Технологии ХХI века в отечественной промышленности: опыт внедрения SolidWorks на ГУП «КБП»
Вячеслав Дудка, Андрей Морозов, Николай Моисеев, Геннадий Колесников,
Елена Мурованная, Олег Абашев 
Примеры проектов, выполненных с использованием САПР SolidWorks и специализированных приложений
Показатели эффективности использования САПР
В этой статье нам хотелось бы рассказать о повседневной работе инженеров Государственного унитарного предприятия «Конструкторское бюро приборостроения» (г.Тула), использующих современные средства автоматизированного проектирования, поставляемые компанией SolidWorks-Russia.
ГУП «КБП» является на сегодняшний день лидером отечественной промышленности в области производства различных типов вооружения. Коллективом КБП разработано, запущено в серийное производство и сдано на вооружение Российской армии более 50 образцов вооружения и военной техники. Основными направлениями работы КБП являются разработка и производство различных типов управляемого оружия как для сухопутных войск, так и для военно-воздушных сил, а также стрелкового и спортивного оружия. Противотанковые комплексы «Метис» и «Корнет», артиллерийские комплексы «Кастет» и «Китолов», зенитные ракетно-пушечные комплексы «Тунгуска», «Каштан», многоцелевой ракетный комплекс управляемого вооружения «Вихрь» — вот лишь небольшая часть продукции КБП*. В настоящее время в КБП в качестве базовой САПР принята система SolidWorks — полнофункциональное решение, обладающее богатыми возможностями как в области трехмерного параметрического моделирования, так и при проведении экспресс-анализа конструкций и механизмов.
В соответствии с задачами, решаемыми в КБП, в период с 2000-го по 2001 год специалистами предприятия был проведен анализ программных комплексов, распространяемых на российском рынке САПР. При этом были сформулированы следующие основные аспекты, которым должен был соответствовать набор программного обеспечения:
- комплекс программных средств должен быть расширяемой системой, то есть обладать программным ядром, допускающим расширение выполняемых функций за счет подключения новых специализированных модулей;
- должна быть обеспечена преемственность данных, формируемых на различных этапах процесса проектирования изделия;
- при создании единой информационной среды проектирования должна быть обеспечена возможность переноса данных из используемых в настоящее время на предприятии различных систем или организована совместная работа с такими системами;
- должны быть обеспечены четкая и однозначная реализация прав доступа к данным и использование в дальнейшем средств электронной цифровой подписи;
- программные средства должны иметь дружественный пользовательский интерфейс и отличаться простотой в освоении.
Вообще, данные требования выдвигаются большинством предприятий, разрабатывающих сложные машиностроительные конструкции. После длительного и серьезного анализа в КБП в качестве базовой системы САПР была выбрана система SolidWorks и ее приложения, наилучшим образом отвечающие предъявленным требованиям.
Сочетание простого русифицированного интерфейса, мощных базовых возможностей для решения практически любых задач (рис. 1), совместимость со всеми Windows-приложениями, оптимальность соотношения «цена/качество» и соблюдение требований ЕСКД делают SolidWorks системой, которую можно рекомендовать для наукоемких технологий.
Немаловажным при выборе САПР был вопрос расширяемости системы, а ведь именно SolidWorks предлагает пользователям самый широкий выбор специализированных приложений. Для решения различных прикладных инженерных задач специалисты КБП использовали программы MSC.visualNastran, Sigmund1D и EmbassyWorks. Выбор данных приложений был обусловлен двумя факторами. Во-первых, они позволяют решить поставленные задачи с минимальными затратами времени и средств, а во-вторых, эти приложения являются золотыми партнерами SolidWorks, что исключает трудности с передачей геометрии, полностью сохраняет параметризацию и упрощает работу с данными комплексами.
Для расчета напряжений и деформаций конструкций была использована программа MSC.visualNastran. Этот программный комплекс позволяет проводить прочностные расчеты в упруго-линейной зоне с учетом малых деформаций. Его также можно использовать для определения собственных частот и форм колебаний; критических сил и форм потери устойчивости; проведения теплового анализа. Программа также включает модуль, позволяющий оптимизировать параметры конструкции при заданных ограничениях.
Для проверки изделий на собираемость рабочие места конструкторов-технологов были оснащены системой расчета и оптимизации размерных цепей Sigmund1D. Данный программный продукт — полностью интегрированное в среду SolidWorks приложение, позволяющее инженеру проводить на основе сформированной трехмерной модели конструкции расчет размерных цепей, выполнять оптимизацию и оценивать качество собираемости сборки в зависимости от допусков на размеры и отклонений формы входящих в сборку компонентов. Используемое на ранних стадиях проектирования, это приложение предотвращает возникновение ошибок конструирования, позволяет снизить процент брака в производстве, а следовательно, и стоимость производства изделия, сокращает время проведения изменений (рис. 2).
При разработке конструкций в КБП часто встает вопрос о проектировании и разводке электрожгутов и кабелей. Для решения этой задачи был использован комплекс EmbassyWorks. Данное приложение позволяет, используя 3D-модели SolidWorks, спроектировать пространственную модель жгута, рассчитать диаметр и длину проводов, затем автоматически создать плоские чертежи с разверткой пространственных жгутов на плоскость, создать спецификацию материалов, списки проводов, технологическую раскладку на рабочем столе. При этом проверка на взаимное проникновение отдельных элементов, выпуск спецификации осуществляются стандартными средствами SolidWorks (рис. 3).
При автоматизированном подходе к проектированию и изготовлению сложных технических систем, которыми занимается КБП, особое внимание необходимо обратить на правильное и рациональное комплектование рабочих мест конструкторов, расчетчиков и технологов (рис. 4).
Примеры проектов, выполненных с использованием САПР SolidWorks и специализированных приложений
В соответствии с приказом Генерального конструктора А.Г.Шипунова в период с октября 2001-го по март 2002 года на ГУП «КБП» был проведен очередной этап работы по внедрению и апробации средств автоматизации проектно-конструкторских работ в рамках единой системы информатизации инженерных подразделений предприятия.
Практическая отработка выбранных средств автоматизации проводилась в форме пилотного проекта, заключавшегося в создании ряда перспективных изделий, при разработке которых средства автоматизации ранее либо использовались в ограниченном объеме, либо не использовались вовсе. Необходимо было решить следующие задачи:
- разработать конструкции узлов и агрегатов выбранных изделий;
- осуществить отладку методики работы по разводке жгутов и кабелей;
- произвести комплексные инженерные расчеты;
- создать и отработать методы работы с электронным рабочим архивом конструкторской документации;
- на основе созданной конструкторской документации разработать технологические процессы;
- реализовать управляющие программы для станков с ЧПУ и изготовить детали.
 |
|
Стартовый двигатель
При проектировании стартового двигателя увеличенной массы был использован программный комплекс SolidWorks 2001Plus. Это позволило оперативно провести эскизное проектирование элементов конструкции и всего двигателя в целом, а также определить его инерционно-массовые характеристики. Стоит отметить, что часть элементов конструкции уже была оформлена в виде документов AutoCAD. Используя соответствующую функциональность программы, эти данные удалось успешно перевести в SolidWorks и на их базе создать трехмерные модели (рис. 5, 6, 7).
|
|
Гирокоординатор
Другим примером может служить задача разработки и испытания в сжатые сроки нового гирокоординатора (ГК) повышенной добротности, который представляет собой карданный подвес с разгоном ротора и пружинным гиромотором разобщенного типа. Работа была разбита на несколько этапов:
- создание деталей и сборка ГК;
- проверка собираемости изделия;
- разработка необходимой конструкторской документации;
- передача электронного макета изделия в смежное отделение.
При этом рассматривалось два варианта конструкции гирокоординатора:
- ротор кардана подвеса выполнен составным (рис. 8);
- ротор карданного подвеса выполнен цельнометаллическим (рис. 9).
По результатам 3D-моделирования основных деталей подвеса (ротора, внутренней и наружной рамок) были получены данные (моменты инерции и массовые характеристики), необходимые для математического моделирования работы гироскопа.
При работе с 3D-моделью оценивались динамические зазоры между деталями карданного подвеса. С точки зрения собираемости наибольший интерес представляли вопросы обеспечения установки ротора во внутреннюю рамку и внутренней рамки в наружную рамку. При проверке на модели были выявлены ошибки, что позволило на ранних этапах произвести необходимые изменения в конструкции.
В гироскопическом приборе большое внимание уделяется вопросу балансировки карданного подвеса и входящих в его состав сборочных единиц. Результаты проектирования в системе SolidWorks облегчили процедуру отработки конструкции и балансировку данного узла и позволили повысить уровень разработки приборов. С этой целью в SolidWorks был произведен расчет расположения центров масс:
- ротора;
- сборочной единицы — ротор во внутренней рамке;
- сборочной единицы — карданный подвес.
Для сведения дисбаланса к минимуму детали гироскопа (ротор, внутренняя рамка, элементы крепления) были выполнены симметричными. Однако при рассмотрении сборочной единицы подвеса, вследствие несимметрии, возникающей из-за узла арретира на наружной рамке, и наличия паза на наружной рамке (для прохождения к ротору ленты со стороны пружинного двигателя), было выявлено значительное смещение центра масс от точки пересечения осей вращения. На твердотельной модели наружной рамки была проведена выборка металла с целью совмещения центра масс карданного подвеса с точкой пересечения осей вращения.
|
|
Крыльевой отсек
Одной из важнейших задач при разработке той или иной конструкции является определение в ней напряженно-деформированного состояния при работе конструкции под нагрузкой. Для этих целей был использован программный комплекс visualNastran.Inside SolidWorks фирмы MSC.
Рассчитываемый крыльевой отсек состоит из лопасти, основания, а также из стягивающих основание винтов и сухаря. Модели агрегатов были созданы в системе SolidWorks 2001Plus.
Лопасть и основание нагружались аэродинамическими силами — силами, действующими на лопасть и на ее основание. В расчетной модели предполагается, что силы направлены перпендикулярно поверхности и распределены по ней равномерно. На данном этапе расчета данные о распределении аэродинамических нагрузок по поверхности лопасти были неизвестны. Однако при линейном или нелинейном распределении нагрузок данную задачу также можно решить. Для этого можно воспользоваться как стандартными средствами SolidWorks по работе с поверхностями или гранями твердого тела, так и возможностями по заданию нагрузок в visualNastran.Inside. Еще раз стоит отметить, что данные функциональные возможности входят в базовую поставку программ и не требуют дополнительного вложения средств.
Поверхность основания, по которой оно соединено с корпусом (что конструктивно оформлено в виде сварочного соединения), закреплена неподвижно. Лопасть закрепляется в основании. Поскольку программа visualNastran.Inside не отслеживает взаимопроникновение деталей при деформации конструкции и, как следствие, не рассчитывает контактные силы, необходимо смоделировать взаимодействие деталей между собой при помощи жесткой связи между деталями в зонах, выявленных при предварительном анализе. Взаимодействие лопасти и основания моделировалось следующим образом: края выступов с одной стороны лопасти и основания выступов с другой стороны лопасти жестко связаны с соответствующими местами основания (рис. 10). Противоположные стороны основания стянуты между собой двумя винтами напрямую и двумя винтами через сухарь; это также моделировалось с помощью жесткой связи между деталями.
Для выявления «особых» зон и областей в конструкции был произведен предварительный расчет с использованием достаточно «грубой» конечно-элементной сетки. Это позволило сократить время предварительного расчета и с достаточной точностью оценить особенности работы конструкции. После этого этапа расчета была сгенерирована расчетная конечно-элементная модель рассматриваемого узла (рис. 11).
Сгущение сетки было организовано в зонах наибольшей кривизны и в областях узлов навески крыла. Количество элементов составило 82 тыс., а число узлов — 46 тыс. Расчет с такой сеткой продолжается более получаса. Кроме того, программа visualNastran.Inside предоставляет пользователю возможность (после расчета деформаций детали) самостоятельно разбить элементы на более мелкие в местах, где исходные элементы сильно деформируются.
Расчет напряженно-деформированного состояния крыльевого отсека был произведен при следующих ограничениях:
- зависимость между приложенными силами, напряжением и деформацией детали линейная. Это означает, что деформации считаются малыми, а напряжения — находящимися в пределах упругости;
- величины модуля Юнга (E), коэффициента Пуассона (µ) и прочие физические величины считаются одинаковыми во всех точках рассчитываемой детали (хотя и могут различаться для разных деталей);
- программа не отслеживает взаимопроникновение деталей из-за их деформаций и не рассчитывает контактные силы между деталями. Взаимодействие деталей моделируется только как жесткая связь между ними (детали «приварены» друг к другу в определенных местах).
Результаты расчета крыльевого отсека представлены на рис. 12 и 13.
На рис. 13 показана деформация лопасти. Для сравнения в полупрозрачном виде показано недеформированное состояние.
Анализ результатов конечно-элементного расчета продемонстрировал, что действующие напряжения превышают допустимые. Поэтому для обеспечения необходимого запаса прочности было предложено внести изменения в конструкцию лопасти, заключающиеся в изменении формы выступов и профиля лопасти. Результаты расчета модифицированного крыла приведены на рис. 14 и 15.
Таким образом, удалось провести комплексный инженерный анализ конструкции крыла, определить действующие напряжения и т.д. По итогам расчетов было принято решение изменить параметры, чтобы удовлетворить предъявленные требования.
В заключение хотелось бы изложить достигнутые на ГУП «КБП» результаты сухим языком цифр, которые лучше любых велеречивых отчетов свидетельствуют об эффективности применения современных информационных технологий для создания сложных машиностроительных конструкций.
|
|
Выводы
Таким образом, на ГУП «КБП» была отработана методология использования комплексных инженерных решений, базирующихся на системе SolidWorks. Несмотря на неизбежные трудности, возникающие в ходе освоения новой САПР, можно говорить о безусловной пригодности SolidWorks и его партнерских приложений для решения задач по созданию сложных технических систем, а также о повышении качества работы и уменьшении стоимости и сроков проектирования.
На наш взгляд, SolidWorks, наряду с прочими достоинствами, привлекателен простотой интерфейса, который обеспечивает быстрое освоение и внедрение системы в конструкторско-технологический процесс и ее последующее эффективное использование при разработке изделий. Интуитивно понятный интерфейс и русификация системы позволяют работать с SolidWorks широкому кругу специалистов.
«САПР и графика» 10'2002
