9 - 2002

Программное обеспечение CATIA V5 для проектирования двигателей

Владимир Захаров

Современный двигатель является очень сложным изделием — это ни у кого не вызывает сомнения. При проектировании двигателя приходится работать с огромным количеством конструктивных элементов и оборудования, а кроме того, управлять большой базой данных разнородной информации. На рис. 1 показана схема процесса проектирования двигателя.

Чтобы спроектировать такую сложную систему, как двигатель, требуется достаточно серьезное программное обеспечение, и в этом плане очень привлекательна CATIA V5. IBM и Dassault Systemes предлагают для двигателестроения уже существующие технологии проектирования, разработанные для других отраслей.

Задачи двигателестроения решают четыре бренда: CATIA, DELMIA, ENOVIA и SmarTeam. В отношении PLM (Product Lifecycle Management) система CATIA предназначена в первую очередь для инженерного анализа изделий, а SmarTeam — для управления жизненным циклом и для поддержки решений. Задачи PDM и совместной работы решаются с помощью ENOVIA и SmarTeam, а область применения DELMIA — управление производственно-технологическими процессами.

Все системы используют единую базу данных технологических процессов и ресурсов. Наш подход к двигателестроению как к отраслевому сегменту базируется на понятии технологического процесса и на совместной работе над проектом. Управление данными о продукте в технологическом процессе позволяет сохранить и повторно использовать базу знаний предприятия.

Основой новых технологий является электронный макет изделия (ЭМИ). Он позволяет интегрировать все этапы проектирования двигателя, такие как размещение оборудования, трубопроводов, электрики и т.п. На этом уровне возможно точное трехмерное определение двигателя. Но особенно важно то, что ЭМИ используется всеми участниками проекта для выполнения параллельного проектирования. Таким образом, впервые стало возможно с помощью компьютера определить трехмерный образ такой сложной сборки, как двигатель, и вести в рамках расширенного предприятия, включая поставщиков, параллельную разработку, предоставляющую всем коллективам возможность совместной работы.

Следующий уровень — это то, что мы называем PPR-технологией (Product—Process—Resource, то есть продукт—технологический процесс—ресурс). На этом этапе мы не только обрабатываем данные об изделии, то есть ЭМИ, но и управляем данными технологического процесса и данными ресурсов. Таким образом, с помощью модели PPR мы руководим всем процессом производства. В качестве фундамента PPR-архитектуры используются CATIA, ENOVIA и DELMIA. Интеграция данных о продуктах, процессах и ресурсах исключительно важна как способ оптимизации проектирования и производства двигателя. Эти системы позволяют на основе правил проектирования сохранять и повторно использовать базу знаний предприятия. Если учесть, что проектирование — процесс итерационный, то использование базы знаний способно в значительной мере автоматизировать процесс оптимизации изделия.

Рассмотрим основные этапы конструирования двигателя в среде CATIA под операционной системой MS Windows.

Процесс проектирования двигателя, как правило, начинается с разработки задания на проект. Сначала мы создаем архитектуру двигателя (см. рис. 1).

С помощью электронных таблиц можно в явном виде (explicit) выделить специально определяемые конструктором основные параметры двигателя (рис. 2). Управляемая методология, использующая скелетную геометрию, позволяет быстро заменять спецификации и многократно использовать базу знаний.

В ней представлены численные значения с именами и размерностями, а также массивы (таблицы). Они применяются в основном как аргументы для задания математических отношений, но могут также использоваться как переменные во встроенных средствах программирования и входить в базу знаний проектирования (см. рис. 1). При наличии таких таблиц (например, в формате Excel) можно легко перейти из трехмерной модели уже созданного V8-образного двигателя в V6-образный или наоборот, варьируя при этом несколькими параметрами (например, межцилиндровым расстоянием, углом развала, числом оборотов в минуту (RPM), числом цилиндров, ходом поршня и т.д.).

В техническое задание входят такие параметры, как мощность двигателя, число оборотов (или средняя скорость поршня), общий литраж двигателя, основные особенности двигателя: тактность, тип охлаждения, тип смазки, тип смесеобразования сгорания, ориентировочная стоимость двигателя (очень сложный вопрос), число цилиндров, отношение S/D и L/R, принцип компоновки двигателя (рядный, оппозитный) и т.д.

Следует подчеркнуть, что на каждом этапе процесса проектирования, начиная от концептуального проектирования с последующим функциональным проектированием и заканчивая сборочными чертежами и деталировкой и созданием прототипа с его тестированием, можно использовать специализированный модуль оптимизации с многокритериальным анализом (рис. 3).

CATIA V5 имеет открытую архитектуру — в нее можно вставить собственные наработки и программы (например, тепловой расчет и т.д.), функции, необходимые для расширения возможностей специализированных модулей. Использование программирования на языках VB CATIA, Java, C++, VBA, Basic Script позволяет значительно автоматизировать весь процесс проектирования двигателя.

Эскизный проект двигателя (основные разрезы двигателя), как правило, начинается с его поперечного разреза. С помощью системы CATIA V5 можно провести проворачивание шатуна, которое позволяет получить очертания картера (рис. 4).

Далее строится продольный разрез двигателя. На этом этапе устанавливается такой важный параметр, как межцилиндровое расстояние.

Эскизный проект двигателя завершается динамическим расчетом и поверочным расчетом деталей на прочность (рис. 5).

Каждый модуль инженерного анализа (CAE) последнего, девятого, релиза системы CATIA V5 имеет новые дополнительные функции. Реализованы возможности расчетов свободных колебаний (Free Frequency Analysis) и тепловых расчетов. Значительно расширены типы задания граничных условий с учетом контакта между деталями. Для наглядной визуализации результатов расчета очень широко используется анимация (рис. 6). На этом рисунке в полном объеме показано исследование напряженно-деформированного состояния блока цилиндров, головки цилиндров и других деталей, то есть создана анимационная модель двигателя.

Особо нужно остановиться на интеграции CATIA V5 с системами инженерного анализа в двигателестроении. В системе предусмотрено взаимодействие с помощью интерфейса с такими FE-решателями, как Nastran, Abaqus, Ansys и т.д. Следует подчеркнуть, что предоставляется возможность работать с программным пакетом Nastran в интегрированной среде CATIA. Имеются возможности анализа деталей и сборок с нелинейным поведением материала, термического анализа деталей и сборок, динамического частотного анализа, моделирования шума и вибраций.

Анализ в CATIA является инструментом решений в реальном времени, масштабируемым от простого анализа к сложному (рис. 7). В системе CATIA-Анализ имеется ассоциативная база данных, база знаний и повторное использование анализа, автоматическое обновление изменений проекта, обеспечение совместной среды проектировщика и аналитика; программа отличается простотой использования. Для анализа также применяются данные изделия, определяемые из модели.

Технический проект двигателя уточняется в процессе обсуждения, в котором участвуют технологи, экономисты и испытатели. На этом этапе продолжается разработка чертежей основных узлов двигателя и производится расчет основных цепочек допусков (см. рис. 1).

В ходе работы над проектом двигателя проводится окончательная разработка чертежей всех деталей и узлов двигателя и переназначение цепочек допусков (см. рис. 1).

Окончательной стадией проектирования является доводка двигателя. На этом этапе система CATIA V5 дает возможность моделировать доводочные испытания, используя специализированные модули DMU (Digital Mock-Up). Следует подчеркнуть, что при концептуальном проектировании удобным является использование логических операций, например на основе программы Union-TRIM, являющейся уникальной возможностью системы CATIA V5 (рис. 8).

На рис. 9 показаны архитектура двигателя, его основные конструктивные элементы, группирование элементов по типу обработки и т.д.

На каждом этапе процесса проектирования двигателя, начиная с разработки задания на проект и заканчивая доводкой двигателя, подключается универсальная система CATIA V5, и при наличии единой базы знаний, единой базы данных, единой спецификации, введя один раз всю информацию, вы сможете далее получать различные варианты двигателей.

Внедрение программного обеспечения CATIA V5 для проектирования двигателей, предлагаемого нашей компанией, позволит вашему предприятию выпускать качественную продукцию, значительно повысить эффективность производства, достаточно просто переходить от одного проекта к другому и работать сразу над несколькими двигателями.

26 июня этого года в Демонстрационном центре компании ГЕТНЕТ состоялся семинар «Решения IBM и Dassault Systemes для двигателестроения», в котором приняли участие представители ведущих предприятий этой отрасли из европейской части России и Уральского региона. На семинаре были представлены доклады специалистов IBM, ГЕТНЕТ, ВАЗа и фирмы MSC, посвященные PLM (Product Lifecycle Management) — решениям в двигателестроении.

Семинар продемонстрировал не только передовые приемы проектирования, реализованные в CATIA V5, но и практические результаты, полученные зарубежными и отечественными разработчиками двигателей. Семинар полностью оправдал ожидания участников.

В статье использованы официальные материалы фирмы IBM

«САПР и графика» 9'2002