Использование cистемы APM WinMachine в реализации проектов Брянского машиностроительного завода

Н.Никифоров, Л.Манахова

ЗАО УК «Брянский машиностроительный завод» (БМЗ) — одно из крупнейших производств транспортного машиностроения и старейшее предприятие машиностроительного профиля г.Брянска — был основан в 1873 году как металлургический завод по производству железнодорожных рельсов и скреплений. В настоящее время БМЗ специализируется на производстве локомотивов, вагонов, дизелей для локомотивов и судов, а также сварочного оборудования, оборудования для нефте- и газопроводов и т.п. Кроме того, предприятие имеет и металлургическое направление, позволяющее производить стальное и цветное литье, мелкосортовой прокат, метизы и т.п.

С развитием электронно-вычислительной техники для обслуживания производства, а также ускорения и повышения качества создаваемых новых проектов завод приступил к созданию системы автоматизированного управления производством (УКАП) с подсистемой автоматизированного проектирования продукции (САПР). Для решения поставленных задач на заводе были созданы специальные подразделения в составе единой структурной схемы с определенными функциональными связями и выделено необходимое материальное обеспечение.

На этапе создания и внедрения в производство новых проектов задачи САПР возлагались в основном на конструкторские и технологические службы завода в рамках единой службы УКАП, которые, в свою очередь, формировали группы программистов и пользователей, как правило, при бюро расчетов.

Первая система САПР на БМЗ была создана в 70-80-е годы прошлого века в основном собственными силами и основывалась на использовании больших ЭВМ и графопостроителей, начиная от машин типа «Минск» и заканчивая IBM.

По мере развития вычислительной техники и появления персональных компьютеров (ПК) современного уровня на заводе, в рамках созданной УКАП осуществлялась замена техники с введением необходимых структурных изменений. Одновременно все структурные подразделения завода поэтапно оснащались современными ПК.

В настоящее время на заводе реализуется новый этап полной автоматизации выпуска продукции на базе высокотехнологичного программного обеспечения производителей, высоко зарекомендовавших себя на рынке услуг.

Систему автоматизированного проектирования APM WinMachine, разработанную в НТЦ АПМ (г. Королёв Московской обл.), Брянский машиностроительный завод использует в проектах создания современных тепловозов начиная с 2001 года.

Причины, по которым расчетно-конструкторское бюро остановилось на использовании именно данного программного продукта, — это прежде всего русскоязычный интерфейс модулей системы APM WinMachine, построение ее на базе отечественных стандартов, нормативов и принципов конструирования, возможности легкого освоения системы специалистами и быстрого ее внедрения в производство. Немаловажное значение при выборе программного продукта имела и его цена, поскольку стоимость APM WinMachine в несколько раз ниже аналогичных программных продуктов зарубежных компаний.

Модули системы APM WinMachine использовалась нами на всех этапах проектирования современных тепловозов: от эскизного проекта до создания рабочей документации и ее реализации в производстве. Расчетно-проектные работы ведутся по принципу проектирования как отдельных узлов тепловоза, так и всего тепловоза в целом. В процессе выполнения расчетно-проектировочных работ и продвижения по этапам проектирования все модели усложняются, совершенствуются и модернизируются.

Прочностной расчет отдельных узлов и всей конструкции тепловоза выполнялся с использованием метода конечных элементов. Для этого применялся модуль прочностного расчета APM Structure3D, в редакторе которого и создавались расчетные модели. Данный модуль имеет возможность создавать расчетную модель с применением всех трех типов конечных элементов:

• стержневых конечных элементов;

• пластинчатых (оболочечных) конечных элементов;

• объемных (солид) конечных элементов.

Предполагается, что первые два типа конечных элементов являются тонкими и что у них поперечные размеры сечения или толщина пластины значительно меньше, чем длина стержня или максимальный размер пластины. В конструкции тепловоза есть несущая рама, на которой закреплены оболочки внешнего корпуса, кабины и различные перегородки, а это фактически означает, что весь тепловоз может быть смоделирован с использованием и стержневых и пластинчатых элементов.

Создание модели на базе только стержневых и пластинчатых конечных элементов позволяет снизить как объем задачи, так и время расчета по сравнению с аналогичными параметрами расчетной модели, при изготовлении которой применялись только объемные элементы.

Для создания моделей отдельных узлов конструкции тепловоза использовались вышеупомянутые пластинчатые или стержневые КЭ или их комбинации, причем и тем и другим задавались одни и те же свойства материала. Соединение конечных элементов друг с другом в единую конструкцию происходит в узлах. В зависимости от типа конечных элементов узлы конструкции могут иметь либо шесть (стержневые и пластинчатые элементы), либо три степени свободы (объемные элементы).

Узел в модуле APM Structure3D на основе стержневых и пластинчатых моделей конструкции предполагает жесткое соединение элементов друг с другом, способное передать соединяемым элементам весь комплекс возникающих силовых факторов. Это соединение типа сварки или жесткого болтового соединения. Из стержневых и пластинчатых конечных элементов созданы расчетные модели рамы тепловоза (рис. 1), его кабины (рис. 2 и 3), а также модели кузовов локомотивов. На рис. 4 представлена модель кузова тепловоза ТЭА25, которая использовалась для расчета на растяжение-сжатие с нормативной продольной силой 2940 кН, а на рис. 5 — карта напряжений, возникающих в кузове тепловоза.

В том случае, если модель отдельного узла или всей конструкции тепловоза создается с использованием объемных конечных элементов, то узлы такой конструкции представляют собой шаровые шарниры, способные передавать силы и перемещения другим элементам. Моменты в таких узлах передать не удастся.

В нашем же случае шарнирное соединение использовалось при соединении в одну конструкцию моделей различных узлов, выполненных из разных материалов (рис. 6).

Конечно-элементные модели рам тележек, главных рам, кабин и кузовов тепловозов позволяют не только выполнить прочностной статический расчет конкретного варианта конструкции, но и провести исследование и предложить модернизацию этих конструкций. Цель модернизации — оптимизация параметров модернизированных узлов при сохранении их габаритных характеристик. На рис. 7 показана модель модернизированной рамы тележек тепловозов ТЭМ21, а на рис. 8 — ее карта напряжений. Аналогичные работы были проведены для рам тележек и кузова тепловоза ТЭА25.

Результатом работ по модернизации рам тележек этих тепловозов явилось получение патентов РФ № 2246417 «Рама двухосной тележки локомотива» и № 2207268 «Рама трехосной тележки локомотива».

Кроме статического расчета конструкции с целью определения ее напряженно-деформированного состояния, модуль APM Structure3D позволяет произвести расчет на собственные (резонансные) частоты и получить собственные формы колебаний конструкции на этих частотах, а также вынужденные колебания с целью определения поведения конструкции при известной зависимости вынуждающих колебаний от времени.

На рис. 9 представлена полная расчетная модель кузова тепловоза ТЭА25, включающая модель кабины экипажа, для которой проведены исследования колебаний кузова и тепловоза в целом. Аналогичные модели создавались и для других моделей тепловозов. В результате расчета моделей на собственные частоты были выделены собственные формы и определены собственные частоты характерных колебаний тепловоза: подпрыгивания, галопирования и виляния. На рис. 10 представлена седьмая собственная форма колебаний, характеризующая галопирование тепловоза с частотой 2,7 Гц.

Эти же модели тепловоза позволили провести статические исследования тяговых качеств тепловоза, результатом которых явилось определение силы тяги тепловоза по сцеплению колес с рельсами. Исследовалась эффективность различных устройств передачи тяги с тележек на кузов тепловоза и различных механизмов радиальной установки осей колесных пар.

На основе результатов этих исследований был создан новый тип экипажа тепловоза, спроектированы новые механизмы передачи тяги и радиальной установки осей колесных пар, защищенные патентами РФ № 2168432 «Тележка железнодорожного транспортного средства» и № 2002122445 «Тяговое транспортное средство».

Кроме перечисленных задач, созданные модели тепловозов и отдельных их узлов позволяют провести исследование на устойчивость как отдельных элементов, так и конструкции в целом с ее последующей отработкой, что имеет большое значение для обеспечения работоспособности и безопасности создаваемых тепловозов.

Исследования всех моделей проводились с учетом отраслевых требований, в том числе «Норм для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм», ВНИИЖТ. М., 1998.

С учетом результатов проведенных расчетов и исследований Брянским машиностроительным заводом построен первый образец современного тепловоза ТЭМ21 (рис. 11), который прошел опытную эксплуатацию и в настоящее время находится на испытаниях.

Расчетно-конструкторское бюро БМЗ предполагает и в будущем широко использовать современную и последующие версии системы APM WinMachine при разработке новых моделей тепловозов, а также в других проектах, в том числе в работах, связанных с реализацией программы ОАО «РЖД» по модернизации железнодорожного транспорта.

В заключение отметим, что более полный учет требований нормативных документов МПС в системе APM WinMachine при его дальнейшей модернизации мог бы существенно расширить возможности его использования в проектировании таких узлов тепловозов, как соединения, передачи, подшипники, оси, пружины и др.

Мы, со своей стороны, хотим пожелать коллективу НТЦ АПМ дальнейших творческих успехов в развитии существующих и создании новых конкурентоспособных программных продуктов, отвечающих запросам современной промышленности, учитывающих государственные и отраслевые стандарты и нормы. Нам также хотелось бы отметить, что в НТЦ АПМ пожелания конкретных пользователей находят свое воплощение в новых версиях продуктов. Мы понимаем, что оперативность реагирования на запросы и пожелания пользователей зависит от сложности и актуальности задач, и рассчитываем на более тесное сотрудничество в будущем.

«САПР и графика» 6'2005