Использование CAD/CAE-системы APM WinMachine при подготовке инженерных кадров в Южной Корее

Йонг-Шик Пьён, Кеон-Беом Ли

Стандартная методика обучения проектированию машин

Методика инженерного анализа с применением инструментов CAD/CAE для подготовки инженеров-конструкторов

Расчет и оценка при помощи инструментов CAE

Расчет и оценка передач

Расчет и оценка валов

Анализ работоспособности подшипников

Оптимизация коробки передач

Оптимизация параметров зубчатого зацепления

Оптимизация валов

Оптимизация подшипников

Заключение

Представляем статью известных южнокорейских профессоров факультета техники, автоматического управления и машиностроения Университета Sunmoon Йонг-Шик Пьёна и Кеон-Беом Ли, которые в течение пяти лет используют российскую систему APM WinMachine для подготовки инженеров механических специальностей в стенах своего университета. Этот опыт показал свою эффективность, вследствие чего получил широкое распространение в других технических университетах и колледжах Южной Кореи. В настоящее время почти треть вузов и колледжей этой страны используют российский продукт для подготовки инженеров. Возможно, что такой позитивный опыт окажется полезным и отечественному техническому образованию, которое порой сталкивается с теми же проблемами, что и в Южной Корее.
Данная статья уже опубликована в одном из научных изданий на английском языке и подготовлена к печати в сокращенном варианте Научно-техническим центром АПМ. Сокращения в основном касались расчетной части, где были подробно описаны методы расчета элементов передач вращательного движения.

Цена, конкурентоспособность и другие потребительские свойства механического оборудования в значительной степени зависят от технологии проектирования и качества принятия конструкторских решений. Иными словами, коммерческий успех производимого оборудования во многом определяется человеческим фактором, то есть зависит от уровня компетентности разработчиков и от их профессионального опыта. Если проблему проектирования рассматривать широко, то к вышеперечисленным факторам следует добавить и качественное программное обеспечение, которое обеспечивает процессы выполнения необходимых вычислений, оптимизации, создания конструкторско-технологической документации и т.п.

Согласно статистическим данным автомобильного завода Ford, лишь 5% от стоимости производства одного автомобиля составляют затраты на его проектирование, в то время как принятые в ходе этого процесса конструкторские решения на 70% определяют доходы, полученные от его реализации. Это обстоятельство заставляет уделять особое внимание при формировании инженерных кадров вопросам фундаментальной конструкторской подготовки будущих инженеров.

К сожалению, несмотря на всю важность вопросов проектирования, они порой рассматривается студентами как некая повинность, которая обычно выполняется с неохотой. Объясняется это тем, что для практического и теоретического обучения инженера требуется масса времени и сил. К тому же для успешной конструкторской работы нужен опыт, без которого трудно рассчитывать на успех. По этой причине конструкторская подготовка требует много времени и растягивается на годы, что не способствует повышению престижности такого рода деятельности — для этого необходимо искать новые методики обучения и совершенствовать традиционные технологии.

Следует помнить, что технология обучения проектированию — это завершающий этап подготовки, где практически применяются знания фундаментальных дисциплин и смежных курсов, навыки графической работы, понимание технологии изготовления и пр. На этом этапе подготовки специалистов видны все пробелы в знаниях предыдущих лет, что необходимо учитывать при работе со студентами.

Стандартная методика обучения проектированию машин

Обычно обучение студентов проектированию на первом этапе ведется на примере разработки привода вращательного либо поступательного движения. Такой привод, как правило, включает передачи вращения различных типов, шарико-винтовые передачи, а также такие типовые детали, как:

• валы и оси;

• подшипники качения или скольжения;

• муфты и тормоза;

• корпусные детали и т.п.

Занимаясь по традиционной методике, студенты отдельно изучают теорию проектирования машин, практику черчения и методы оптимизации элементов механической системы. Такой подход позволяет им осознанно подойти к проблеме проектирования, но не способствует эффективному использованию полученных знаний на практике. Без применения современных технических средств невозможно эффективно произвести весь комплекс необходимых вычислений и тем более решить задачу оптимизации параметров. Быстро и качественно делать инженерный анализ возможно только с помощью современных CAD/CAE-систем.

Систему, которая во многом удовлетворяет нашим потребностям, при организации учебного процесса мы нашли в России. Это — система APM WinMachine, разработанная компанией НТЦ АПМ, которая используется в нашем университете в качестве базового продукта. Созданная в России и основанная на опыте российского высшего образования система была методически адаптирована для Южной Кореи. Мы локализовали английскую версию системы, дополнив ее национальными стандартами, используемыми в нашей стране. На корейский язык была переведена и вся документация, которая поставляется с системой. Кроме того, нами был подготовлен к изданию английский перевод книги В.В.Шелофаста «Основы проектирования машин». В 2002 году эта книга была издана на корейском языке. На корейском языке были подготовлены и другие методические материалы для организации учебного процесса. Все это в значительной степени способствовало распространению российских технологий в обучении корейских студентов.

Как показала практика, изменение методов подготовки положительно отразилась на ее качестве, причем подготовка оказалась приближенной к реальному проектированию.

Методика инженерного анализа с применением инструментов CAD/CAE для подготовки инженеров-конструкторов

Обучение проектированию обычно выполняется на конкретных образцах — мы это делаем на примере приводов станков от фирмы Tongile, с которой наш университет связывают давние партнерские отношения. Мы выполняем научные исследования по заказам этой компании, проводим обучение специалистов и просто консультируем работников по сложным вопросам технического характера.

Итак, в качестве объекта учебного проектирования мы используем привод токарного станка модели TIPL-4, который серийно выпускается компанией Tongile. Эта марка станка дорабатывалась специалистами предприятия в течение 40 лет и представляет собой пример высокой степени совершенства. Однако и в этом случае имеются резервы для оптимизации, на которые следует обратить внимание и на основе которых можно ознакомиться с современными методами оптимального проектирования. С точки зрения механики наиболее интересным элементом привода является коробка передач, которую мы далее рассмотрим подробнее.

Наш учебный процесс организован так, что на этапе инженерного анализа студенты изучают методику создания трехмерных геометрических моделей и сборок, составленных из этих элементов, а также знакомятся с механическими характеристиками материалов, из которых они изготовлены, для того чтобы получить ее адекватную физическую модель (рис. 1, табл. 1). Этап подготовки конструкторской документации завершается созданием плоских проекционных чертежей.

Расчет и оценка при помощи инструментов CAE

На этой стадии выполняется инженерный анализ рассмотренной выше конструкции коробки передач. Такой анализ удобно проводить с использованием системы APM WinMachine, о чем будет подробно рассказано ниже.

Расчет и оценка передач

Проверочный расчет передачи — это оценка контактного напряжения и напряжения при изгибе с учетом заданной долговечности, передаваемого момента вращения и ряда других параметров.

Применительно к цилиндрическим передачам в качестве критериев расчета принимают прочность по контактным напряжениям и напряжениям изгиба. Сравнивая действующие напряжения с напряжениями допускаемыми, можно судить о вероятности разрушения зубчатых колес (детально вопросы проектирования рассмотрены в вышеупомянутой книге проф. В.В.Шелофаста).

В системе APM WinMachine за расчет передач отвечает модуль APM WinTrans, с помощью которого можно выполнить глубокий инженерный анализ. Пример результатов расчета напряжений приведен на рис. 2.

В данном случае все вычисления, выполненные в модуле APM Trans, представляют собой проверочные расчеты, по результатам которых формируется чертеж. Эти расчеты включают необходимые вычисления следующих параметров:

• геометрических;

• прочности;

• контроля.

Расчет и оценка валов

Расчет вала — это проверка того, удовлетворяют ли принятые геометрические размеры вала таким выходным критериям, как статическая прочность (рис. 3), усталостная прочность, жесткость на изгиб (рис. 4) и т.д.

Условия, характеризующие удовлетворительную работоспособность вала, таковы:

• коэффициент запаса статической прочности должен удовлетворять диапазону n_r 1,3~1,5;

• коэффициент запаса усталостной прочности должен удовлетворять диапазону 1,3 n 1,5;

• максимальное перемещение вала в станкостроении не должно превышать 0,0002~0,0003 расстояния между опорами, а для обычных передач максимальное перемещение в месте крепления колеса не должно превышать 0,01m (m — модуль колеса);

• допустимые углы поворота вала в зависимости от типа использованного подшипника приведены в справочнике.

Анализ работоспособности подшипников

При расчете подшипников проверяют, удовлетворяет ли использованный подшипник выходным характеристикам. Критериями подбора подшипников являются статическая прочность и долговечность. Под статической прочностью понимают отсутствие ощутимых пластических деформаций при контакте тел качения и дорожки качения.

Долговечность подшипника представляет собой промежуток времени, в течение которого подшипник работает без отказов при данных условиях нагружения. Расчетная долговечность принималась равной 10 тыс. часов.

На рис. 5 представлены результаты расчета подшипника с помощью модуля APM Bear. Долговечность 20 316 часов и максимальные контактные напряжения 2046 МПа удовлетворяют критериям долговечности и допустимым контактным напряжениям.

Оптимизация коробки передач

Завершающей стадией инженерного анализа является процедура оптимизации конструкции, которая в данном случае рассматривается применительно к коробке передач. Конечно, существуют строгие математические методы оптимизации, связанные с поиском экстремальных значений целевых функций, однако в большинстве случаев все эти методы трудно применимы, когда речь идет о вопросах проектирования механического оборудования. Поэтому под оптимизацией мы будем понимать поиск минимально допустимого значения межосевого расстояния.

Оптимизация параметров зубчатого зацепления

Чтобы оптимизировать зацепление, нужно проверить возможность уменьшения межосевого расстояния и ширины зубчатого венца.

Как указано выше, результаты расчета зубчатых колес должны удовлетворять условию прочности по контактным напряжениям и напряжениям изгиба, а для уменьшения межосевого расстояния модифицированные шестерни должны удовлетворять условию

m(z₁ + z₂) 2a_W,

где:

z₁, z₂ — числа зубьев колес, находящихся в зацеплении;

m — модуль;

a_W — межосевое расстояние.

Можно провести процедуру оптимизации зубчатых передач, если перебрать возможные варианты, удовлетворяющие граничным условиям. Результаты подбора на основе заданного передаточного числа приведены в табл. 2. Данная операция выполнена для пары колес G4 и G8. Из полученного набора выделяется начальный вариант, при котором межосевое расстояние равно 90,0 мм, модуль равен 2,5, а числа зубьев составляют 19 и 53 для шестерни и колеса соответственно. После этого определяется оптимальная пара колес, у которой межосевое расстояние минимально и колеса которой соответствуют граничным условиям.

В процессе прочностного анализа выясняется, что наложенным условиям удовлетворят пара, модуль которой — 2,5, а число зубьев — 17 и 47. Данная пара является предпочтительной, так как в этом случае межосевое расстояние можно сократить с 90 до 80 мм, а ширину зубчатого венца можно также сократить так, как показано в табл. 3. По заданному межосевому расстоянию легко пересчитать и другие передачи коробки, уточненные ширины которых тоже представлены в табл. 3. Все это позволяет уменьшить размеры и, как следствие, стоимость изготовления объекта.

Для выполнения этой работы был использован модуль APM WinTrans, который продемонстрировал высокую надежность и эффективность.

Оптимизация валов

В связи с изменением размеров колес можно изменить и геометрические размеры валов, причем это касается как сокращения диаметра, так и длины вала. Первый шаг — проверка возможности сокращения длины вала, а второй — его диаметра.

После оптимизации ведущий вал, средний вал и шпиндель были уменьшены на 6, 10 и 10 мм соответственно, а диаметры этих участков были сокращены так, как показано на рис. 6. Диаметры валов были уменьшены после серии расчетов на прочность и жесткость с использованием модуля APM WinShaft.

Оптимизация подшипников

Изменение диаметров валов повлекло за собой уменьшение размеров подшипников, пригодность которых также легко проверить посредством модуля APM Bear. Диаметры новых подшипников в соответствии с результатами оптимизации вала составляют 30, 35 и 30 мм.

По результатам расчета подшипников рассчитанные показатели долговечности и максимальной контактной нагрузки новых подшипников были достаточно высокими по сравнению с эталонами долговечности (10 тыс. часов) и максимальными контактными напряжениями (5000 МПа).

Заключение

Описанная методика использования CAD/CAE-системы APM WinMachine применяется в университете Sunmoon при изучении курса «Проектирование машин». По результатам ее практической эксплуатации можно сделать следующее заключение:

1. Данная методика проста и понятна студентам, для ее освоения не требуется много времени.

2. Наш опыт показал, что эта методика эффективна как для подготовки инженерных кадров, так и для промышленного использования.

3. Использование указанной методики формирует понимание взаимосвязи расчетной модели и реального объекта проектирования.

4. При разработке системы использованы самые современные методики проектирования.

5. В настоящей постановке вопроса методика проектирования, предложенная в системе APM WinMachine, позволяет на практике реализовать инструменты компьютерного моделирования для решения задач выбора рациональных параметров, что способствует уменьшению веса и стоимости конструкции.

Положительный опыт использования CAD/CAE-системы APM WinMachine оказался весьма полезным и в промышленности. Хотя работа ее по внедрению на корейских предприятиях только началась, уже имеются существенные результаты, но это тема для следующих публикаций.

«САПР и графика» 10'2003