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.

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.

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).

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.

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.

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.

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

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).

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»