Моделирование и виртуальное прототипирование

         МОДЕЛИРОВАНИЕ

И ВИРТУАЛЬНОЕ ПРОТОТИПИРОВАНИЕ

























Серия «Технологический сервис» основана в 2010 г.
  

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СЕРВИС             




             Моделирование и виртуальное прототипирование

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской
Федерации по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений Российской Федерации, 
обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста
27.05.01 «Специальные организационно технические системы» и специальности
230301 «Моделирование и исследование операций в организационно-технических системах»



         МОСКВА ° 2016
       АЛЬФА-М ° ИНФРА-М

   ФЗ     Издание не подлежит маркировке   
Ns 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

УДК 004.925.8(075)
ББК 32.973.2
      М74
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор С.Я. Степанов, доктор технических наук, профессор В.Ж. Куклин
Авторы:
И.И. Косенко, Л.В. Кузнецова, А.В. Николаев, Л.Ю. Кузнецов, А.В. Олейник
М74 Моделирование и виртуальное прототипирование : учебное пособие / И.И. Косенко [и др.]. - М.: Альфа-М : ИнФрА-М, 2016.-176c.- (Технологическийсервис). - (Магистратура).
           ISBN 978-5-98281-280-3 (Альфа-М)
           ISBN 978-5-16-005167-3 (ИНФРА-М, print)
           ISBN 978-5-16-104900-6 (ИНФРА-М, online)
           Рассмотрены задачи проектирования (трехмерного геометрического моделирования) деталей машин: валов, зубчатых колес, других элементов редукторов. Приведены методики виртуального прототипирования в CAD/ CAM/CAE-системе CATIA V5 на основе твердотельного моделирования изделий сложной геометрической формы. Анализируется технология объектно-ориентированного моделирования, реализованная в CAE-системе Dymola и основанная на применении языка Modelica.
           Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 27.05.01 «Специальные организационно-технические системы» и специальности 230301 «Моделирование и исследование операций в организационно-технических системах».
УДК 004.925.8(075)
ББК 32.973.2
           Подписано в печать 25.04.2016. Формат 60x90/16. Бумага офсетная
Печать цифровая. Усл. печ. л. 11,0. ППТ20. Заказ № 00000
ТК 171900-555214-171011
     Издательский Дом «Альфа-М»; адрес: 127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел./факс: (495) 280-1596 (доб. 238); е-mail: alfafaktor@infra-m.ru
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
     Адрес: 127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1; тел.: (495) 280-1596, 280-3386.
Факс: (495) 280-3629; e-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru
По вопросам приобретения книг обращайтесь:
• Отдел продаж «ИНФРА-М». 127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1;
           тел.: (495) 280-1596; факс: (495) 280-3629; e-mail: books@infra-m.ru
• Отдел «Книга-почтой», тел.: (495)280-1596 (доб. 246)
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
      Электронно-


     znanium.com

ISBN 978-5-98281-280-3 (Альфа-М)
ISBN 978-5-16-005167-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104900-6 (ИНФРА-М, online)

© Альфа-М: ИНФРА-М, 2015

              ВЕДЕНИЕ




              В промышленности и системе образования широко используются средства моделирования технических систем. Построение моделей таких систем особенно трудно ввиду их сложности, имеющей многоплановую природу. Особую проблему представляет гетерогенная природа физических законов, используемых в различных технических системах. При моделировании конкретного аппарата можно столкнуться одновременно с механическими, электротехническими, электронными, гидравлическими, пневматическими, тепловыми, химическими процессами, процессами управления, системами массового обслуживания.
   Гетерогенная, или скорее «мультифизическая», природа присуща, например, задачам оценки времени жизни машин, их узлов и агрегатов. Здесь помимо сложных механических процессов нагружения и деформирования следует рассматривать модели процессов преобразования энергии в тепловую форму и ее передачи, инициированные этими процессами химические взаимодействия на поверхности материалов и в приповерхностном слое, кинетические модели накопления микроповреждений. Эти явления можно описать при помощи систем дифференциально-алгебраических уравнений различного уровня сложности, представляющих механическую, топохимическую и трибомеханическую эволюцию в рамках единой модели.
   В то же время в процессе активной унификации понятийного аппарата и инструментальных средств значительный прогресс наметился в направлении построения и применения языка объектно-ориентированного моделирования Modelica (http://www.mo-delica.org). Основу соответствующего подхода составляет метод предварительного анализа абстракций, максимально адекватно описывающих предметную область. Впроцессе реализации системы моделирования из этих абстракций на этапе проектирования возникают классы, обеспечивающие последующее компонентное построение конкретной модели.
   К области приложений языка Modelica относится широкий спектр задач из сферы производства и обслуживания автомобиль

Введение

ного, железнодорожного, авиационного транспорта; химического, сельскохозяйственного производства; муниципального хозяйства; экологии; производства и передачи электроэнергии; систем аналогового и дискетного управления техническими объектами и технологическими процессами и задачи многих других видов деятельности, где в той или иной форме можно создать описание процессов в виде динамических моделей высокой степени сложности.
   Одной из главных задач здесь является технология виртуального прототипирования — создания адекватных виртуальных прототипов технических систем или технологических процессов, инновационная сущность которого состоит в том, что оно позволяет 80—90 % и более испытаний, требующихся при создании нового продукта, провести не на реальном образце, а на его виртуальном аналоге (прототипе), т.е. на компьютерной модели. При этом время выполнения проектных работ и их стоимость сокращаются на порядок. Подобные технологии создания новых изделий активно используются компаниями ведущих мировых индустриальных центров.
   Виртуальное прототипирование применяется на всех этапах жизненного цикла изделия — анализа, проектирования, разработки, производства, эксплуатации и утилизации. Например, в системах управления жизненным циклом — PLM-системах — можно использовать виртуальные прототипы во время эксплуатации изделия для обеспечения оптимальных режимов его работы, диагностики и др. При этом весьма актуальна задача построения интегрированных компьютерных моделей, обеспечивающих реализацию новых методов оценки процессов старения в изделиях для более точного прогнозирования времени жизни машин, их узлов и агрегатов. Это соответствует функциональным возможностям современных универсальных средств компьютерного моделирования технических систем. Данные средства чаще всего основываются на единых математических формализмах представления динамики, получивших значительное развитие в конце XX в., например теории бондграфов, которая позволяет обеспечить унифицированное представление динамической модели технической системы при помощи графов перетоков энергии между ее подсистемами. Такое программное обеспечение обычно имеет визуальный интерфейс, реализующий создание моделей достаточно высокой структурной сложности.
   Применение технологий виртуального прототипирования на примерах разработок производителей программных продуктов

Введение

7

обеспечит должный уровень научных изысканий и одновременно повысит качество учебного процесса в области технических и технологических дисциплин. Изучение и применение программных комплексов высокого уровня, таких, как CAD/CAE/CAM/PLM-система CATIA от Dassault Systemes, позволяет создавать трехмерные solid-модели технических систем, которые затем рассчитываются и исследуются без создания натурных образцов. Появляется возможность вариативного проектирования прототипов технических систем моделирования их поведения в виртуальной динамической лаборатории Dymola от Dynasim AB, ныне отделения Dassault Systemes.
   Содержание учебного пособия построено на рассмотрении нескольких примеров, которые могут быть использованы 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» 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.
   В учебном пособии рассмотрены задачи проектирования (трехмерного геометрического моделирования) деталей машин. Приведены методы виртуального прототипирования в системе CATIA V5 на основе твердотельного моделирования изделий сложной геометрической формы на примере зубчатых передач редукторов и метод использования виртуального прототипирования в системе CATIA V5 в процессе конструкторско-технологической подготовки производства червячных передач.
   Примеры построения геометрии выполнены с использованием CAD/CAM/CAE-системы CATIA V5. Анализ примеров будет полезен для понимания принципов работы «геометрии» CATIA при проектировании трехмерных моделей узлов и деталей машин. Силовой расчет рассмотренных узлов дополняется конечно-элементным анализом и расчетом напряжений и деформаций, выполненным при помощи ANSYS — «тяжелого» программного продукта. Последние две главы посвящены технологии объектно-ориентированного моделирования, реализованной в CAE-системе Dymola и основанной на применении языка Modelica.

        ГЛАВА 1 ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
         В ЕДИНОМ ИНФОРМАЦИОННОМ ПРОСТРАНСТВЕ НА ПРИМЕРЕ ВАЛОВ И ОСЕЙ




        1.1. Общие сведения о валах и осях

              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 создание автоматизированной системы расчета 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 проч.). 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.
   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., и для передачи вращающего момента. При работе вал испытывает нагрузки на изгиб и круче

1.2. Конструктивные особенности валов

9

ние, 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.



              1.2. Конструктивные особенности валов


               Форма вала (или оси) определяется его напряженностью при принятых габаритах, положением и способом крепления деталей, с ним связанных, способом регулировки его положения, посадками, типом и размерами подшипников и 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.

Рис. 1.1. Вал

Глава 1. Основы конструирования на примере валов и осей

   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 и 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 со скруглением для выхода шлифовального круга (рис. 1.2, а); галтель постоянного радиуса (рис. 1.2, б); галтель переменного радиуса (рис. 1.2, в). Торцы валов и осей выполняются с фасками (рис. 1.2, г). Для осевого фиксирования вала и деталей на валу используются уступы самого вала (рис. 1.3, а), заплечики (рис. 1.3, б),

Рис. 1.2. Конструктивные разновидности переходных участков между ступенями валов

   Заплечики, составляющие одно целое с валом, 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 надеваются в горячем состоянии, апри 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; тангенциальные нормальные (ГОСТ 24069—80).