11 - 2003

Проектирование и расчет рамных конструкций мототранспортных средств с применением комплекса программ APM WinMachine

Евгений Соловьев, Владимир Плотников, Александр Пенкин

Современный взгляд на проблему проектирования с использованием программного обеспечения НТЦ АПМ

Модуль АРМ Structure3D

Заключение

В этой статье мы хотели бы поделиться своим опытом работы с отечественной CAD/CAE-системой APM WinMachine, созданной в НТЦ АПМ. Эта система уже в течение трех лет успешно используется нашим предприятием при проектировании как мототранспортных средств, так и других изделий.

Для начала несколько слов о том, чем мы занимаемся. Наше предприятие — ОАО «Вятско-Полянский машиностроительный завод “Молот”» — осуществляет проектирование и изготовление гражданского оружия, товаров народного потребления, станков различных модификаций — от деревообрабатывающих до фасовочных автоматов, которые широко используются в пищевой промышленности. Одним из направлений нашей деятельности является производство мототранспортных средств.

В 60-70-е годы завод выпускал мотороллеры «Вятка» и «Электрон», а также боковые прицепы к мотоциклу ИЖ. В конце 90-х годов, продолжая традицию изготовления мототранспортной техники, завод приступил к изготовлению и выпуску мини-мотороллера скутерного типа «Стриж» и мини-байка мотоциклетного типа с объемом двигателя 50 см3.

С самого начала нам было понятно, что быстро и на высоком уровне решить весь комплекс сложных проблем проектирования подобных конструкций можно только с помощью новейших компьютерных технологий. Однако имея в штате квалифицированных специалистов с богатым опытом «ручного» проектирования, мы серьезно рассматривали целесообразность применения новейших программных продуктов. Было ясно, что без современного инженерного анализа выпускаемого оборудования невозможно создать изделие, конкурентоспособное на рынке мототранспортных средств, который перенасыщен множеством предложений как отечественных, так и зарубежных компаний.

Понятно, что в этой ситуации нужно было совершить качественный прорыв как в плане проектирования выпускаемой продукции, так и в технологическом плане.

На российском рынке программных продуктов наше внимание привлек программный комплекс АРМ WinMachine, который во многом удовлетворял нашим потребностям. После демонстрации и пробной эксплуатации мы приобрели эту систему. НТЦ АПМ провел полноценное обучение наших сотрудников, что явилось мощным стимулом для внедрения программного обеспечения в производство.

Мы рассматривали и многие другие предложения зарубежных производителей (что касается отечественных программных продуктов, то в этом секторе рынка других предложений просто нет), но выбор осознанно был сделан в пользу отечественной системы АРМ WinMachine, главным образом благодаря ее функциональным возможностям. Еще одним немаловажным фактором явилась относительно низкая стоимость этого программного комплекса — она на порядок ниже, чем у продуктов западных производителей. Удобно, что у APM WinMachine русскоязычный интерфейс и имеется руководство пользователя на русском языке.

Наконец, для любого пользователя (и мы здесь не исключение), очень важно, чтобы разработчик в любой момент мог помочь консультацией, обучением и настройкой поставляемых решений под наши конкретные запросы. НТЦ АПМ готов предоставить подобные услуги. Время показало, что мы сделали правильный выбор.

Современный взгляд на проблему проектирования с использованием программного обеспечения НТЦ АПМ

Наш завод широко использует весь комплекс программ АРМ WinMachine при проектировании станков различных модификаций (деревообрабатывающих станков и фасовочных автоматов), а также мототранспортных средств.

Программный комплекс АРМ WinMachine успешно применяется для расчета, конструирования и оптимизации как отдельных элементов станков и мототехнических изделий, так и их конструкций в целом. Под составными частями станков понимаются детали привода вращательного и поступательного движения, корпусные детали, станины и составляющие их элементы. Очевидно, что все без исключения конструкции станков включают также различные виды передач, валов, осей, подшипников, соединений и пр.

Если рассматривать конструкции мототехнических средств, то все они содержат металлоконструкции, которые можно смоделировать набором стержневых, пластинчатых либо твердотельных элементов и их произвольных комбинаций. Все это многообразие деталей и узлов можно спроектировать в системе APM WinMachine.

Одним из главных факторов, позволяющих сегодня успешно использовать систему, является то, что и процесс подготовки к расчету, и собственно расчет интуитивно понятны и соответствуют нашим традиционным представлениям. Для того чтобы работать с этим пакетом программных продуктов, не нужно переучиваться и менять свои привычки. Следует отметить, что модули, входящие в состав системы АРМ WinMachine, имеют удобный интерфейс, что дает возможность быстро подготавливать и редактировать необходимую для выполнения расчета информацию.

Подробнее нам хотелось бы рассмотреть модуль расчета металлических конструкций АРМ Structure3D, который мы наиболее часто используем, особенно при проектировании мототранспортных средств.

В начало В начало

Модуль АРМ Structure3D

C помощью модуля АРМ Structure3D можно:

• cоздать любую по сложности модель рамы мотоцикла при жестком и шарнирном соединении элементов конструкции (в случае необходимости возможен вариант нецентрального соединения стержневых элементов конструкции);

• закрепить любую точку конструкции при произвольном характере такого соединения;

• нагрузить конструкцию произвольным набором силовых факторов, в том числе произвольной комбинацией сил и моментов. (Это позволило нам при расчете рамных конструкций рассматривать различные составляющие нагрузок, возникающие у транспортного средства при равномерном движении, при ускоренном движении, а также наезде на препятствие);

• задать графически либо численно произвольный по форме переменный режим внешнего нагружения;

• ввести силовые факторы в виде возможных перемещений произвольных точек.

С помощью АРМ Structure3D конструктор получает:

• карту распределения напряжений по длине и по сечению для произвольной точки конструкции — как эквивалентных, так и по отдельным компонентам;

• карту перемещений элементов конструкции — результирующую и покомпонентную;

• величины собственных частот и cобственные формы;

• карты изменения напряжений и перемещений в случае вынужденных колебаний конструкции.

Отметим, что решение задач напряженно-деформированного состояния выполняется методом конечных элементов, а разбивка на конечные элементы производится в автоматическом режиме с возможностью ручной корректировки.

Понятно, что задача прочностного анализа для мототранспортных средств является первостепенной, так как от прочности и долговечности этой техники зависит уверенность водителя, безопасность пассажиров и других участников дорожного движения. Иногда приходится слышать, что якобы решить подобные задачи можно и традиционным ручным методом, но как бы вас ни уверяли в обратном, без использования специальных расчетных программ сделать это невозможно.

С помощью вышеупомянутого модуля нами решены многие конструкторские задачи. Рассмотрим технологию проектирования в среде APM Structure 3D на примере мини-байка, показанного на рис. 1.

Расчетная модель рамы мини-байка изображена на рис. 2. Она представляет собой сварной трубчатый каркас с пластинчатыми усилителями. Такая модель называется пластинчато-стержневой. Ее довольно легко создать с помощью редактора модуля APM Structure3D.

В нижней части рулевой колонки и на конце маятника (задней вилки) в месте установки колес расположена жесткая опора (разрешено перемещение в опоре по ходу движения мини-байка и вращение вокруг оси колес). Шарнирная опора размещена в зоне оси маятника (разрешено вращение вокруг оси).

Нагрузка прикладывается в тех местах, где рама испытывает усилия в зоне центра тяжести от собственного веса мини-байка, а также в зоне размещения водителя от веса самого водителя. Вес мини-байка составляет 65 кг, грузоподъемность — 105 кг.

На рис. 3 показаны карта эквивалентных напряжений и деформаций и карта распределения напряжений по сечению, полученные методом конечных элементов. Кроме эквивалентных напряжений можно выводить аналогичные карты компонентов перемещений и напряжений, что в некоторых случаях оказывается достаточно удобно для анализа.

Одной из важных характеристик конструкции являются значения частот, при которых она впадает в резонанс, и собственные формы, определяющие поведение конструкции вблизи резонансной частоты. Такая характеристика рамы мини-байка приведена на рис. 4.

На базе легкового мини-байка (модель 2.605) был спроектирован его грузовой вариант (модель 2.405; рис. 5). Вес грузового мини-байка составляет 75 кг, грузоподъемность в зоне водителя — 105 кг, грузоподъемность багажника — 75 кг.

В качестве следующего примера приведем вариант оболочечной конструкции, которая является опорой для крепления фары. Ее напряженно-деформированное состояние показано на рис. 6.

Иными словами, мы внимательно рассмотрели различные варианты конструктивного исполнения всех деталей и узлов мини-байка, что позволило модернизировать и модифицировать первоначальный прототип.

В начало В начало

Заключение

Понятно, что любой расчет важен не сам по себе, а является инструментом для комплексного и всестороннего анализа проектируемого оборудования и принятия на его основе правильных конструкторских решений.

В связи с этим нами были рассмотрены десятки вариантов возможных конструктивных исполнений. Мы тщательно проанализировали их в плане статической прочности, выносливости, а также с позиции жесткости и динамических характеристик создаваемых конструкций. Можно с уверенностью утверждать, что принятые в ходе проектирования конструкторские решения являются лучшими со всех точек зрения, а выпускаемые транспортные средства близки к оптимальным по весу и по техническим характеристикам, включая долговечность и стоимость.

Были проанализированы и оптимизированы не только и не столько пространственно-рамные металлоконструкции производимых транспортных средств, но и размеры поперечных сечений профилей, из которых они изготовлены.

Проектируемые нами транспортные средства проходят всестороннюю проверку на полигонах, и по результатам полигонных испытаний делается вывод относительно пригодности изделий к эксплуатации. Конечно, такие испытания — очень дорогое удовольствие, особенно если предприятие не имеет своего полигона, а арендует его на время проведения подобных тестов. Использование системы APM WinMachine позволяет определить величины и характер распределения напряжений в любом сечении и сделать вывод относительно статической и усталостной прочности всех без исключения элементов конструкции и деталей. Имея такие данные, полигонные испытания можно не проводить вовсе либо свести их к минимуму.

Естественно, использование такой CAE-системы существенно снижает себестоимость проектно-конструкторских работ и повышает их качество. Как известно, целью любого производства является улучшение технических характеристик изделий при минимуме затрат. В связи с этим подчеркнем, что время, в течение которого окупается система, зависит от того, насколько интенсивно она применяется. На нашем предприятии система окупила себя в течение нескольких месяцев.

В заключение отметим и тот факт, что используемое нами программное обеспечение создано российскими разработчиками. Оно помогает реализовать в производстве последние достижения ученых в области математики, механики, конечно-элементного анализа и численных методов. Подобное ПО позволяет нашим специалистам создавать конструкции, не уступающие изделиям мировых лидеров в этом секторе рынка.

Хорошо, что есть такой продукт, как система APM WinMachine! Мы предполагаем широко использовать ее и впредь, и не только в части инженерного анализа, но и при выполнении графических работ.

В начало В начало

«САПР и графика» 11'2003