11 - 2002

Практический опыт использования системы АРМ WinMachine при проектировании несущих металлоконструкций в машиностроении и строительстве

Алексей Трофимов, Игорь Ефремов, Елена Валуева

Почему мы предпочли разработки фирмы НТЦ АПМ

Основные функциональные возможности APM Structure3D

Решение задач проектирования объектов машиностроения

Решение задач строительного проектирования

Сравнительный анализ решений различных конечно-элементных систем

Заключение

Известно, что многие несущие металлоконструкции машин, механизмов и сооружений слишком металлоемки и во многом не отвечают требованиям сегодняшнего дня. Единственное, что может изменить состояние дел в этой сфере, — внедрение современных систем инженерного анализа. Применительно к металлоконструкциям это означает использование компьютерных расчетных систем, основанных на методе конечных элементов. Только таким образом можно создать современное оборудование, оптимальное по весу, энергопотреблению и ряду других параметров.

Одним из признанных инструментов для расчета и анализа металлоконструкций является модуль APM Structure3D, входящий в CAD/CAE-систему APM WinMachine. Десять рабочих мест системы APM WinMachine приобрел около трех лет назад Братский государственный технический университет по инициативе кафедры cтроительных и дорожных машин. По прошествии времени мы хотели бы поделиться с читателями журнала «САПР и графика» своим практическим опытом.

Почему мы предпочли разработки фирмы НТЦ АПМ

Комплекс APM WinMachine относится к классу CAD/CAE-систем, а его разработчик  — известная российская компания НТЦ АПМ — уже целое десятилетие эффективно работает на отечественном рынке САПР. Это во многом предопределило выбор программного обеспечения для учебного процесса и проведения научных и проектно-конструкторских работ. Постараемся объяснить свою позицию в этом вопросе.

Во-первых, мы считаем, что в российских университетах необходимо отдавать предпочтение отечественным разработкам и руководствоваться при выборе ПО не только научно-техническими параметрами, но и учитывать воспитательно-патриотический момент. Эти факторы принимались нами во внимание, когда мы вводили в учебную программу изучение продуктов компании АО АСКОН.

Во-вторых, важным обучающим моментом является наличие русскоязычного интерфейса и документации.

В-третьих, для учебных заведений НТЦ АПМ поставляет свои программные продукты не в урезанном виде, как это делают многие западные компании (да и некоторые российские), а в полном объеме их функциональности. Последнее обстоятельство позволяет использовать программное обеспечение марки APM WinMachine для выполнения не только студенческих, но и научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ.

Ну и наконец, в-четвертых, следует отметить доступность комплекса APM WinMachine для российских университетов с финансовой точки зрения.

В начало В начало

Основные функциональные возможности APM Structure3D

Очень коротко остановимся на возможностях модуля APM Structure3D, чтобы очертить круг проблем, которые могут быть решены с его использованием. Модуль APM Structure3D предназначен для выполнения всего комплекса расчетов на прочность трехмерных конструкций, состоящих из пластин, стержней и оболочек в их произвольном сочетании. В качестве метода решения используется метод конечных элементов (МКЭ), который, как известно, имеет множество различных модификаций и интерпретаций. Говоря о граничных условиях, следует отметить, что пространственные конструкции, которые можно рассчитать с помощью APM Structure3D, могут иметь произвольное закрепление и нагружение. Под произвольным закреплением понимается не только возможность ограничения перемещений и углов поворота, но и возможность представления опор в виде податливых элементов определенной жесткости. Произвольное нагружение предполагает не только нагружение под действием традиционного набора силовых факторов, но и варианты кинематического нагружения, когда в качестве нагрузки задается линейное либо угловое перемещение, которое равносильно нагружению группой сил и моментов.

С помощью APM Structure3D можно выполнить расчеты: величин напряжений и деформаций в любой точке конструкции; устойчивости как системы в целом, так и отдельных ее элементов; динамических характеристик собственных и вынужденных механических колебаний системы.

Кроме того, использование модуля APM Structure3D системы APM WinMachine позволяет значительно сократить сроки исполнения проектно-конструкторских работ.

В начало В начало

Решение задач проектирования объектов машиностроения

Понятно, что целью любого проектирования является создание конкурентоспособных машин, востребованных на современном рынке. Поэтому при разработке конструкций важнейшую роль играет создание оптимальных по весу и рациональных по форме несущих и рабочих элементов металлоконструкций машин. В связи с этим использование модуля APM Structure3D на этапе разработки проекта позволяет не только создать конструкцию, элементы которой оказываются близки к равнопрочным, но и получить наибольшие экономические выгоды от проекта. Кафедра строительных и дорожных машин всегда уделяла большое внимание проблемам прочности, но с внедрением APM Structure3D в ее арсенале появились доступные инструменты, без которых сейчас уже трудно представить качественный скачок в вопросах проектирования.

Повышение конкурентоспособности новых технических объектов и, как следствие, выход на зарубежные рынки сбыта — один из главных путей экономического развития предприятий машиностроения. Однако для того, чтобы конечная продукция действительно отвечала современным требованиям, необходимо выполнение целого ряда условий, иногда противоречивых. Снижение металлоемкости, повышение надежности и улучшение эксплуатационных характеристик изделий — эти актуальные требования предъявляются к современным металлоконструкциям, и в выполнении этих требований производителям могут помочь программные продукты, предлагаемые НТЦ АПМ.

Расчет с помощью APM Structure3D позволяет уточнить геометрические размеры проектируемой конструкции на основе современных критериев прочности и жесткости, а также выбрать оптимальные сечения, материалы и сортамент для изготовления ее элементов.

В качестве примера рассмотрим анализ напряженно-деформированного состояния тяговой рамы скрепера ДЗ-13 как одного из основных силовых элементов металлоконструкции скрепера (рис. 1). Использование при анализе современных компьютерных технологий позволило по-новому посмотреть на решение проблем прочности. Особенностью работы тяговой рамы является наличие больших переменных нагрузок: она воспринимает усилия от резания грунта и сопротивления наполнению при копании, а также испытывает воздействие тягового усилия базовой машины. Расчет в APM Structure3D (рис. 2) выявил опасные с точки зрения прочности элементы скрепера, а именно проушины гидроцилиндров подъема-опускания ковша и места их установки на раме.

В течение последних пяти лет на кафедре строительных и дорожных машин в рамках дипломного проектирования разрабатывается семейство малогабаритных энергомодулей для малообъемных работ в строительстве (рис.  3). Понятно, что в машинах такого класса помимо рамной конструкции есть большое количество и других всевозможных деталей и узлов, расчеты которых также могут быть выполнены с использованием других программных продуктов НТЦ АПМ, но это, на наш взгляд, тема для отдельного обсуждения. Здесь мы остановимся только на анализе прочности рамной конструкции.

С целью получения рациональных конструкций, в том числе и несущих, необходимо проведение анализа конструкторско-проектных решений. При проектировании модуля УМ-4 (рис. 4) для определения напряженно-деформированного состояния несущей шарнирно-сочлененной рамы в различных расчетных положениях был использован модуль APM Structure3D (рис. 5).

Следует также отметить, что переменный характер нагружения, который характерен для работы строительно-дорожных машин, заставляет проектировщиков выполнять серию расчетов динамических нагрузок и расчетов, связанных с оценкой усталостной прочности, поскольку одной из главных причин выхода из строя строительно-дорожных машин является появление усталостных трещин, рост которых со временем приводит к разрушениям. К сожалению, хотя динамические расчеты в системе APM Structure3D доступны в полном объеме и для их выполнения имеются все необходимые инструменты, однако на данный момент расчеты на выносливость при случае стационарного и случайного внешнего нагружения в модуле APM Structure3D не реализованы. Прогнозирование времени безотказной работы с учетом выносливости — достаточно сложная научно-техническая проблема. И остается надеяться, что разработчики НТЦ АПМ выполнят свое обещание решить ее в течение ближайшего года.

В начало В начало

Решение задач строительного проектирования

Применение модуля APM Structure3D позволяет решать конструкторские и проектные задачи и в области промышленного и гражданского строительства. В этом смысле система доказала свою эффективность и целесообразность как на стадии проведения проектных работ, так и при анализе уже существующих конструкций (рис. 6).

На наш взгляд, модуль APM Structure3D идеально подходит для расчета металлоконструкций не только при разработке машин, но и в строительстве. Хорошо продуманная технология задания стержневых объектов существенно экономит время на этапе создания модели и позволяет проектировщику работать с модулем без специальной подготовки. Важно и то, что предусмотрен экспорт моделей из других графических систем, что, конечно же, облегчает работу пользователя.

Специально для строительного проектирования в модуле введена возможность ввода снеговых и ветровых нагрузок. Но вот чего действительно не хватает проектировщикам строительного профиля — так это возможностей автоматического задания комбинаций внешних нагрузок и их учета согласно СНиП. Можно, конечно, данную операцию выполнять вручную, но это не совсем удобно. Правда, насколько нам известно, учет комбинации нагрузок при расчете конструкций будет введен разработчиками в ноябре этого года.

В начало В начало

Сравнительный анализ решений различных конечно-элементных систем

Немаловажным фактором, влияющим на выбор CAE-системы, является адекватность используемых расчетных моделей и точность получаемых результатов расчетов. Как нам рассказали разработчики на одном из семинаров, большинство предприятий и организаций, которые серьезно занимаются выполнением прочностных расчетов, в период опытной эксплуатации модуля APM Structure3D ведут параллельные вычисления, чтобы убедиться в корректности выполняемых расчетов. Мы также провели сравнительные расчеты, избрав в качестве альтернативного инструмента всемирно известную систему ANSYS, которая выполняла расчет моделей, предварительно уже проанализированных в APM Structure3D. Для сравнительного тестирования были использованы стержневые и оболочечные конструкции.

В качестве первого тестового примера рассмотрим созданную в APM Structure3D каркасную модель стержневой рамной конструкции (рис. 7). Результаты статического расчета этой модели в системах ANSYS и APM Structure3D приведены на рис. 8 и 9 соответственно, а также в табл. 1 (здесь и далее D — выраженная в процентах относительная разность значений соответствующих величин, вычисленных в системах ANSYS и APM Structure3D).

Второй тестовый пример касался сравнительного анализа оболочечной конструкции (табл. 2). Для расчета были взяты две пересекающиеся трубы, оси которых расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Отметим, что для задания геометрии труб были использованы возможности разрабатываемого в НТЦ АПМ трехмерного редактора, в котором и были выполнены логические операции пересечения и вычитания. В современной версии этого графического редактора имеется генератор разбивки на конечные элементы, с помощью которого была получена конечно-элементная модель (рис. 10). Аналогичная модель в системе ANSYS изображена на рис. 11.

На рис. 12 приведены результаты статического расчета прочности оболочечной модели, выполненного в модуле APM Structure3D, а на рис. 13 — в ANSYS. Как следует из анализа полей максимальных напряжений (табл.  3), полученные результаты совпадают как по характеру, так и по абсолютным значениям.

В начало В начало

Заключение

Итак, в России имеется доступный отечественный программный продукт для выполнения конечно-элементного анализа механических конструкций — APM Structure3D, который может на равных конкурировать по своим функциональным возможностям с зарубежными аналогами. Этот модуль можно использовать для расчетов как машиностроительных конструкций, так и конструкций строительного предназначения. Кроме того, APM Structure3D может успешно конкурировать с «иностранцами» и по скорости выполнения расчетов, и по удобству построения геометрических моделей, и по наглядности отображения результатов статических и динамических вычислений.

Немаловажным фактором, подчас определяющим выбор системы, является ее стоимость, и по этому параметру APM Structure3D просто не имеет себе равных.

Что же касается системы инженерного расчета и анализа APM WinMachine в целом, то при ее применении можно:

  • повысить качество выполнения работ;
  • выявить причины возможного разрушения объектов и провести их модернизацию;
  • отказаться (в ряде случаев) от физического моделирования;
  • ускорить процесс создания новых конструкций с обоснованным подходом к проблеме выбора геометрических и других параметров.

На наш взгляд, комплекс АРМ WinMachine может стать основой для дальнейших работ по созданию полноценной системы сквозного проектирования. По крайней мере мы на это надеемся.

«САПР и графика» 11'2002