CAE инженерные расчеты

Глава 8. CAE инженерные расчеты САЕ (англ. Computer-Aided Engineering) – это разнообразные программные продукты, обеспечивающие выполнение инженерных расчетов и физически подобной симуляции функционирования проектируемых изделий, проверки их работоспособности, прогнозирования длительности жизненного цикла, определения рабочих характеристик на этапе проектирования до изготовления опытных образцов и их испытаний, оптимизации этих характеристик. Расчетная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений: методе конечных элементов, конечных объемов, конечных разностей и т. д. Это обусловлено тем, что расчетные системы, построенные на основе численных методов, в отличие от аналитических, практически не зависят от геометрической конфигурации анализируемого изделия. Отдельно стоит выделить системы симуляции и моделирования сложных технологических процессов, таких как литье металлов и пластмасс, штамповка, химическое фрезерование и т. д. Особенностью подобных расчетов является совместное решение задач, описывающих различные физические процессы – гидродинамические течения, отверждение, теплоперенос, химические реакции полимеризации и прочее. Метод конечных элементов Метод конечных элементов (МКЭ, Finite Elements Method, FEM) – наиболее распространенный численный метод решения задач прикладной механики, в первую очередь прочностных расчетов, механики деформируемого твердого тела, теплообмена. Суть метода заключается в том, что расчетная область разбивается на плоские или объемные, в зависимости от решаемой задачи, подобласти с элементарной геометрией (чаще всего методом триангуляции), для которых записаны простейшие системы дифференциальных уравнений. Каждая такая подобласть является конечным элементом, имеющим свой порядковый номер. Общие вершины конечных элементов называются узлами, которые также нумеруются. Кинематические граничные условия задаются в узлах на границе. Нагрузки на границе заменяются сосредоточенными силами в узлах, связь конечных элементов между собой осуществляется также в узлах. Процесс вычисления сводится к решению полученной системы элементарных дифференциальных уравнений. Рис. 8.1. Схема перехода от твердотельной модели к расчетной сетке Существенным достоинством расчетных систем перед проверочными натурными испытаниями является возможность определения элементов не только с недостаточной прочностью, но и с избыточной. Это позволяет оптимизировать геометрию деталей с целью снижения их массы, что особенно критично, например, в авиакосмической отрасли, двигателестроении. Расчетные системы позволяют «заглянуть» внутрь детали, что практически невозможно при натурных прочностных испытаниях, получить исчерпывающую картину распределения любых параметров: деформаций, напряжений, температурных полей и т. д. Рис. 8.2. Анализ напряженно_деформированного состояния детали в системе ANSYS, интегрированной в CATIA Моделирование кинематики Пространственные механизмы являются важной составляющей современной техники и производственных технологий, например шасси самолетов и автомобилей, механизация крыла и механизмы управления самолетов, промышленные роботы-манипуляторы последовательной и параллельной структуры, стрелковое оружие, бытовая техника и т. д. Так как конструирование сложных механизмов осуществляется с использованием MCAD-систем, то логичным стало использование полученных геометрических моделей для моделирования и анализа их движения. Инженерные системы моделирования кинематики обеспечивают возможность решения как прямых, так и обратных задач. Прямая задача заключается в том, чтобы по известным усилиям и другим характеристикам приводов (пневмо- и гидроцилиндров, электродвигателей и т. п.) определить скорости и траектории движения всех элементов, составляющих механизм. При решении обратной (часто употребляется термин инверсная) задачи – напротив: по известной или заданной траектории и скорости перемещения одного из звеньев (как правило, конечного) требуется определить траектории остальных звеньев, силы, действующие на них, и, соответственно, требуемые силовые и скоростные характеристики приводов. Рис. 8.3. Решение обратной задачи кинематики в КОМПАС 3D Еще одной важной задачей, решаемой в кинематических расчетных системах, является определение работоспособности механизмов: отсутствие заклиниваний, предупреждение нежелательных касаний и столкновений элементов механизма, вписывание механизма в заданные габариты. И наконец, моделирование кинематики обеспечивает решение задач не только анализа механизмов, но и их синтеза. По заданной траектории и циклограмме работы механизма можно рассчитать форму кулачков, направляющих, требуемые размеры звеньев рычажных механизмов, параметры зубчатых колес и т. п. Рис. 8.4. Построение геометрии кулачка по заданной траектории в COSMOS Motion Аэрогидродинамические расчеты Вычислительная гидрогазодинамика (CFD, Computational Fluid Dynamics) широко применяется как в традиционных для нее отраслях: авиации, судостроении, проектировании автомобилей, – так и при создании бытовой техники, полиграфического и медицинского оборудования и т. п. Рис. 8.7. Расчет течения в вихревом насосе Глава 9. CAM. Производство с помощью компьютера (Computer-Aided Manufacturing, CAM) – термин, используемый для обозначения программного обеспечения, основной целью которого является создание программ для управления станками с ЧПУ (англ. CNC – Computer Numerical Control). Числовое программное управление, или ЧПУ, означает компьютеризованную систему управления, считывающую инструкции специализированного языка программирования и управляющую приводами металло-, дерево- и пластмассобрабатывающих станков и станочной оснасткой. Аббревиатура ЧПУ соответствует двум англоязычным – NC (numeric control) и CNC (computer numeric control), отражающим эволюцию развития систем управления оборудованием. Системы типа NC, появившиеся в конце 40-х годов XX века, предусматривали использование жестко заданных схем управления обработкой, задание программы с помощью штекеров или переключателей, хранение программ на внешних носителях, таких как магнитные ленты, перфорированные бумажные ленты. Каких-либо устройств оперативного хранения данных, управляющих микропроцессоров не предусматривалось. Системы ЧПУ, описываемые как CNC, основаны на микропроцессоре с оперативной памятью, с операционной системой, приводы управляются собственными микроконтроллерами. G-код Основной язык программирования ЧПУ, G-код, описан документом ISO 6983 Международного комитета по стандартам. G-код был создан компанией Electronic Industries Alliance в начале 19608х. Программа, написанная с использованием G-кода, имеет жесткую структуру. Все команды управления объединяются в кадры – группы, состоящие из одной или более команд. Кадр завершается символом перевода строки (ПС/LF) и имеет номер. CAM-системы Написание и отладка программ непосредственно на G-коде для деталей сложной формы являются весьма трудоемким процессом, поэтому этот процесс автоматизирован путем создания CAM-систем. Входными данными системы CAM является геометрическая модель изделия, разработанная в системе автоматизированного проектирования (CAD). В процессе интерактивной работы с трехмерной моделью в CAM-системе инженер определяет траектории и скорость движения режущего инструмента по заготовке изделия (CL-данные, англ. cutting location), которые затем автоматически верифицируются, визуализируются (для визуальной проверки корректности) и обрабатываются постпроцессором для получения программы управления конкретным станком в виде G-кода. САМ-системы позволяют «поднять» программирование для станков с ЧПУ на более высокий уровень по сравнению с рутинным ручным программированием. Обобщая, можно сказать, что САМ-системы облегчают труд технолога-программиста в трех главных направлениях: они избавляют технолога-программиста от необходимости делать математические вычисления вручную; позволяют создавать на одном базовом языке управляющие программы для различного оборудования с ЧПУ; наконец, они обеспечивают технолога типовыми функциями, автоматизирующими ту или иную обработку. Виды обработки В практике ЧПУ принято классифицировать виды обработки по количеству степеней свободы инструмента: 2D, 2.5D, 3D и 5D, – а также по типу обработки: токарная, фрезерная, электроэрозионная и т. п. Рис. 9.2. Карта 2D-траекторий для раскроя листового материала на станке с ЧПУ Наиболее простыми являются станки с ЧПУ, которые используют для обработки только две координаты: токарные, эрозионные проволочные, газовой и плазменной резки, даже существуют фрезерные станки, управляемые только по координатам X и Y. Эти станки выполняют 2D-обработку. Особым случаем токарной обработки является токарно-фрезерная, когда вместо жесткого резца на токарном станке используется вращающаяся фреза. В случае токарно-фрезерной обработки CAM-система отображает на экране траекторию, развернутую в пространстве таким образом, как если бы не деталь позиционировалась определенным образом при неподвижном инструменте, а, наоборот, фреза или сверло вращались вокруг зафиксированной детали. Рис. 9.3. Симуляция токарно-фрезерной обработки Особо стоит оговорить станки для 2.5D-обработки. Станки этой группы могут перемещать инструмент только по двум координатам одновременно. К примеру, могут выполнить обработку сложного контура в плоскости XY, но чтобы переместить инструмент по Z, необходимо полностью остановиться по другим координатам. Популярность этого подхода вызвана тем, что около половины управляющих программ основного производства выполняются в стиле 2.5D-обработки. Рис. 9.4. Фрезерная обработка в режиме 2.5D Наиболее популярны в настоящее время фрезерные станки, выполняющие полноценную 3D-обработку. Эти станки могут перемещать инструмент по трем координатам одновременно. Рис. 9.5. Фрезерная обработка в режиме 3D Станки с возможностью пятикоординатной обработки могут управлять не только линейными координатами инструмента XYZ, но также и его наклоном, таким образом, появляются еще две степени свободы. Подобные станки дают возможность точно обрабатывать сложные криволинейные поверхности. Пятикоординатные станки, в свою очередь, делятся по типу обработки на позиционные и непрерывные. В позиционной схеме обработки, которую еще называют 3+2D, повороты инструмента выполняются вне процесса резания. Это как бы набор трехосевых траекторий, выполняемых для разного положения оси инструмента. В этом случае жесткость технологической системы существенно выше, а управляющие программы проще. Рис. 9.6. Позиционная 3D+2D-фрезерная обработка В пятикоординатных системах непрерывного типа изменение наклона инструмента производится непосредственно в процессе обработки. Рис. 9.7. Пятикоординатная фрезерная обработка сложной криволинейной поверхности Глава 10. CAPP – технологическая подготовка Автоматизированная технологическая подготовка производства (англ. Computer Aided Process Planning, CAPP) используется для обозначения программных инструментов, применяемых на стыке систем автоматизированного проектирования (см. главу CAD) и производства (см. главу CAM). Различают два подхода к автоматизированной технологической подготовке – модифицированный (вариантный) и генеративный. При модифицированном подходе задача CAPP-системы состоит в поиске наиболее похожего изделия в существующей базе данных и предъявлении его операционной карты для модификации. При модифицированном подходе широко применяется групповая технология, позволяющая проводить классификации деталей в семейства похожих. Рис. 10.1. Классификатор типовых деталей Генеративный подход состоит в распознавании у детали типовых конструктивных элементов и применении к ним типовых техпроцессов (токарная обработка, сверление и прочее). При генеративном подходе используются известные методы искусственного интеллекта для распознавания элементов и логического вывода. Рис. 10.2. Классификатор оборудования Функциональные возможности CAPP-систем • управление хранением данных и документов: авторизация доступа, поиск информации, целостность данных, архивирование, резервное копирование, восстановление данных; • управление процессами: управление работой, протоколирование работы; • управление структурой изделия: технологический состав изделия, исполнения; • интерактивное проектирование технологических процессов (ТП); • основные режимы: применение ТП, интерактивное заполнение ТП с использованием БД8ресурсов и контекстных закладок, копирование ТП из других проектов; • автоматизированное проектирование техпроцессов на основе знаний структурно-параметрического синтеза; • виды технологических процессов: обобщенный ТП, механообработка, сборка, холодная штамповка, ковка и горячая штамповка, литье, термическая обработка, нанесение покрытий, сварка, пайка, изготовление деталей из пластмасс и резины и т. д.; • автоматизированное проектирование операций; • управление производственными и технологическими ресурсами; • формирование сводных ведомостей и спецификаций; печать сформированных документов.