Проектирование и 3D моделирование в средах CATIA V5, ANSYS и Dymola 7.3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
И 3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ 
В СРЕДАХ CATIA V5, 
ANSYS И DYMOLA 7.3

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 
укрупненной группы специальностей 15.00.00 «Машиностроение»
(квалификация (степень) «бакалавр», «специалист»)

УДК 004(075.8)
ББК 32.973я73
 
П79

П79 
 
Проектирование и 3D-моделирование в средах CATIA V5, ANSYS 
и Dymola 7.3 : учебное пособие / И.И. Косенко, Л.В. Кузнецова, 
А.В. Николаев [и др.]. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 183 с. + Доп. 
материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/textbook_598c15b06911f4.08937416.

ISBN 978-5-16-012754-5 (print)
ISBN 978-5-16-106071-1 (online)

Рассмотрены задачи проектирования (трехмерного геометрического моделирования) деталей машин: валов, зубчатых колес, других элементов редукторов в CAD/CAM/CAE-системе CATIA V5 на основе твердотельного моделирования изделий сложной геометрической формы. Приведены методики 
прочностных расчетов в CAE-системе ANSYS и виртуального прототипирования. Анализируется технология объектно-ориентированного моделирования, 
реализованная в CAE-системе Dymola и основанная на применении языка 
Modelica.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Моделирование 
и исследование операций в организационно-технических системах», «Проектирование технических и технологических комплексов» и направлению подготовки «Машиностроение» (программа бакалавриата «Машины и технологии 
высокоэффективных процессов обработки»).

УДК 004(075.8)
ББК 32.973я73 

Р е ц е н з е н т ы:
С.Я. Степанов, доктор физико-математических наук, профессор;
В.Ж. Куклин, доктор технических наук, профессор

ISBN 978-5-16-012754-5 (print)
ISBN 978-5-16-106071-1 (online)

© Коллектив авторов, 2018
© CATIA®, торговая марка 
компании Dassault Systèmes AB
© Dymola®, торговая марка 
компании Dassault Systèmes AB
© Modelica®, торговая марка 
Ассоциации Modelica

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Авторский коллектив

Косенко Иван Иванович — доктор физико-математических наук, 
профессор Московского авиационного института (национального 
исследовательского университета).
Кузнецова Лариса Викторовна — кандидат технических наук, 
доцент, профессор кафедры «Технологическое обеспечение надежности изделий авиастроения» Московского авиационного института (национального исследовательского университета).
Николаев Анатолий Викторович — кандидат технических наук, 
доцент, доцент кафедры «Математическое моделирование технических систем» Ульяновского государственного университета.
Кузнецов Леонид Юрьевич — ведущий консультант SAP Portal 
отдела информационных технологий акционерного общества 
«Мерседес-Бенц РУС».
Олейник Андрей Владимирович — доктор технических наук, профессор, директор департамента общества с ограниченной ответственностью «СТАН».

Предисловие

Современные возможности вычислительной техники и программного обеспечения позволяют по-новому подойти к процессу 
проектирования изделий. Для роста конкурентоспособности продукции и эффективности производства необходимо внедрение 
сквозной информационной поддержки на всех стадиях жизненного 
цикла изделия. В полной мере данная концепция реализуется с помощью PDM-технологии (PDM — Product Data Management) — 
технологии управления всеми данными об изделии и информационными процессами, создающими и использующими эти данные. 
PDM-технология повышает эффективность процессов проектирования и изготовления изделия за счет доступности данных об изделии, которые представлены в электронном виде.
Повышение доступности данных об изделии происходит за счет 
интеграции всех данных об изделии в логически единую модель. 
В свою очередь, совокупность информационных процессов, управляемых PDM-системой, является электронным документооборотом — основой при построении единого информационного пространства для всех участников жизненного цикла изделия.
На начальном этапе проектирования изделия в среде единого 
информационного пространства требуется наполнение баз данных 
нормативно-техническим и справочным материалом, необходимым 
для расчета параметров изделия.
По расчетным параметрам в CAD-системе строится трехмерная 
модель изделия, работа с которой обеспечивает наглядность и гибкость при его проектировании. Затем 3D-модель изделия анализируется в CAE-системе, позволяя производить различные виды 
расчетов при заданных условиях (материал изделия, температура, 
величина нагрузки и пр.).
Технология виртуального прототипирования — создания адекватных виртуальных прототипов технических систем или технологических процессов, состоит в том, что 80–90% и более испытаний, 
требующихся при создании нового продукта, можно провести не на 
реальном образце, а на его виртуальном аналоге (прототипе), т.е. 
на компьютерной модели. По результатам анализа изделия вносятся 
необходимые изменения в его конструкцию или характеристики.
Далее по готовой трехмерной модели детали в CAM-системе 
разрабатываются технологический процесс ее изготовления 
и управляющая программа для станков с числовым программным 

управлением (ЧПУ). При этом время выполнения проектных работ 
и их стоимость сокращаются на порядок. Подобные технологии создания новых изделий активно используются компаниями ведущих 
мировых индустриальных центров.
Таким образом, использование PDM-технологии при проектировании изделия позволяет существенно снизить затраты на всех 
этапах жизненного цикла изделия и избежать ошибок и несоответствий при сборке изделия. Поэтому в данном учебном пособии рассмотрен этот подход — сквозного проектирования и изготовления 
механических конструкций в системе высокого уровня CATIA V5.
В главах 1, 2 и 3 учебного пособия на примере зубчатых передач 
редукторов приведены необходимые данные для первоначального 
проектирования и показаны основы построения 3D-моделей деталей редукторов и их сборки, что будет полезно для понимания 
основных принципов проектирования в системе CATIA V5.
Силовой расчет рассмотренных узлов дополняется конечно-элементным анализом и расчетом напряжений и деформаций, выполненным в CAE-системе ANSYS — «тяжелом» программном продукте, что показано в главе 4 учебного пособия.
В главах 5 и 6 приведены методы виртуального прототипирования в технологии объектно-ориентированного моделирования, 
реализованной в CAE-системе Dymola и основанной на применении языка Modelica.
Изучение и применение программных комплексов высокого 
уровня, таких как CATIA V5 от Dassault Systemes, позволяющей создавать трехмерные модели технических систем, которые затем рассчитываются и исследуются без создания натурных образцов, дает 
возможность вариативного проектирования прототипов технических 
систем моделирования их поведения в виртуальной динамической 
среде Dymola от Dynasim AB, ныне отделения Dassault Syste`mes.
Учебное пособие может быть использовано в учебном процессе 
в рамках курсов «Объектно-ориентированное моделирование», 
«Математическое моделирование», «Системы автоматизированного 
проектирования», «Конструирование», «Детали машин», «Компьютерная геометрия и графика», «Графическое моделирование», «Инженерная графика», «Технология машиностроения», «Проектирование технологических комплексов» и др.
Кроме того, материал можно использовать в специальных курсах 
для магистров и аспирантов, а также в курсах повышения квалификации в системе дополнительного профессионального образования, что обеспечит должный уровень проектирования изделий 
на производстве, станет основой для внедрения PDM-систем и од

новременно повысит качество учебного процесса в области технических и технологических дисциплин.
В результате изучения учебного пособия студент должен получить следующие компетенции:
знать
 
• основы автоматизированных расчетов в CAE-системе ANSYS;
 
• методику создания модели червячного вала и червячного колеса 
в среде системы трехмерного моделирования CATIA V5;
 
• возможности прочностных расчетов в системе ANSYS;
 
• основные возможности языка объектно-ориентированного моделирования Modelica;
 
• основные возможности среды визуального моделирования динамических процессов на языке Modelica;
уметь
 
• выбирать подшипники и конструктивные элементы при проектировании узлов машиностроительных конструкций;
 
• создавать параметрические модели цилиндрического прямозубого зацепления и параметрические модели цилиндрической 
косозубой передачи в CAD-системе CATIA V5;
 
• создавать 3D-сборки в системе CATIA V5;
 
• моделировать червячные передачи;
 
• создавать простейшие динамические модели на языке Modelica;
 
• строить компьютерные модели динамических процессов в среде 
Dymola;
владеть
 
• навыками традиционных «ручных» расчетов валов;
 
• навыками 3D-моделирования тел вращения в системе CATIA V5;
 
• основами трехмерного моделирования;
 
• методикой расчета червячных передач в системе ANSYS;
 
• приемами разработки моделей динамики типичных механических систем на языке Modelica;
 
• методиками разработки динамических моделей в среде Dymola.

Глава 1. 

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ 
В УСЛОВИЯХ PDM-СИСТЕМ 
НА ПРИМЕРЕ ВАЛОВ И ОСЕЙ

1.1. ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
В УСЛОВИЯХ PDM-СИСТЕМ

Оперативный доступ к данным об изделии обеспечивается 
интеграцией всех данных об изделии в логически единую модель. В свою очередь совокупность информационных процессов, 
управляемых PDM-системой, является электронным документооборотом — основой построения единого информационного пространства для всех участников жизненного цикла изделия.
На начальном этапе проектирования изделия единое информационное пространство (в части баз данных) наполняется нормативно-техническим и справочным материалом, на основе которого 
осуществляется автоматизированный расчет параметров изделия. 
По расчетным параметрам в CAD-системе строится трехмерная 
модель изделия, работа с которой обеспечивает наглядность и гибкость при его проектировании. Готовая модель изделия анализируется в CAE-системе, которая позволяет производить различные 
виды расчетов при заданных условиях (материал изделия, температура, нагрузка и пр.). По результатам анализа изделия вносятся 
необходимые изменения в его конструкцию или характеристики. 
Далее по готовой модели в CAM-системе создается управляющая 
программа для изготовления деталей на станках с ЧПУ.
Таким образом, использование сквозного безбумажного 
принципа проектирования изделия позволяет существенно снизить затраты на всех этапах жизненного цикла изделия и избежать 
ошибок и несоответствий при изготовлении, сборке и дальнейшей 
эксплуатации изделия, обеспечивая тем самым повышение качества продукции при одновременном сокращении сроков выхода 
изделия на рынок.
Иллюстрацией данного принципа проектирования механических конструкций является рассматриваемый в последующих 
параграфах подход к созданию 3D-моделей валов, шестерен, червячных передач в системе высокого уровня CATIA V5.
Для создания 3D-моделей валов необходим их предварительный 
«ручной» расчет с использованием данных нормативной и спра

вочной документации, процесс поиска и выбора которых требует 
значительных практических навыков. Поэтому для оптимизации 
учебного процесса, в отсутствие соответствующих баз данных 
PDM-системы, ниже приведены основные понятия конструирования и справочные данные, необходимые для создания указанных 
деталей [6–8].

1.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВАЛОВ И ОСЕЙ

Валом называется деталь гладкой или ступенчатой цилиндрической формы, предназначенная для передачи вращающего момента 
посредством установленных на нем шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т.д. При работе вал испытывает нагрузки на изгиб 
и кручение, а в отдельных случаях также деформацию растяжения 
(сжатия).
Осью называется деталь, предназначенная только для установки 
на ней других деталей. В отличие от вала ось не передает вращающего момента, поэтому испытывает нагрузки только на изгиб. В сборочных единицах оси могут быть неподвижно закрепленными или 
вращающимися вместе с сидящими на них деталями (подвижные 
оси). Оси предназначены для соединений в механизмах общего назначения. Их изготовляют гладкими и с буртиком. Допускается изготовление осей с углублением на торце или сквозным отверстием, 
концентричным наружной цилиндрической поверхности.
По типу сечения различаются сплошные валы, полые (облегченные) валы, обычно кольцевого сечения, составные валы из нескольких частей, жестко соединяемых между собой.
Форма вала (или оси) определяется его напряженностью при 
принятых габаритах, положением и способом крепления сопрягаемых деталей, способом регулировки его положения, посадками, 
типом и размерами подшипников, а также условиями обработки 
и сборки. Форма вала должна быть согласована с указанными факторами, из которых часть выбирается в процессе конструирования, 
а часть задана заранее.
Сильно нагруженные валы ответственных машин изготовляются 
обычно фасонными и часто полыми с целью уменьшения массы 
и габаритов.
Вал, рассчитанный с учетом действующих на него моментов так, 
что сечения его равнопрочны, имеет форму, близкую к форме тела 
равного сопротивления. Сопряжения между отдельными участками 
вала выполняются плавными в виде галтелей возможно больших 
радиусов или в виде конических переходов. Такой вал изображен 

на рис. 1.1. Штриховой линией отмечена форма тела равного сопротивления.

Q

T
P

Рис. 1.1. Вал

Пустотелые валы и оси выгодны в плане использования материала. Пустотелые валы вследствие их малой массы и относительно 
большого момента сопротивления особенно пригодны для передач 
с большими расстояниями между отдельными опорами. Пустотелые валы применяют в тех случаях, когда они получают усилия 
от проходящего сквозь них сплошного вала.
Переходные участки (галтели) между ступенями валов и осей 
выполняются для снижения концентрации напряжений и увеличения долговечности.
На рис. 1.2 представлены конструктивные разновидности переходных участков между ступенями валов и осей: канавка для выхода 
шлифовального круга (см. рис. 1.2, а), выполняемая при необходимости упора сопрягаемой детали в торец большего диаметра шейки 
вала; галтель постоянного радиуса (см. рис. 1.2, б); галтель переменного радиуса (см. рис. 1.2, в).
Торцы валов и осей выполняются с фасками (рис. 1.2, г).

а
б
в
г

Рис. 1.2. Конструктивные разновидности переходных участков 
между ступенями валов

Для осевого фиксирования вала и деталей на валу используются 
уступы самого вала (рис. 1.3, а), заплечики (рис. 1.3, б), конические 
участки вала (рис 1.3, в) и стопорные кольца (рис. 1.3, г).
Заплечики, составляющие одно целое с валом (см. рис. 1.3, б), 
применяются там, где они не мешают сборке цельных деталей 
(зубчатых колес, шкивов). Однако они дороги, так как приходится 

стачивать много материала или высаживать их. При больших продольных усилиях на гладкие валы заплечики выполняются отдельно 
в форме втулки, которая надевается в горячем состоянии на вал 
и при остывании плотно фиксируется, а при средних продольных 
усилиях заплечики следует заменять стопорными кольцами.
Концы валов, предназначенные для передачи крутящего момента, могут быть цилиндрические и конические. Для цилиндрических концов валов используют шпонки сегментные (ГОСТ 24071–
80) для вала диаметром d до 14 мм; призматические обыкновенные 
(ГОСТ 23360–78) для вала диаметром d свыше 12 мм; а также тангенциальные нормальные (ГОСТ 24069–97).

а

в

б

г

Рис. 1.3. Осевое фиксирование деталей на валу

Для конических концов валов используются шпонки призматические обыкновенные (ГОСТ 23360–78) для вала диаметром d до 30 мм; 
призматические высокие (ГОСТ 10748–79) и тангенциальные усиленные (ГОСТ 24070–80) для вала диаметром свыше 30 мм.
На предел усталости вала влияют конфигурация вала и сопрягаемых с ним деталей, способы их крепления и усилия натяга. Давление на вал в результате натяга от сидящей на валу детали снижает предел усталости. Неблагоприятно влияет на прочность вала 
резкое возрастание давлений, поэтому целесообразны такие формы 
деталей, при которых удельные давления нарастают постепенно.

1.3. МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА ВАЛОВ И ОСЕЙ

Для изготовления валов и осей применяются разнообразные 
марки углеродистых и легированных сталей [1]. Характеристики 
основных из них приведены в табл. 1.1.