ГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Инженерные расчеты и подготовка производства А.И. Сергеев

Вопросы 1 CAE – системы инженерных расчетов 2 CAM – подготовка управляющих программ

САЕ (англ. Computer-Aided Engineering) - это 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. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Наряду с расчетом конструкций компьютерное моделирование и симуляция могут использоваться и для оптимизации проектов. Оптимизацию можно проводить для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических переходных процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. Все это делается одновременно, путем вариации параметров формы, размеров и других свойств проектируемого изделия. Эффективные алгоритмы оптимизации обрабатывают любое количество проектных параметров и ограничений. Вес, напряжения, перемещения, собственные частоты и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (в этом случае их можно минимизировать или максимизировать), либо в качестве ограничений. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения. Кроме того, компьютерное моделирование применяется для планирования экспериментов (определение мест расположения датчиков) и оценки полноты полученных экспериментальных данных. Таким образом, численное моделирование задач прочности существенно экономит время, ресурсы, позволяет сократить объемы натурных испытаний, а также более тщательно оптимизировать конструкции. 1 CAE – системы инженерных расчетов

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, 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. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Современные системы автоматизации инженерных расчетов, как правило, применяются совместно с CAD-системами, зачастую просто интегрированы в них. Таким образом, инженер может оперативно провести проверочные расчеты непосредственно в процессе создания конструкции и при необходимости изменить ее так, чтобы удовлетворить требованиям работоспособности. 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. 1 CAE – системы инженерных расчетов

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. Что немаловажно - расчет может быть произведен не только для статического нагружения, но и в динамике, в сопряжении с кинематическим расчетом. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Моделирование кинематики Пространственные механизмы являются важной составляющей современной механики 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. Проектирование кинематики отличается высокой геометрической сложностью и в существенной степени определяет качество конечного продукта, стоимость изготовления и эксплуатации. 1 CAE – системы инженерных расчетов

В е годы, в период активного развития рабочих станций и их применения для проектирования изделий машиностроения, появились первые системы для динамического и кинематического анализа пространственных механизмов, такие как ADAMS, ANSYS Mechanical, COSMOS Motion и др. К настоящему времени эти системы получили признание специалистов и вошли в повседневную практику работы сотен тысяч инженеров. 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 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. 1 CAE – системы инженерных расчетов

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. Результаты таких вычислений могут быть использованы как эскизы для построения твердотельных моделей деталей с наперед заданной точностью. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Параллельная кинематика оборудования

Аэрогидродинамические расчеты Вычислительная гидрогазодпнамика (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. д. Расчеты осуществляются с изпользованием численных методов и алгоритмов для решения и анализа задач течений жидкостей и газов, как правило, состоящих в решении уравнений Навье-Стокса методами конечных объемов, конечных элементов, конечных разностей и др. Современные программные комплексы для моделирования течений в жидкости и газах позволяют рассчитывать широкий диапазон течений по числу Маха, многофазные и многокомпонентные течения, течения в несжимаемых жидкостях. 1 CAE – системы инженерных расчетов

В ряде случаев даже наличие геометрической симметрии в модели не позволяет рассматривать половину модели ввиду несимметричности течения. Это приводит к серьезному увеличению размерности и увеличению времени счета. Характерные размерности для задач внешнего обтекания могут быть до 50 млн. элементов и более, в зависимости от детализироваииости геометрии и примененных расчетных моделей. Первоначально вычислительная гидроаэродииамика использовалась применительно к задачам проектирования авиационной, космической техники и судостроения. С развитием программных средств и повышением производительности настольных ПК она находит все более широкое применение и в других отраслях. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Некоторые, ставшие привычными продукты было бы очень трудно спроектировать без ее использования, например струйные принтеры. Использование CFD при проектировании струйных принтеров оправдано и дает ряд преимуществ для изучения того, как форма, размер и скорость испускаемой капли зависят от таких параметров, как импульс управляющего давления, форма форсунки, коэффициент поверхностного натяжения, и многое другое. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Другим примером использования CFD для создания бытовых продуктов можно назвать моделирование течений в водопроводных и канализационных системах. Одним из сложных для расчета объектов является обычный унитаз. Вычислительная аэродинамика сегодня широко используется для проектирования систем вентиляции электроаппаратуры и помещений, оценки нагрузок на жилые и промышленные здания, мосты, гидротехнические сооружения и др.

Электростатика и электродинамика В связи с массовым внедрением электронных устройств в состав практически любых изделий машиностроения, от сложной авиационной техники до бытовых приборов, задача моделирования электромагнитных полей, создаваемых этими устройствами, их взаимодействия между собой и влияния на окружающую среду стала как никогда актуальной. Поэтому большинство поставщиков интегрированных САЕ-систем предлагают специализированные модули для ЗD-моделирования работы электромагнитных и электромеханических изделий в низкочастотном приближении. Расчеты проводятся, как правило, методом конечных элементов, позволяющим решать уравнения прямым методом без каких-либо упрощений и предположений. Модули рассчитывают электрические и магнитные поля, моменты и силы, энергетические потери на вихревые токи, значения токов, напряжений, проводимостей, емкостей, индуктивностей в проектируемых электротехнических изделиях, расчет импульсных электромагнитных полей, возникающих в электрических устройствах при скачках напряжений и токов. 1 CAE – системы инженерных расчетов

Производство с помощью компьютера (Computer-Aided Manufacturing, САМ) -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. Интерпретатор системы ЧПУ производит перевод программы из входного языка в команды управления главным приводом, приводами подач, контроллерами управления узлов станка (включить/выключить охлаждение, например). Для определения необходимой траектории движения рабочего органа в целом (инструмента/заготовки) в соответвии с управляющей программой (УП) используется интерполятор, рассчитывающий положение промежуточных точек траектории по заданным в программе конечным. 2 CAM – подготовка управляющих программ

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. Первый станок с ЧПУ был создан в 1954 году в Массачусетсом технологическом институте. Программа для оборудования с ЧПУ может быть загружена с внешних носителей, например дискет или флэш-накопителей. Помимо этого, современное оборудование подключается к заводским сетям связи, в этом случае используется термин распределенное числовое программное управление (DNC, Distributed Numerical Control). 2 CAM – подготовка управляющих программ

Обработка с использованием ЧПУ увеличивает производительность и аккуратность операций, гарантирует постоянный уровень качества, который в большинстве случаев намного превышает качество традиционной ручной обработки. Многие заказы, от которых ранее приходилось отказываться, сейчас можно выполнять с легкостью и без больших усилий, что между тем считается эксклюзивным и составляет категорию наибольшей прибыли. 2 CAM – подготовка управляющих программ

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 1960-х. Финальная доработка была одобрена в феврале 1980 года как стандарт RS274D. Комитет ИСО утвердил G-код как стандарт ISO :1982, Госкомитет по стандартам СССР - как ГОСТ В советской технической литературе G-код обозначается как код И СО 7-бит (ISO 7- bit).

2 CAM – подготовка управляющих программ САМ-системы Написание и отладка программ непосредственно на G-коде для деталей сложной фирмы являются весьма трудоемким процессом, поэтому этот процесс автоматизирован путем создания САМ-систем. Входными данными системы САМ является геометрическая модель изделия, разработанная в системе автоматизированого проектирования (CAD). В процессе интерактивной работы с трехмерной моделью в САМ-системе инженер определяет траектории и скорость движения движущего 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.

2 CAM – подготовка управляющих программ 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-програмиста в трех главных направлениях: -они избавляют технолога-программиста от необходимости делать математические вычисления вручную; - позволяют создать на одном базовом языке управляющие программы для различного оборудования с ЧПУ; - обеспечивают технолога типовыми функциями, автоматизирующими ту или иную обработку.

2 CAM – подготовка управляющих программ

Верификация и оптимизация NC-программ Инструменты верификации предоставляют программисту средства для проверки траектории движения инструмента в NC-программе до ее отправки в цех. Такой метод практически полностью исключает как возможность аварийного отказа станка, так и утомительную доводку NC-программы. Многие предприятия констатируют, что применение верификаторов приводит к существенной экономии материл лов, затрат рабочей силы и рабочего ресурса дорогостоящего оборудования. В случае использования опций оптимизации программное обеспечение читает файл пути движения инструмента (NC-программу) и автоматически изменяет назначенные скорости подачи так, чтобы подобрать наиболее оптимальную подачу в зависимости от условий обработки и параметров режущего инструмента. Индивидуальный подбор режимов резания повышает эффективность процесса обработки и уменьшает время изготовления детали без потери качества.

2 CAM – подготовка управляющих программ 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, электроэрозиониая и т. п.

2 CAM – подготовка управляющих программ

Вопросы для самоконтроля 1 В чем причина распространенности численных методов в системах инженерных расчетов по сравнению с аналитическими методами? 2 Назовите основные этапы построения расчетной модели. 3 Что такое прямая и обратная задачи кинематики? 4 В каких отраслях используется вычислительная гидроаэродинамика? 5Почему задачи CFD требуют построения детализированных расчетных сеток? 6В чем отличие NC и CNC-систем? 7Что дает использование САМ-систем по сравнению с разработкой управляющих программ непосредственно на G-коде? 8Чем отличаются 2.5D- и ЗD-обработки?

Спасибо за внимание!