Algor’итм инженерного анализа от Autodesk

Специальное Конструкторское Бюро Приборостроения и Автоматики (ОАО ОАО «СКБ ПА») — динамично развивающаяся проектно-конструкторская организация, которая выполняет работы по проектированию и созданию продукции гражданского и специаль­ного назначения для отечественных и зарубежных заказчиков на уровне лучших мировых стандартов. Стратегия проектирования в ОАО «СКБ ПА» ориентирована на использование современного программного обеспече­ния и предполагает создание и сопровождение физичес­кого образца изделия по его виртуальному прототипу на протяжении всего жизненного цикла.

Среди изделий, разрабатываемых ОАО «СКБ ПА», наиболее сложными и наукоемкими являются системы управления техническими объектами: металлургическими, мобильными робототехническими комплексами и другой гражданской и специальной техникой. Неотъемлемой частью этих систем человеко-машинного взаимодействия являются пульты управления, за отображение актуальных данных в которых отвечают информационные блоки (рис. 1).

Целью моделирования информационного блока является подтверждение требований технического задания по обеспечению устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, возникающим в процессе эксплуатации и при транспортировке изделия. Для про­ведения модельных исследований на предприятии был применен новый продукт от компании Autodesk — Algor Simulation Professional 2010.

Algor Simulation является основной разработкой Autodesk в области создания цифрового прототипа изделия. Он поддерживает прямой импорт геометрии и ассоциативный обмен данными c Autodesk Inventor (*.ipt, *.iam), AutoCAD (*.dxf, *.dwg) и другими известными CAD­системами, а также импорт моделей в универсальных форматах (ACIS, STEP, IGES, STL). Возможность откры­вать файлы среды Autodesk Inventor непосредственно в Algor Simulation позволяет напрямую вносить изменения в геометрию модели без необходимости повторного пе­реопределения нагрузки, закрепления.

Аналитический аппарат Autodesk Algor Simulation включает следующие типы расчетов: статические напряжения и линейная динамика; статическая и динами­ческая прочность; комбинированный прочностной и кинематический анализ; моделирование динамики мно­гомассовых систем с поддержкой крупномасштабного движения и сильных деформаций с учетом их контактного взаимодействия; электростатика; вычислительная гидро­динамика; теплоперенос и теплопередача, моделирование комплексных физических процессов (исследование нескольких физических процессов путем сопоставления результатов разных видов анализа).

Поскольку в ОАО «СКБ ПА» используются про­граммные продукты Autodesk (Inventor и AutoCAD), то применение Algor Simulation позволяет использовать единый формат данных, без промежуточных файлов обмена. Использование прямой ассоциативной связи Inventor — Algor дает возможность сократить количество промежуточных конструктивных вариантов проработки изделий.

Результаты использования Autodesk Algor Simulation Professional в практике проектирования ОАО «СКБ ПА» можно наглядно проиллюстрировать на примере моде­лирования информационного блока пульта управления.

Рис. 1. Модель информационного блока в Autodesk Inventor (справа — без задней стенки)

На рис. 2 представлена модель информационно­го блока пульта управления, выполненная в Autodesk Inventor и открытая в Autodesk Algor Simulation.

Определение устойчивости к механическим воздействиям проводилось через моделирование: статической прочности при перегрузке 10g в рабочем и транспортном положениях; критических частот колебаний, возникающих в узлах и деталях конструкции; теплового режима работы процессорного модуля при температуре окружающей среды в диапазоне от -30 до +50°С.

Расчет перегрузки

Поскольку изделие эксплуатируется в мобильной технике, при проведении расчетов ставилась задача определения запаса прочности при перегрузке порядка 10g, которая возникает как в процессе работы, так и при транспортировке.

В ходе работ моделировались три случая воздейс­твия перегрузки, соответственно в трех основных направлениях — x, y, z. Результаты представлены на рис. 3.

Как следует из результатов расчета, запас прочности по перегрузкам составляет не менее 5 (для варианта горизонтального транспортного положения).

Расчет собственных частот колебаний конструкции

В процессе эксплуатации на мобильных системах и при транспортировке пульты подвергаются воздействию вынужденных колебаний. Моделирование собственных критических частот колебаний изделия призвано обеспечить устойчивость к данному типу воздействия. Устойчивость обеспечивается конструктивными доработками для смещения критических частот колебаний вне рабочего диапазона.

В описываемом примере проводилось определение первых десяти мод колебаний при воздействии максимальной нагрузки взаимодействия элементов в конструкции (рис. 4). Мода — вид колебаний, возбуждающихся в сложных колебательных системах. Мода характеризуется пространственной конфигурацией колеблющейся системы, определяемой положением ее узловых точек (линий или поверхностей), а также собственной частотой. Каждой моде соответствует определенная собственная критическая частота.

Напряжения в конструкции при 10 кратной перегрузке (в направлениях X, Y, Z)

В результате расчета первая собственная критическая частота оказалась равна 0,08 Гц, что ниже рабочего диапазона частот (от 1 Гц до 50 Гц), вторая (и последующие) — 58 Гц, что выше рабочего диапазона частот. Следовательно, исследуемое изделие устойчиво к воздействию колебаний во всем заданном диапазоне частот.

Тепловой расчет процессорного модуля

Одними из составляющих компонентов пультов являются электронные устройства. При их функционировании выделяется тепло. Поскольку диапазон рабочих температур пультов оставляет от -30 до +50, возникает необходимость обеспечения отвода тепла от тепловых источников. Данное моделирование призвано определить тип системы охлаждения — естественная или принудительная конвекция, а также конструкцию радиатора.

Рис. 6. Модель процессорного модуля в Autodesk Inventor

Модель одного из электронных компонентов — процессорного модуля — представлена на рис. 5.

Рис. 7. Распределение температуры по конструкции процессорного модуля

В качестве тепловой нагрузки была применена максимальная мощность тепловыделения по паспорту электронных компонентов, а также естественная кон­векция по свободным поверхностям модуля. Результаты моделирования представлены на рис. 6.

Как следует из результатов расчета, перегрев при естественной конвекции процессорного модуля незначителен и укладывается в предельный диапазон допустимых температур для используемой элементной базы.

По результатом модельных исследований была доработана конструкция информационного блока пульта управления, выпущено необходимое количество конструкторско-технологической документации, произведен опытный образец, прошедший полный объем приемо­сдаточных испытаний (рис. 7).

Заключение

Программный комплекс Autodesk Algor Simulation Professional 2010 по функциональным возможностям сопоставим с «тяжелыми» CAE-системами. Поэтому, несмотря на большое количество методических руководств и примеров по использованию Algor, программа довольно сложна в освоении. Однако узнаваемая по AutoCAD и Inventor технология Autodesk по построению системы меню и диалоговых окон позволяет освоить данный инструмент (с помощью консультаций сертифицированных специалистов, в случае ОАО «СКБ ПА» — Русской Промышленной Компании) в кратчайшие сроки. Кроме того, для ознакомления и опытного применения существует облегченная версия Autodesk Algor Simulation Express.

Использование Autodesk Algor Simulation в ОАО «СКБ ПА» позволило обеспечить полный спектр необходимых расчетов в рамках конструкторско-технологической подготовки производства разрабатываемой продукции.

А. В. Пузанов, к.т.н., начальник научно-исследовательского сектора, ОАО «СКБ ПА»

REMMAG, 6/2010