Разведка боем: передовые технологии SolidWorks в ГУП «КБП» (г. Тула)

Вячеслав Дудка, Андрей Морозов, Николай Моисеев, Геннадий Колесников, Елена Мурованная, Михаил Малов, Александр Антонов

Кинематический анализ полного цикла работы механизма

   Этап 1. Предварительный анализ

   Этап 2. Симуляция процесса съема патрона

   Этап 3. Получение кинематики полного цикла работы механизма досылания патрона

   Этап 4. Определение условий работы бойка

Общие замечания

Работа в САПР SolidWorks под управлением менеджера ведения проекта

Кинематический анализ полного цикла работы механизма

Одним из основных условий при постановке задачи по кинематике являлось обеспечение непрерывности процесса кинематического анализа по всему циклу. При традиционном подходе цикл движения механизма разбивается на отдельные участки, для каждого из которых условия взаимного движения деталей (в том числе и контакт между ними) и внешние факторы могут определяться по-разному. При этом все характеристики движения (скорости, ускорения, пространственное положение элемента) для каждого участка движения могут быть взяты из предыдущего расчета. При таком подходе расчетчик наиболее полно управляет как самой кинематикой, так и особенностями промежуточных этапов. Для решения подобных задач SolidWorks имеет несколько партнерских приложений. Но приняв во внимание особенность конкретного технического задания, выбор был сделан в пользу программного продукта компании MSC — Visual Nastran 4D.

Для обеспечения полного цикла движения механизма с потребностью моделирования и учета реального поведения деталей, являющегося результатом соударения деталей сложной формы, особые требования предъявлялись к расчету процесса контакта, наличию возможностей по временному управлению взаимосвязями, обеспечению дифференцированного шага по времени для расчета стационарного движения и счета в момент соударения компонентов механизма, учету трения и пружинения соприкасающихся материалов и многим другим факторам. Благодаря возможностям пакета MSC — Visual Nastran 4D все эти требования были выполнены. Так удалось реализовать непрерывность эмуляции всего движения механизма. Но это не означает, что вариант пошагового решения задачи был недоступен. Более того, решение всех специфичных задач велось путем выделения фрагментов из уже решенной общей задачи и более подробного счета этих фрагментов, если таковой требовался.

Процесс перехода от моделирования сборки в SolidWorks к расчету в MSC — Visual Nastran 4D очень прост. Из рабочего окна SolidWorks активизируется меню, и вся геометрия и наложенные в сборке материальные взаимосвязи между деталями автоматически переносятся в модель и взаимосвязи MSC — Visual Nastran 4D. После этого можно корректировать существующие или накладывать дополнительные взаимосвязи и приводы средствами MSC — Visual Nastran 4D. Действие таких связей может быть ограничено по времени, а параметры приводов могут задаваться практически любыми способами, включая аналитические и графические. В исходном варианте все детали беспрепятственно проникают друг в друга, что находит отражение в строке сообщения с указанием времени данного события. Если по условиям задания тела контактируют между собой, достаточно все их выбрать и задать между ними действие контакта. В случае необходимости на каждую контактирующую пару может быть задана другая модель контакта (по умолчанию это импульсный контакт) или заданы уникальные характеристики. Сам процесс контакта может быть достаточно отдаленным по времени от начальной точки расчета, проникновение таких деталей друг в друга исключается. MSC — Visual Nastran 4D может произвести конечно-элементный расчет любого комплекта деталей механизма с учетом всех сил, действующих на них в данный момент или период времени (без пересчета реакций за счет деформации), что позволяет оперативно выявить конструктивные недостатки. В таком расчете большую роль играют кинематическая определенность и корректность постановки взаимосвязей.

Необходимо отметить, что в течение всего периода работы связь между расчетной моделью и моделью SolidWorks сохраняется. Но это тоже управляемый процесс. Если геометрия изменена, достаточно повторить процесс зачтения модели — и вся работа, проделанная в MSC — Visual Nastran 4D, будет адаптирована к новой геометрии. В случае появления новых деталей и взаимосвязей модель будет дополнена. Если же в расчетной модели какие-либо детали или взаимосвязи были удалены (не погашены), они также будут отсутствовать после перезачтения. Во всех иных условиях модель MSC — Visual Nastran 4D может функционировать независимо от SolidWorks.

Выполнение задания было разделено на несколько условных этапов, в процессе которых возникающие проблемы решались последовательно.

Этап 1. Предварительный анализ

Основной задачей первого этапа являлись выбор системы для проведения расчета и определение принципиальной возможности ее решения в рамках технического задания. Поскольку при решении задачи реальные результаты были неизвестны, эмуляция движения производилась в условиях большой неопределенности. Фиксация патрона на данном этапе осуществлялась за счет введения в модель пружин растяжения при условии ограничения времени их действия. В первую очередь необходимо было подобрать допустимый шаг по времени и возможное количество пропускаемых шагов в рамках установившегося движения. Значительная разница времени контакта и установившегося движения приводит к тому, что, если этого не делать, количество времени и необходимых ресурсов для счета простого движения будет неоправданно велико.

Итак, на данном этапе были решены следующие задачи:

1. Определены программное обеспечение и ресурсы, необходимые для решения этой задачи.
2. Для ускорения процесса расчета при подготовке задачи были сделаны некоторые не имеющие принципиального значения допущения:
   • мелкие неподвижные элементы или элементы, составляющие единый блок, были объединены в рамках исполнения сборки SolidWorks в монолитные блоки;
   • сложные детали (звено патронной ленты, снижатель) были незначительно упрощены без изменения их массово-инерционных характеристик;
   • в сбоку введены гарантированные зазоры — 0,1 мм/мин вместо нулевых;
   • острые кромки на патроне были скруглены радиусом 0,2 мм;
   • лапки звена патронной ленты сделаны пружинными только с одной стороны;
   • исключена возможность перекоса при движении затвора.
3. Определены примерная длительность всего движения и шаг времени расчета.
4. Определены базовые контактные модели и их параметры. MSC — Visual Nastran 4D предлагает три модели контакта: импульсный, точный точечный, настройка пользователем. При этом вариант импульсного контакта (основной метод) позволяет быстро считать даже множественный одновременный контакт деталей сложной формы, а для вычисления импульса применить характеристики неосновного материала детали, например покрытия.

Большинство проблем на этом этапе возникло из-за недостаточно точной фиксации (центрирования) патрона в затворе за счет выдвижного ограничителя, и специфичное расположение утолщений на патроне создало большие сложности с однозначностью продвижения патрона в казенную часть ствола. На практике эти проблемы решаются за счет смятия материала гильзы. В расчетной же задаче можно нормировать поглощение энергии путем корректировки коэффициентов или исходной геометрии. Однако при решении данной задачи все было оставлено без изменений.

Этап 2. Симуляция процесса съема патрона

Основной задачей второго этапа являлось моделирование наиболее реальной картины выемки патрона из звена ленты. Такой подход должен был обеспечить наиболее реальное поглощение энергии. В качестве основного варианта была принята модель с одной парой подпружиненных лапок, закрепленных на неподвижном основании звена. В качестве альтернативного варианта рассматривалась модель с подпружиненным основанием звена. Патрон в данных моделях удерживался только силой трения, возникающей за счет его прижатия подпружиненными лапками к неподвижному основанию звена. Цель — определение характеристик торсионных пружин для лапок. В упрощенной модели снятие патрона со звена ленты производилось приводом поступательного движения, скорость которого соответствовала реальным скоростям, полученным на первом этапе. С привода снимались показания необходимого усилия снятия патрона. При подборе параметров торцевых пружин для лапок зажима были получены приемлемые показатели. Эти характеристики и были перенесены в основную модель. Для решения задач подбора различных характеристик непосредственно во время расчета MSC — Visual Nastran 4D предлагает удобные инструменты плавного управления исходными параметрами (жесткостью пружин) и отображения результатов в виде графиков. И тот и другой инструмент синхронизированы с расчетом и обеспечивают непрерывность поступления информации.

На данном этапе были решены следующие задачи:

1. Обеспечены величина и характер действия нагрузок, максимально соответствующие заданным.
2. Поглощаемая энергия в обоих случаях (с подвижным основанием звена и с его закреплением) примерно одинакова. Однако вариант с неподвижным звеном более прост для расчета.

Этап 3. Получение кинематики полного цикла работы механизма досылания патрона

К этому моменту был полностью завершен подбор характеристик, способных обеспечить корректность работы механизма, в том числе обеспечено решение всех «случайных» контактных задач внутри механизма при условии непрерывности расчета. Кроме того, при такой постановке задачи (с большим количеством случайных или косвенных параметров) это в значительной степени может влиять на результат счета. Основной проблемой на данном этапе было «утыкание» снижателя в патрон, происходившее из-за недостатка исходных данных и приводившее к усложнению процесса «захвата» патрона затвором. На окончательных результатах это отразилось в виде чрезмерного торможения всего механизма.

Другой проблемой были выраженные автоколебания патрона в процессе его захвата, что вызвало много вопросов. Однако в рамках поставленной задачи оно было неизбежным, так как движение патрона было свободным и определялось только импульсами в результате контактов и гравитационными и инерционными составляющими.

На данном этапе были решены следующие задачи:

1. Обеспечена непрерывная эмуляция всего рабочего цикла механизма, определенного техническим заданием.
2. Обеспечен приемлемый шаг счета при приемлемых значениях сил и импульсов во время взаимных контактов деталей механизма.
3. Уточнен ход, получены скорость, ускорение (и другие характеристики) основных элементов механизма.
4. Получены напряженно-деформированные состояния снижателя в условиях реального кинематического расчета и несимметричного нагружения.

Этап 4. Определение условий работы бойка

В соответствии с техническим заданием требовалось определить условия разрушения бойка в случае холостого хода механизма. Для моделирования данного процесса из общей задачи был исключен патрон. Все прочие параметры были оставлены без изменений. В дальнейшем, в целях более точного счета момента контакта бойка, из общей задачи был вычленен завершающий этап, для которого был назначен только очень небольшой шаг по времени.

На данном этапе были решены следующие задачи:

1. Проведен расчет холостого хода механизма и определены основные параметры движения бойка.
2. Уточнен процесс взаимодействия лодыжки и бойка — как в рамках общего движения, так и в рамках локальной задачи.
3. Определена кинетическая энергия в период свободного движения бойка.
4. Подтверждена возможность и получены модели разрушения бойка.

Проблемы на данном этапе были вызваны необходимостью подбора параметров счета с учетом очень малого периода контакта (при расчете свободного движения бойка) и большой зависимостью величины импульсов от зазора в канале для бойка.

Общие замечания

Обращаем внимание читателей на то, что исполнители не являлись разработчиками данного механизма и поэтому не могли знать всех нюансов его работы. Исходные данные были выданы в неполном объеме, что, естественно, повлекло за собой некоторые проблемы в работе механизма. Так, например:

·в расчете отображено снижение передних лапок снижателя в процессе ускоренного движения после отрыва передней лапки от упора. В реальной конструкции такое движение исключено;

·автоколебание патрона в реальном изделии невозможно за счет его плотного вхождения в седло затвора и др.

В то же время выводы, сделанные исполнителями относительно ряда параметров, полностью совпали с теми доработками, которые были проведены на реальном изделии.

Для удобства показа и обсуждения возникающих проблем результат каждого счета дублировался в виде анимационного ролика в формате *.avi. В каждый из них включались один или несколько графиков, отражающих требуемые характеристики движения. В данной работе не использовались огромные возможности MSC — Visual Nastran 4D по созданию анимационных роликов с учетом постановки текстур материала, света, изменения прозрачности компонентов, движения точки визирования.

Кроме того, в данной работе не были использованы возможности MSC — Visual Nastran 4D для статического расчета, термических расчетов, расчета собственных частот деталей и сборок, выполненных в SolidWorks.

Работа в САПР SolidWorks под управлением менеджера ведения проекта

Проектирование современной конкурентоспособной машиностроительной продукции уже вряд ли кто-то считает возможным без широкомасштабного использования средств автоматизации. Однако само по себе применение каких-то CAD/CAM/CAE-систем уже не способно гарантировать слаженную работу большого коллектива специалистов различного профиля над одним проектом. Сложно обеспечить также стабильность и ритмичность процесса разработки конечного изделия и даже его отдельных узлов, не удается добиться рационального использования информационных и человеческих ресурсов. Все эти свойства современному предприятию придают системы управления проектом — PDM.

Современные CAD-системы уже своей структурой поддерживают некоторые элементы ссылочной целостности проекта. Так, например, сборки и чертежи SolidWorks хранят сетевые имена моделей деталей, и потому практически невозможна несанкционированная замена отдельных элементов проекта, способная разрушить результаты многодневных трудов коллектива. Но предоставляемый SolidWorks механизм конфигураций должен быть дополнен механизмом разграничения доступа, являющимся одним из элементов PDM.

Внедрение подобных систем отнюдь не является данью моде. Конечно, на первый взгляд (правда, такое мнение изменяется при сколь-либо подробном рассмотрении проблемы) можно было бы обойтись привычными административными методами — оформить все правила взаимодействия разработчиков приказами по предприятию, внести их в должностные инструкции… Но вся мировая практика свидетельствует о нежизнеспособности этих решений. Более того, во всем мире широко внедряются в течение последних нескольких лет CALS-технологии, призванные гарантировать электронную (компьютерную) поддержку всего жизненного цикла изделия, от проектирования до утилизации. Данные технологии также требуют использования в работе всех служб предприятий-разработчиков и изготовителей продукции средств PDM.

Для разработчиков изделия, чаще всех сталкивающихся с функциями обмена документами с архивом и между собой, наиболее важно обеспечить простоту работы, свести к минимуму число выполняемых при типовых операциях с архивом действий и тем самым уменьшить количество возможных ошибок пользователей системы. Протестированный менеджер ведения проекта показал хорошую совместимость с базовой CAD-системой. При этом сохранена возможность работы и с другими средствами разработки, что позволяет провести постепенное безболезненное внедрение всего комплекса средств автоматизации разработки, подготовки и управления производством на основе принятой базовой системы автоматизированного производства — в нашем случае это SolidWorks.

Вообще, современный менеджер ведения проекта должен соответствовать ряду международных стандартов (ISO 10303, 9000) и обеспечивать специфические функций, среди которых:

1. Централизованное хранение объектов (документов) проекта, параллельная поддержка комплектов документов на несколько вариантов изделия, возможность поиска произвольной информации об изделии.
2. Управление структурой изделия, поддержка настраиваемых классификаторов продукции.
3. Просмотр и аннотирование документов различных форматов.
4. Управление проведением изменений.
5. Обеспечение доступа из архива к соответствующим типу документа пакетам прикладного программного обеспечения.
6. Взаимодействие со средствами АСУП.
7. Отображение иерархической структуры предприятия, разграничение прав доступа к документам архива, контроль взаимодействия участников проекта с архивом, хранение истории работы пользователей.

Учитывая принципиальную техническую и финансовую невозможность и нецелесообразность мгновенного и полного перехода от традиционных методов проектирования и организации производства к автоматизированным и перевода всего имеющегося задела в электронный вид, необходимо также обеспечить работу и с бумажными документами. Под этим подразумевается поддержание в PDM некоторой структуры (картотеки), отображающей существующие архивные хранилища и позволяющей включать такие документы в структуру изделия, причем на равноправной основе с документами электронными.

Использованный нами в работе менеджер ведения проекта обеспечивает автоматическую загрузку всех входящих в головную сборку SolidWorks подсборок и деталей, а также дополнительных документов к ним. При этом дополнения автоматически отыскиваются в том случае, если совпадают по имени с основным документом. В результате в централизованный архив попадает структурированный набор данных, отражающих структуру изделия, туда же может быть помещена практически любая дополнительная информация: данные по складским запасам материалов и изделий, маркетинговые материалы, рекламная продукция и пр. Все эти данные хранятся в немногих крупных архивных хранилищах, размещаемых на файл-серверах в сети предприятия, причем физическая структура хранения документации вообще скрыта от конечных пользователей системы, видящих лишь некий абстрактный неделимый архив.

Для успешной работы важно наличие некоторых дополнительных возможностей, позволяющих более рационально организовать работу пользователей с точки зрения интеграции в единой среде всех необходимых разработчику функциональных возможностей автоматизированного предприятия. Это прежде всего функции рассылки документов по унифицированным или по самостоятельно формируемым пользователями маршрутам, наличие личных архивов для хранения промежуточных результатов и отдельных пробных вариантов, функции назначения и контроля сроков исполнения работ. Опробованная система организации документооборота предоставляет возможность одновременно хранить несколько версий документов, отражая таким образом историю развития (создания и модификации) изделия, и позволяет назначать актуальную на текущий момент версию.

В ходе работы была продемонстрирована возможность достаточно высокой степени интеграции менеджера проекта с базовой системой твердотельного моделирования SolidWorks. В карточку документа заносились все основные данные документа, указанные в модели: обозначение, наименование, место описываемого документом изделия в иерархии проекта, размещение исходного файла документа в локальной сети предприятия и т.д. При этом возможна и обратная передача данных, внесенных пользователем в карточку документа, из среды PDM в документ SolidWorks. Также была подтверждена возможность поддержки параллельной работы специалистов различных профилей в локальной сети предприятия — как с документами, изначально созданными независимо от среды PDM, так и с документами, создававшимися непосредственно на электронном рабочем столе пользователя системы.

И базовая система автоматизированного проектирования SolidWorks, и задействованные в работе над проектом приложения показали высокую способность стабильной и надежной работы под управлением менеджера ведения проекта.

«САПР и графика» 5'2001