Трехмерное моделирование стало общепринятым методом при разработке изделий и систем во многих отраслях промышленности. Медленно, но неуклонно 3D-технология внедряется и на предприятиях судостроительной отрасли. Ее применение дает убедительный экономический эффект. При проектировании в 3D ошибки могут быть найдены и исправлены прежде, чем изделие дойдет до производства. Раннее диагностирование на компьютере таких проблем, как неправильные размеры, неправильный выбор марки материалов, пересечения деталей, недоступные для обслуживания компоненты, узлы, которые невозможно собрать, – все это значительно сокращает общий цикл проектирования и, следовательно, уменьшает его стоимость.
Применение готовых 3D-моделей в системах инжерерных расчетов, подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и контроля качества уменьшает время и стоимость решения этих задач. Это делает изделие более экономичным при одновременном увеличении его надежности и эффективности. Кроме того, наличие 3D-модели уменьшает затраты на разработку чертежей за счет автоматизации процесса создания видов и сокращения количества разрезов и сечений, которые были бы необходимы при двухмерном подходе.
В современных условиях при разработке конструкций важно еще на самых ранних стадиях проектирования получать информацию о взаимодействии между собой отдельных частей конструкции, ее работоспособности (в частности, прочности и несущей способности). В соответствии с современными тенденциями развития проектирования для решения перечисленных выше вопросов применяются системы трехмерного твердотельного моделирования.
Одна из таких систем – Autodesk Inventor Professional, имеющая встроенный модуль конечно-элементного анализа (лицензированный у компании ANSYS) для расчетов статической прочности и частоты собственных колебаний (самых распространенных видов инженерных расчетов) конструкций.
Расчетный модуль Autodesk Inventor Professional предоставляет следующие возможности:
Проиллюстрируем работу расчетного модуля на примере реальной разработанной специалистами ФГУП “МП “Звездочка” в AutodeskInventorProfessionalконструкции буксирного гака для спасательно-разъездного катера проекта 21770 (проект ЦМКБ “Алмаз”, Санкт-Петербург).
Задача разработки конструкции буксирного гака сводилась к созданию устройства с минимальными габаритами, наименьшим весом, имеющего возможность дистанционной отдачи и рассчитанного на предельную (с учетом динамики) нагрузку 8 тс.
После разработки основной конструкции гака (рис. 1) средствами Inventor была проверена ее работоспособность, взаимодействие деталей гака между собой, возможность стопорения и отдачи.
Принцип работы конструкции следующий: роликовидный гак в закрытом положении фиксируется стопором, который в свою очередь фиксирует рычаг. При отведении назад рычага стопор получает возможность перемещаться и освобождает гак. Для предотвращения соскакивания троса при зафиксированном гаке служит откидная крышка, которая в закрытом состоянии фиксируется специальной осью-стопором.
В качестве иллюстрации ниже приведены фрагменты автоматически сформированного отчета Autodesk Inventor Professional серии 11 (по двум основным деталям) с необходимыми пояснениями. Следует отметить, что расчеты данных деталей выполнены с проверкой сходимости результатов (с автоматическим уточнением сетки конечных элементов).
В соответствии с заданием и с учетом расчетной нагрузки выполняется расчет самого гака (роликовидная деталь с зацепом для троса).
На ось вращения гака накладывается связь, не позволяющая перемещаться детали вдоль нее и в плоскости, перпендикулярной оси вращения. На поверхность выемки, в районе контакта стопора и гака (рис. 2), накладывается полное ограничение перемещения (фиксация).
При расчете для детали роликовидного гака были получены характеристики, приведенные в табл. 1.
В качестве материала для изготовления детали использован высокопрочный стальной сплав (выбран из предложенного расчетным модулем списка). Ниже представлены свойства выбранного материала:
В табл. 2 приведены результаты, полученные при выполнении расчета, рисунки демонстрируют распределение внутренних сил (рис. 3), перемещений (рис. 4) и коэффициента безопасности для детали (рис. 5).
Коэффициент безопасности рассчитывается в соответствии с теорией пластичности материала, т.е. как отношение максимальных разрушающих эквивалентных напряжений и допускаемых напряжений, в качестве которых программа принимает предел текучести материала.
Расчет показал, что прочность детали обеспечена. Учитывая, что приложенная в качестве расчетной нагрузка является пиковой, можно говорить, что в рабочей нагрузке (2 тс) прочность детали обеспечена абсолютно.
Далее переходим к расчету стопора. При расчете для детали стопора были получены характеристики, приведенные в табл. 3.
В качестве материала для изготовления стопора принят тот же материал, что и для изготовления гака, а именно – высокопрочный стальной сплав. Расчетной нагрузкой для расчета прочности стопора служат реакции связей, полученные при расчете гака. Ограничением для стопора будет являться упор рычага (место контакта стопора и рычага). Результаты, полученные при выполнении расчета, приведены в табл. 4.
Прочность стопора обеспечена. Далее осуществляется переход к расчету рычага.
Таким образом, последовательно, по мере определения значений нагрузки на соответствующие узлы, осуществляется расчет прочности всех последующих деталей, однако привести результаты расчета всех деталей в рамках данной статьи не представляется возможным.
Приведенный выше пример наглядно демонстрирует основные принципы работы с модулем конечно-элементного анализа (Stress Analysis) Autodesk Inventor Professional 11, возможности анализа полученных результатов и возможные решения возникающих проблем.
При необходимости можно воспользоваться модулем Dynamic Simulation для динамического анализа конструкции (механизма).
Однако не следует забывать, что при использовании даже самых современных и совершенных математических аппаратов и новейших расчетных программ нельзя совершенно отказываться от натурных испытаний деталей и конструкций. Применение расчетных программ позволяет существенно сократить время и средства, затрачиваемые для определения оптимальных параметров конструкций, но не может абсолютно заменить испытания. Действительная оценка прочности конструкции должна выполняться на основании результатов расчетов, испытаний (экспериментальных данных) и опыте инженеров. Качественная разработка конструкции и ее расчет должны предшествовать испытаниям деталей и обосновывать их.