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