проектируемыми в смежных отделах, и многое другое.

Система SolidWorks идеологически построена таким образом, что у конструктора всегда имеются пассивные или активные подсказки, которые позволяют избежать вышеуказанных недостатков. К ним относятся: использование цветовых подсказок для объектов, которые обладают теми или иными свойствами; наличие «интеллектуальной» команды «Что неверно?», которая не только укажет причину ошибки, но и попытается найти пути разрешения сложившейся ситуации.

Хотелось бы остановиться еще на одной функциональной возможности SolidWorks. Речь идет о задаче создания различных исполнений детали и соответственно сборки и изделия в целом. В качестве примера рассмотрим полуподшипник половонабивателя (ОАО «Ростсельмаш»). На рис. 3 представлены варианты этой детали. SolidWorks полностью повторяет реальную ситуацию.

Используя функцию «Конфигурация» (соответствующую более привычному для нас термину «Исполнение»), вы вносите любые изменения в конструкцию. Кстати, в версии SolidWorks 2001 Plus появилась возможность наложения для конфигураций связей типа «родитель-потомок».

Как и большинство пользователей Microsoft Windows, привыкших копировать объекты в буфер и вставлять их из буфера обмена, используя комбинацию клавиш CTRL+C, CTRL+V, мы в SolidWorks используем эти же клавиши, причем они работают не только с элементами эскиза, но и с твердотельными объектами (данная операция имеет патентное подтверждение).

При работе со сборками система SolidWorks представляет широкие возможности для конструктора. Простота и интеллектуальность функции «Автосопряжение» позволяет практически мгновенно наложить необходимое условие и определить положение компонента в пространстве. Как любой объект в системе, сопряжения в сборке можно изменять, создавая различные исполнения узла или агрегата. При анализе на интерференцию компонентов проектировщик не только имеет возможность найти все ошибки, связанные с геометрией деталей, но и проверить работу механизмов на предмет возникновения конфликтов. Причем все это возможно при использовании исключительно базовых средств SolidWorks.

Все вышесказанное относится и к оформлению конструкторской документации. Возможно, не стоит еще раз говорить о простоте и удобстве работы с чертежами, однако это объективный факт. Конструктор может создавать любое количество видов, разрезов сечений и т.д. Примеры оформленных чертежей представлены на рис. 4 и 5. Понятие «простановка размеров» в SolidWorks практически отсутствует, так как все размеры можно просто зачитать из модели с помощью единственной команды. Таким же образом вставляются обозначения баз, элементы отклонения формы и другие элементы.

Соответствие чертежей, выпускаемых с использованием SolidWorks, и Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) подробнее рассматривалось в «САПР и графика» № 1’2002.

Создание еще одного конструкторского документа, определенного в ГОСТ, — спецификации — производилось с помощью программы «SWR-Спецификация», являющейся разработкой фирмы SolidWorks-Russia. Приведем краткие характеристики данного программного комплекса, позволяющего формировать спецификацию, используя данные сборки SolidWorks:

tПолнофункциональная работа с исполнениями и групповыми конструкторскими документами. Пользователь имеет возможность выбрать наиболее распространенные формы заполнения — А, Б и Г. По желанию заказчика в максимально короткие сроки наши программисты могут сделать любую форму, используемую на вашем предприятии, причем бесплатно.

• Чтение и запись данных в SolidWorks. Конструктор, внеся любые изменения в спецификацию, может записать эти данные в сборку и детали SolidWorks. Эти данные автоматически обновятся во всех компонентах (сборках, деталях и чертежах).
• Осуществление автоматической простановки позиций на чертеже и их обновление при изменении данных.
• Выбор материалов из существующей базы данных и создание пользовательских баз данных.
• Вывод данных на печать в соответствии с ГОСТ.

Как уже говорилось выше, общий анализ работы механизмов можно провести с помощью стандартных функций SolidWorks. Но для детального кинематического и прочностного анализа, конечно, требуются специализированные пакеты. Поэтому для инженерного анализа (кинематического, динамического и линейного статического анализа) изделия «половонабиватель» был использован программный комплекс visualNastran 4D 2001 R2 фирмы MaсNeal-Schwendler Corp. Данный программный продукт основан на методе конечных элементов и позволяет проводить прочностные расчеты для деталей и узлов любой сложности.

Программное обеспечение visualNastran структурно состоит из двух модулей — visualNastran 4D, работающего в отдельном окне, и visualNastran.Inside, выполняемого в окне SolidWorks. Ниже приводится краткая характеристика решаемых задач (для деталей и сборок):

• Линейный статический анализ. Вычисление напряжений, перемещений и энергии деформации. Поведение материала рассматривается в упруго-линейной зоне (рис. 6).
• Расчет критических сил и форм потери устойчивости. Определяются критические силы и формы потери устойчивости в зависимости от наложенных граничных условий и нагрузок.
• Определение собственных форм и частот колебаний. Рассчитываются собственные формы и частоты колебаний, соответствующие резонансным частотам (рис. 7).
• Оптимизация конструкции по различным критериям. Проводится оптимизация геометрических параметров модели по указанному критерию оптимизации и граничным условиям.
• Кинематический анализ механизмов. Определяются параметры механизма — скорости, ускорения, траектории расчетных точек. Данные кинематического анализа используются для вышеперечисленных расчетов (рис. 8).
• Расчет конструкции с учетом динамических нагрузок. Проведение анализа прочности конструкции в «обстановке» механизма/сборки.

Генератор конечно-элементной сетки имеет расширенные возможности. Для дискретизации расчетной области используются объемные тетрагональные и двухмерные оболочечные элементы. При расчете возможно использовать модификацию элементов (использование элементов с нелинейным распределением). Для повышения точности расчета visualNastran позволяет локально измельчать сетку в характерных зонах как в автоматическом, так и в ручном режиме.

В системе сочетаются простота интерфейса и функции «старшего брата» MSC/NASTRAN. С помощью функциональных возможностей visualNastran и специалист по прочности, и обычный конструктор может провести анализ конструкции любой сложности, причем все это будет происходить в окне SolidWorks.

Одной из задач, поставленных организаторами тендера, была разработка оснастки для литейных деталей, в частности из пластмасс. Этот процесс имеет ряд нюансов, подвластных только инженерам, специализирующимся в данной области производства. Однако инженеры нашей компании смогли решить и эту специфическую задачу.

В ходе проектирования пластиковых деталей, создаваемых литьем, часто возникает проблема проверки возможности и характеристик их проливаемости. Для анализа заполнения формы материалом был использован модуль SolidWorks Moldflow Plastic Advisers 5.0 фирмы MoldFlow. Данный программный продукт поставляется в двух вариантах: полноправное приложение SolidWorks, работающее в его окне, и независимое приложение.

При использовании данной системы в ходе анализа проектировщик литейной формы имеет возможность определить оптимальное расположение точки впрыска расплава. По результатам расчета автоматически определяются параметры термопласт-автомата (давление и время впрыска, температура расплава и формы и т.д.).

После проведения анализа заполнения пресс-формы MoldFlow позволяет вычислить параметры охлаждения, произвести расчет утяжин и сбалансировать литниковую систему. Кроме указанных параметров конструктор пресс-формы может наглядно увидеть распределения температур, давлений, времени заполнения, каверны, линии холодного спая, оценку качества детали. Наиболее характерные эпюры, полученные в расчете облицовочной панели рулевой колонки, представленной инженерами ОАО «Ростсельмаш», показаны на рис. 9 и 10.

Кроме того, хотелось бы упомянуть об обширной библиотеке материалов, применяемых при производстве деталей из пластических масс. Все данные, полученные при проведении расчета, можно оформить в формате HTML, добавив необходимые пояснения и выводы.

Следующим этапом работ стала разработка технологической оснастки на деталь, изготавливаемую литьем, которую успешно решили инженеры нашей компании с помощью пакета MoldWorks. Система MoldWorks фирмы R&B Ltd является «золотым партнером» SolidWorks и обладает широкими функциональными возможностями по проектированию и разработке пресс-форм. Рассмотрим основные характеристики MoldWorks:

• построение пакета пресс-формы и боковых ползунов с наклонными колонками;
• автоматический подбор габаритов пакета пресс-формы (рис. 11);
• проектирование освобождений в матричных плитах под вставки и ползуны;
• определение крепежа, типов и мест расположения толкателей и т.д.;
• проектирование системы охлаждения;
• проверка пересекаемости отверстий и выбор критерия пересекаемости по выбранным параметрам;
• редактирование компонентов пресс-формы (рис. 12);
• автоматическое формирование чертежей.

Работу с системой MoldWorks можно разделить на два основных этапа. На первом создаются формообразующие компоненты (матрица, пуансон, знаки и т.д.) с использованием базовых функциональных возможностей SolidWorks (рис. 13, 14). Исходными данными для этого являются литейная модель и результаты анализа пресс-формы на проливаемость, то есть количество точек впрыска и расположение литника (рис. 15).

На втором этапе согласно выбранной библиотеке нормалей происходит создание плит, направляющих колонок, литников и т.д. в виде сборки SolidWorks. В готовую сборку по желанию можно добавить крепежные элементы, систему охлаждения, заглушки, штуцеры и другие элементы.

При желании конструктор может использовать другую идеологию проектирования оснастки литейной формы. Существует возможность не создавать формообразующие, а как бы отпечатать модель в стандартных библиотечных плитах.

О простоте и эффективности работы с системой MoldWorks можно судить по следующему факту: все элементы пресс-формы (детали и сборки) были созданы одним человеком в течение одного рабочего дня.

Поскольку без выхода на реальное производство компьютерные модели остаются лишь объектами виртуального мира, то совершенно необходимо предусмотреть возможность создания управляющих программ для станков с ЧПУ. Для выпуска программ для станков с числовым программным управлением использовался программный комплекс CAMWorks фирмы Teksoft. Программа CAMWorks позволяет генерировать управляющие программы для 3-координатных фрезерных и любых токарных станков, учитывать наличие поворотных столов (функции 4-й и 5-й осей), создавать специальные инструменты (фасонные фрезы), автоматически определять режимы резания, создавать и использовать базы данных станков, инструментов и т.д.

CAMWorks использует в своей работе технологическую базу данных, содержащую все сведения об имеющихся на конкретном предприятии станках, применяемом инструменте, материалах, режимах резания и стратегиях обработки. Здесь же хранятся данные о смоделированных пользователями специнструменте и патронах. Таким образом, работа технолога-программиста ЧПУ во многом сводится к выбору необходимых данных из базы и, возможно, — корректировке некоторых параметров.

CAMWorks имеет встроенный модуль автоматического распознавания элементов геометрии, используемых для механообработки. Этот модуль позволяет автоматически выделить элементы, которые могут быть выполнены в рамках 2,5-осевого фрезерования, и применить по отношению к ним стратегии обработки, настроенные пользователем в технологической базе данных.

Помимо вышеуказанных характеристик, данная система позволяет технологу работать в режиме сборки SolidWorks. При этом можно смоделировать реальную обстановку производства — рабочий стол, заготовку, прижимы, крепеж и прочие элементы технологической оснастки. Такой подход к созданию управляющих программ помогает исключить конфликты между режущим инструментом и окружающими объектами, отследить возможные конфликты патрона с заготовкой и элементами оснастки. Все это сокращает время отладки программы для станка (смело можно говорить об экономии в несколько раз); возможно, создать чертеж рабочей обстановки для оператора станка. Разделение в системе CAMWorks объектов, относящихся к детали и к станку, полностью соответствует стандарту ISO 9000.

В заключение, опуская моменты, не касающиеся технической стороны, хотелось бы отметить следующее. Обладая широкими возможностями для проектирования машиностроительных изделий, система SolidWorks объединяет в себе большое количество партнерских приложений. Такой гибкий модульный подход позволяет не только создать оптимальное рабочее место конструктора, технолога или расчетчика, но и в короткие сроки качественно решить задачу практически любой сложности. А простой, интуитивный и к тому же русифицированный интерфейс программы определяет лидирующее место SolidWorks на российском рынке САПР, подтверждением чему служит реальная работа больших и малых отечественных предприятий.

«САПР и графика» 3'2002