11 - 2002

Как это было, или До чего докатились

А.А.Пранов, Д.В.Федин, Д.В.Даниленко, Н.В.Першхайло

Уральское конструкторское бюро вагоностроения (УКБВ) на протяжении многих лет является головным российским КБ по проектированию грузовых вагонов. Поэтому создание системы автоматизированного проектирования грузовых вагонов (САПР «Вагон»), к которому приступили еще в 1982 году, началось с автоматизации расчетов (исследовательских, прочностных и надежности), а также со статистической обработки результатов испытаний объектов вагоностроения с помощью ЭВМ типа ЕС и СМ. Программное обеспечение создавалось ведущими учеными страны в области железнодорожного транспорта и высококвалифицированными программистами УКБВ. С вводом в действие в 1990 году автоматизированного рабочего места (АРМ) конструктора на базе СМ ЭВМ появилась возможность автоматизированного выполнения текстовой и графической конструкторской документации, а также создания локальных баз данных подсистем расчетов надежности, тележек, кузова, автосцепки. С использованием графических средств, предоставляемых АРМ конструктора, был освоен выпуск сборочных и детальных чертежей.

Компьютеризация объединения и УКБВ вывела САПР «Вагон» на новый уровень. В середине 90-х годов произошла переориентация на современные технологии проектирования, чему способствовало появление в коллективе молодых конструкторов, знающих вычислительную технику и прошедших целевое обучение по специальности «Вагоностроение» в Уральском государственном университете путей сообщения.

Основным пакетом для создания чертежной документации в это время становится графический редактор AutoCAD — удобный, компактный и интуитивно понятный. Такой выбор был основан на трех главных факторах: распространенность продукта, наилучшее среди САПР соотношение «цена/качество» и универсальность.

На первых порах работа в AutoCAD практически копировала приемы работы за кульманом. Благодаря современным компьютерам и последним достижениям CAD-технологий появилась возможность твердотельного параметрического моделирования объектов.

В 1998 году был проведен сравнительный анализ предложенных на российском рынке систем 3D-моделирования. Тогда и произошло более близкое знакомство с SolidWorks. Этот программный пакет поразил нас своей простотой в использовании: привычным интерфейсом, соответствующим стандартам Windows, и русификацией, которая была  необходимой для конструкторов старшего возраста.

Конечно, в первое время происходило так называемое копирование «снизу-вверх»  — конструкторы на основании чертежа просто создавали объемную деталь. Но в то время для КБ и это было шагом вперед. Конструктор мог не только посмотреть «живьем» спроектированную объемную деталь, но и передать ее расчетчику для анализа методом конечных элементов.

Собственно моделирование на компьютере начали осуществлять только в 2000 году. Конструкторы УКБВ прошли обучение работе с SolidWorks с помощью специалистов АОЗТ «Делкам-Урал» (г.Екатеринбург), и процесс проектирования пошел «сверху-вниз». AutoCAD в это время применялся уже только для образмеривания и подготовки технической документации. К 2001 году пакет SolidWorks стал базовым средством моделирования в объеме.

В связи с принятием Правительством РФ Федеральной программы «Разработка и производство в России грузового подвижного состава нового поколения» объединению потребовалось в сжатые сроки разработать новые конструкции тележек, полувагонов и вагонов-цистерн, принципиально отличающихся от типовых конструкций. В условиях, когда требуется производить анализ большого количества предложений и вариантов, необходимым стало внедрение автоматизированных технологий проектирования и анализа. Данные технологии предусматривают использование программных комплексов параметрического твердотельного моделирования геометрии, имитационного моделирования кинематики и динамики, а также конечно-элементного анализа разрабатываемой конструкции. В основе использования цепочки данных программных комплексов лежит передача геометрии, созданной на первом этапе, из одной программы в другую, что позволяет строить более быструю итерационную процедуру проектирования до получения оптимального результата.

В соответствии с принятой в УКБВ концепцией развития САПР «Вагон» в 2001 году были приобретены пилотные версии систем высшего уровня Unigraphics и CATIA с последующим обучением работе с этими программными комплексами. Хочется сказать спасибо специалистам из EDS «Ланит» (г.Москва) и ЦИТ «Мебиус» (г.Санкт-Петербург) за квалифицированное обучение пользованию этими системами. Благодаря полученному опыту работы нами был проведен сравнительный анализ, каким бы странным вам это ни показалось, САПР высшего (Unigraphics и CATIA) и среднего уровня (SolidWorks’2001). Безусловно, тяжелый САПР — это круто, и плюсы его, в отличие от среднего САПР, перечислять не надо, понятно и так. Но пришлось спуститься с небес на землю. Вряд ли грузовой вагон в ближайшем будущем будет состоять более чем из 5000 деталей. Самые сложные детали грузового вагоностроения — литые, а с их проектированием хорошо справляется и SolidWorks (рис. 1), тем более что этот программный продукт от версии к версии становится все более мощным. Так, в 2000 году конструкторы испытывали определенные трудности со сборками, а в SolidWorks’2001Plus работа со сборками значительно ускорена, предоставлена возможность вести параллельную работу при проектировании изделий. Размер файлов после архивирования практически не изменяется — это говорит о том, что разработчики сделали акцент на хранении информации.

В дальнейшем мы предполагаем выпускать техническую документацию только с помощью SolidWorks, так как с каждой новой версией разработчики уделяют все больше внимания оформлению технической документации в соответствии с ГОСТ и ЕСКД.

В настоящее время все вновь сконструированные вагоны проектируются только с использованием SolidWorks. В электронном виде имеется несколько готовых изделий, три из которых показаны на рис. 2, 3, 4.

Мы с нетерпением ожидаем выхода пакета SolidWorks’2002, в котором должно быть ускорено построение чертежных видов крупных сборок, создание таблиц параметров Excel по существующему набору конфигураций модели, а также должна появиться возможность работы в пространстве детали с несколькими твердыми телами.

Наиболее ответственную роль среди всего многообразия CAD/CAM/CAE-программ играют, на наш взгляд, пакеты конечно-элементного анализа.

В недалеком прошлом конструктор сосредоточивался на чисто чертежной работе, осуществляя проектирование где-то за рамками работы на компьютере. Расчетчик получал чертежи детали, выполненные в бумажном виде, и был вынужден воспроизводить по ним трехмерное изображение для того, чтобы выполнить анализ прочности. Подобный подход делал невозможным создание на следующих этапах эффективной конструкции.

Начиная с 80-х годов в УКБВ успешно применялись программные комплексы конечно-элементного анализа, такие как «ЛИРА», «СПРИНТ», «АСТРА», «СУПЕР», KOSMOS. В 1998 году была приобретена учебно-пилотная версия конечно-элементного пакета ANSYS. Выбор именно учебно-пилотной версии был обусловлен, во-первых, довольно высокой стоимостью полной промышленной версии, а во-вторых, желанием сравнить ANSYS с основным конкурентом на рынке данных продуктов — NASTRAN. Забегая вперед, хотелось бы сказать, что в результате из двух конечно-элементных пакетов УКБВ предпочло ANSYS. Связано это с относительной простотой его освоения и меньшей требовательностью к машинным ресурсам. Не последнюю роль сыграла и техническая поддержка дилеров ANSYS в России (один из них — компания «Делкам-Урал» — находится в Екатеринбурге, что значительно облегчило процесс техподдержки), а также предложенная гибкая система покупки. Не случайно статистическим данным большинство пользователей в России выбрали ANSYS.

Первое же применение ANSYS дало хорошую сходимость с результатами статических испытаний. Модели представляли собой пластинчато-балочную систему (рис. 5). Именно такой выбор обусловлен простотой расчетной схемы и аналогичностью ее классическим методам расчета. Дальнейшая практика показала, что при предварительных расчетах на прочность такая схема наиболее приемлема из-за простоты создания модели и возможности быстрой замены одного элемента конструкции на другой. Следующим шагом было создание расчетных схем пластинчатого типа (рис. 6), объемных (рис. 7), а также их симбиоза — объемно-пластинчатых расчетных схем (рис. 8). Именно пластинчатые расчетные схемы обеспечивают оптимальное решение — хорошую сходимость с результатами эксперимента и довольно простую расчетную схему (по сравнению с объемной задачей), не требующую больших машинных ресурсов и времени.

В 2001 году, выполняя вышеупомянутую федеральную программу, УКБВ спроектировало три типа вагонов-цистерн безрамной конструкции. Это был первый опыт — как для конструкторов, так и для расчетчиков — создания вагонов-цистерн подобной компоновки. До 2001 года УКБВ занималось проектированием только рамных цистерн. Ранее расчеты вагонов-цистерн проводились отдельно для котла и рамы. А в нашем случае конструкция безрамной вагона-цистерны была единым целым и представляла собой котел с жестко приваренными к нему полурамами. Методику расчета подобных конструкций пришлось разрабатывать с нуля. Было решено создать пластинчатую расчетную схему — как наиболее подходящую и обеспечивающую хорошую сходимость с экспериментом.

Конструкторы проектировали в SolidWorks 3D-модели общей компоновки новых цистерн (рис. 9) и передавали их расчетчикам. На основании этих моделей расчетчики также в SolidWorks строили модели поверхностями (рис. 10) и импортировали их через транслятор SAT в ANSYS. Одна из таких моделей насчитывала 93 075 элементов и 132 894 узла (рис. 11). Приварка накладок и опор к котлу, а лап к полурамам моделировалась с помощью математических связей. Процесс опирания котла на полурамы также моделировался с помощью математических связей, при этом перемещение от котла на полурамы передавалось только в радиальном направлении. Время счета итерациями на ПК с процессором Pentium 4 1,7 ГГц и оперативной памятью 1 Гбайт составило порядка 110 минут.

Следует отметить, что технические требования для проектирования первой цистерны УКБВ получило в январе прошлого года, а опытные образцы двух вагонов-цистерн были продемонстрированы расширенной коллегии МПС РФ на выставке уже в декабре, то есть весь цикл проектирования занял менее года!

За пять лет использования конечно-элементного комплекса ANSYS в УКБВ сформировалась проектно-расчетная концепция, согласно которой на протяжении полного цикла проектирования  — от первых исходных данных до выпуска опытного образца — устанавливается тесный двусторонний контакт между конструктором и расчетчиком. Расчетчик получает 3D-модель, созданную конструктором в SolidWorks, и дорабатывает ее с учетом своих условий либо создает на ее основе свою модель. Хотелось бы отметить, что наше первоначальное предположение о том, что конструктор будет передавать расчетчику уже готовую модель, оказалось ошибочным. Создаваемая расчетная модель требует значительных доработок под конкретную задачу, особенно если производится расчет такого большого и сложного объекта, как вагон.

Далее созданная модель через различные трансляторы (IGES, SAT и т.п.) передается непосредственно в конечно-элементный комплекс ANSYS, в котором и производится прочностной анализ. При положительном результате расчета конструктор окончательно оформляет чертежи. При отрицательном результате расчета в конструкцию вносятся изменения и расчет повторяется до получения положительного результата.

Таким образом, совместное применение SolidWorks и конечно-элементного комплекса ANSYS позволило УКБВ за пять лет произвести расчет более десяти новых объектов железнодорожного подвижного состава. Время создания опытного образца на сегодняшний день с момента получения ТЗ составляет один год, ранее же на эту работу уходило три-пять лет. При этом точность и сложность расчетных схем, а значит, и сходимость с реальными объектами постоянно увеличиваются.

Такой подход значительно улучшает качество, сокращает сроки выполнения работ, а следовательно, и затраты на проектирование, что актуально в современный период рыночных отношений.

«САПР и графика» 11'2002