Проведение имитационных исследований в современных CAD средах

А.К. Иванюк,
асп. каф. «АПП», ivanyuk_aleksei@mail.ru,
Ю.П. Сердобинцев,
зав. каф. «АПП», д.т.н., проф., app@vstu.ru,

ВолгГТУ, г. Волгоград

Использование современных CAD программ позволяет не только проработать трёхмерную модель детали или сборки в целом, обнаружить ошибки допущенные конструкторами, но и провести имитационные испытания. Частным случаем имитационных испытаний являются виртуальные испытания. Используя метод подобий, создается виртуальный объект идентичный по всем геометрическим, физико-химическим свойствам реальному объекту, затем задаются ограничения и шаг вычисления в рамках метода конечных элементов. После определяют внешнюю возмущающую силу, аналогичную реальной. По результирующим эпюрам напряжений можно оценить надежность конструкции и произвести доработку изделия до его производства и сборки в цеху.

Use of modern CAD programs allows not only to work three-dimensional model of a detail or assembly in general, to notice the mistakes made by designers but also to carry out imitating testing. A special case of imitating testing are virtual testing. Using a method of similarity, a virtual object identical on all geometrical, physical and chemical properties to a real object is created, then restrictions and a step of calculation within a finite-element method are set. Later determine the external revolting force similar to real. On resultant epicure of tension it is possible to estimate reliability of a design and to make completion of a product before its production and assembly in the shop.

В рамках данной работы была поставлена задача определения влияния соединения прецизионными болтами на укрепление прочности корпуса за счет перехода от силового корпуса к системе силовой крышки. Анализ в CAD системе должен подтвердить предположение об уменьшении критических деформаций и усилении корпуса в целом [1].

Данная задача является актуальной, так как позволяет провести упреждающий неразрушающий контроль изделия, так же обеспечивает возможность изменения геометрии и уменьшения количества используемого материала. Так при использовании прецизионных болтовых соединений появляется возможность уменьшения толщины стенки корпуса прибора, или появляется возможность уменьшения сварного шва. Что в свою очередь дает ускорение производства, экономию материала, следовательно, в целом влияет на возможность перенастройки на более рациональное производство. Но для определения возможности такой перенастройки зачастую приходится проводить полевые испытания. В данном случае корпуса, гидроакустических приборов состоящие из алюминиево-магниевого сплава, должны подвергнуться силовой нагрузки, ударной и распределенной [2]. Но данные испытания трудоемки и требуют финансовых затрат. Имитационные испытания помогут решить данные вопросы. В настоящее время существует целый ряд отечественных и зарубежных САПР, в той или иной степени охватывающих этапы жизненного цикла изделия. Модули инженерного анализа в составе таких систем позволяют моделировать поведение изделий в условиях эксплуатации и стендовых испытаний [3].

Рассмотрен автоматизированный инженерный анализ корпусной части гидроакустических приборов как часть системы обеспечения качества и соответствия выпускаемых изделий техническому заданию. Представлен опыт оценки поведения конструкции до ее изготовления. Показана возможность и эффективность применения виртуальных испытаний в качестве контрольного мероприятия, предшествующего изготовлению приборов и позволяющего исключить доработку приборов по результатам стендовых испытаний [4].

Были спроектированы 3D модели и проведены виртуальные испытания в системе Autodesk Inventor.

Свойства используемого материала приведены в таблице 1.

Таблица 1

Используемый материал в исследовании

Имя	Алюминий 6061
Общие	Массовая плотность	2.7 г/см³
	Предел текучести	275 MПа
	Окончательный предел прочности растяжения	310 MПа
Напряжение	Модуль Юнга	68.9 ГПа
	Коэффициент Пуассона	0.33 бр
	Модуль упругости при сдвиге	25.9023 ГПа

Результаты автоматизированного решения позволяют выявить наиболее нагруженные и наименее жесткие участки каркаса и корпуса, оценить запас прочности конструкции. Для сравнения были смоделированы две модели корпуса с разными болтовыми соединениями [5]. На рисунке 1 представлена модель с обычными болтовыми соединениями с зазором в 1мм. Каркас выполняет функцию силового корпуса. На рисунке 2 представлен чертеж в сечении данной модели.

Рис. 1 Исследуемая модель с «силовым корпусом» Рис. 2 Чертёж модели в сечении болтовых соединений

На рисунках 3,4 представлены эпюры напряжений и перемещений соответственно, обычного корпуса с крышкой соединенного болтами с зазором 1мм.

$Описание: D:\УРОКИ ВолгГТУ\АХТУБА\Корпус Ахтуба\Images\Отчет корпус 500Н 1.09.2016\1\Result_0_1.png$ $Описание: D:\УРОКИ ВолгГТУ\АХТУБА\Корпус Ахтуба\Images\Отчет корпус 500Н 1.09.2016\1\Result_0_2.png$

Подпись: Рис. 3 Эпюра статических узловых напряжений (по фон Ми-зесу) каркаса корпуса, нагруженного наружным давлением 500Н Подпись: Рис. 4 Эпюра перемещений (деформаций) корпуса,
нагруженного наружным давлением 500Н

Как видно из эпюр, за счёт зазора в соединениях при воздействии на корпус давления в 500Н, возникает волновой эффект в геометрии крышки, происходят большие деформации, но соединения при этом не имеют большой нагрузки [6]. Подчеркнем, что данные виртуальные расчеты носят приближенный характер, и главной целью является сравнение и определения возможности улучшения сборки корпуса за счет без зазорного соединения [7].

На рисунке 5 представлена модель с прецизионными болтовыми выполненные с высокой точностью и соединенные без зазора. В данной модели силовой является крышка. На рисунке 6 представлен чертеж в сечении данной модели.

Подпись: Рис. 6 Чертёж модели в сечении призонных болтовых
соединений

Теперь приведём результат анализа корпуса с прецизионными болтами, сила воздействия такая же 500Н (рис. 7,8).

Из эпюр напряжений мы видим, что напряжения увеличились в зонах контакта болтового соединения (с 4 до 6 МПА), это происходит из-за отсутствия зазора между корпусом – крышкой и болтом [8]. В то же время на эпюре перемещений мы видим уменьшение перемещения. Соответственно мы переходим от системы силового каркаса к силовой крышки, что способствует укреплению корпуса в целом, а так же возможности уменьшения толщины стенок каркаса и возможности уменьшения сварного шва [9].

$Описание: C:\Users\Alex\Desktop\Картинки для статьи\Result_0_1.png$ $Описание: C:\Users\Alex\Desktop\Картинки для статьи\Result_0_2.png$

Подпись: Рис. 7 Эпюра статических узловых напряжений (по фон Мизе-су) каркаса корпуса, нагруженного наружным давлением 500Н Подпись: Рис. 8 Эпюра перемещений (деформаций) корпуса, нагру-женного наружным давлением 500Н

Для наглядного сравнения были проведены испытания для различных по величине возмущающих сил. В таблице 2 приведены результаты виртуальных испытаний.

Таблица 2

Результаты виртуальных исследований

Сила, Н	Перемещение корпуса, мм	Перемещение корпуса с прецизионными болтами, мм
500	0,0061	0,0051
1000	0,012	0,010
3000	0,036	0,031
10000	0,12	0,10
50000	0,61	0,51

Из данной таблицы видно, что соединение прецизионными болтами позволяет уменьшить перемещения корпуса.

Таким образом, автоматизированный инженерный анализ сегодня – это не только средство визуализированного проектного расчета, но и способ виртуальной проверки принятых проектных решений, то есть контрольное мероприятие, предшествующее изготовлению приборов и позволяющее исключить их доработку по результатам стендовых испытаний.

Литература

1. Барабанов, В.Г. Использование CAD-систем для выявления критических зон деформации корпусов приборов связи / В.Г. Барабанов, А.К. Иванюк // Известия ВолгГТУ. Сер. Прогрессивные технологии в машиностроении. - Волгоград, 2015. - № 11 (173). - C. 47-50.

2. Иванюк, А.К. Синтез структурной схемы проектирования АСТПП на примере корпусных деталей / А.К. Иванюк, Ю.П. Сердобинцев // Всероссийская научная конференция по проблемам управления в технических системах (ПУТС-2015) : матер. конф. (г. Санкт-Петербург, 28-30 окт. 2015 г.) / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - Санкт-Петербург, 2015. - C. 433-437.

3. R. Sinha, C.J.J. Paredis, P.K. Khosla, Integration of mechanical CAD and behavioral modeling, Proc. IEEE/ACM. (2000) 31–36.

4. Иванюк, А.К. Виртуальные испытания как способ упреждающего контроля корпусов приборов гидроакустической связи / А.К. Иванюк, А.А. Емельяненко, О.И. Жабин // ИСТОК–2016: сб. докл. I-й науч.-практ. конф. молодых специалистов интегрированной структуры АО «Концерн «Океанприбор» (г. Туапсе, 18-25 сент. 2016 г.) / АО «Концерн «Океанприбор». - Санкт-Петербург, 2016. - C. 96-100.

5. R. Dubovska., The quality control of machining process with CAD/CAM system support, in: 8th International Conference of DAAAM Baltic Industrial Engineering, Tallin, Estonia, 2012, pp. 27–32 .

6. Виртуальные испытания как средство оптимизации затрат в опытном производстве гидроакустических приборов / А.А. Емельяненко, А.К. Иванюк, О.И. Жабин, Д.В. Ярошик // Автоматизация. Современные технологии. - 2016. - № 9. - C. 25-27 + 2-я и 3-я стр. обложки.

7. Иванюк, А.К. Виртуальные испытания как способ упреждающего контроля корпусов приборов гидроакустической связи / А.К. Иванюк, А.А. Емельяненко, О.И. Жабин // ИСТОК–2016: сб. докл. I-й науч.-практ. конф. молодых специалистов интегрированной структуры АО «Концерн «Океанприбор» (г. Туапсе, 18-25 сент. 2016 г.) / АО «Концерн «Океанприбор». - Санкт-Петербург, 2016. - C. 96-100.

8. Сердобинцев, Ю.П. Повышение качества функционирования технологического оборудования: монография / Ю.П. Сердобинцев, О.В. Бурлаченко, А.Г. Схиртладзе; ВолгГТУ. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 410с.

9. Капустин, Н.М., Кузнецов П.М. Формирование виртуальной производственной системы для выпуска изделий в распределённых системах /Н. М. Капустин, П.М. Кузнецов //Машиностроитель.2002. № 6. С. 42-46.