4.2. Программное обеспечение компьютерного проектирования

4.2. Программное обеспечение компьютерного проектирования

В настоящее время в мире имеется большое количество фирм, предлагающих разнообразные САПР, поэтому проблема выбора является весьма актуальной. Рассмотрим известные сейчас системы, связанные с различными областями применения.

Одним из наиболее распространенных и освоенных специалистами пакетом САПР для персональных компьютеров является система AutoCAD, созданная фирмой Autodesk Inc. Название системы AutoCAD образовано сокращением Automated Computer Aided Design - Автоматизированное компьютерное проектирование. Первая версия программы AutoCAD появилась в конце 1982 г. Сегодня AutoCAD является международным промышленным стандартом для подготовки конструкторской документации. В сравнительных обзорах систем для персональных компьютеров AutoCAD постоянно занимает первые места и охватывает 70 % рынка. При этом он выполняет 60-70 % функций мощных пакетов автоматизированного проектирования. Пакет поддерживает разнообразные устройства ввода/вывода: графические видеоплаты, дигитайзеры и манипуляторы, графопостроители и принтеры. Основной функцией системы AutoCAD является разработка чертежей и формирование конструкторской документации, пакет также содержит разнообразные команды для создания твердотельных и каркасных трехмерных моделей объектов с последующим автоматическим построением чертежей. На рис. 41 приведено главное окно программы AutoCAD в процессе выполнения чертежа гидроцилиндра.

На основе системы AutoCAD фирмой Autodesk создана система Autodesk Mechanical Desktop - средство для трехмерного моделирования деталей, поверхностей, сборок. Пакет Mechanical Desktop объединяет в себе все лучшее, что было создано компанией Autodesk. Данная система предназначена для решения задач машиностроительного проектирования, позволяет выполнять трехмерное моделирование сборочных единиц и моделирование поверхностей. В систему добавлены модули построения сборок, текстовых документов, возможна настройка на требования определенных стандартов. В комплект поставки входят библиотеки материалов и более чем 250 тыс. стандартных трехмерных твердотельных элементов.

Привлечение фирмой Autodesk программных пакетов для выполнения конечноэлементного анализа деталей, проектирования пресс-форм, программирования станков с ЧПУ и др. в состав Mechanical Desktop позволило расширить функциональные возможности этого пакета. Одной из последних версий пакета является Mechanical Desktop Power Pack 6.0 [59, 77].

Mechanical Desktop Power Pack представляет собой мощную инженерную систему автоматизации проектирования разнообразных объектов -от простейших деталей и узлов до сложных машиностроительных механизмов. Она позволяет: 1) автоматизировать процесс разработки изделия;
2) управлять взаимным расположением элементов конструкции с автоматическим обновлением модели и чертежа в процессе внесения в них изменений; 3) работать с трехмерными поверхностями и строить сложные модели с произвольными пространственными формами; 4) создавать сложные параметрические твердотельные модели; 5) генерировать плоские проекции, формировать чертежи изделия; 6) управлять размерами деталей и узлов. Система включает множество функций анализа геометрии деталей и узлов и эффективные средства управления сборкой.

Mechanical Desktop Power Pack - самая распространенная программа среди САПР, которая постоянно совершенствуется.

Среди новых возможностей пакета - многооконная среда проектирования, благодаря которой удается одновременно открывать несколько чертежей, вырезать и вставлять элементы геометрии, сборки, детали из одного чертежа в другой. Существенно упростилась процедура создания трехмерных твердотельных моделей из двухмерных. В системе имеются специализированные команды для выполнения инженерных расчетов. Для этого используются модули:

проектирования кулачков, модуль служит для построения плоских и цилиндрических кулачков на основе заданных граничных условий. Он позволяет рассчитать и отобразить на чертеже профиль кулачка, скорость и ускорение управляемого данным кулачком элемента. Кроме того, модуль дает возможность разработать управляющую программу для станка с ЧПУ, с помощью которой изготавливается кулачок рассчитанного профиля;

расчета балок, предназначен для вычислений моментов инерции и линии прогиба балок при заданных нагрузках и опорах;

проектирования валов, посредством модуля формируется вал и на него устанавливаются стандартные детали - подшипники, зубчатые колеса, установочные кольца и уплотнения. Вал проектируется с использованием различных стандартных элементов, таких как центровые отверстия, фаски, конические участки, галтели, канавки, шлицевые и резьбовые участки и вырезы под ключ. Кроме того, на валы можно устанавливать дополнительные стандартные детали. Для сформированного вала предусмотрены возможности построения линии прогиба, расчета реакций опор, угла закручивания, эквивалентных напряжений и запаса прочности;

проектирования цепных и ременных передач, модуль обеспечивает возможность рассчитать оптимальную длину цепи или ремня, сформировать звездочки или шкивы и включить всю ременную или цепную передачу в чертеж;

проектирования пружин, позволяет рассчитать, выбрать и вставить в рисунок пружину сжатия, растяжения и/или кручения;

расчета резьбового соединения, модуль дает возможность определить диаметры элементов резьбового соединения в зависимости от заданных нагрузок, применяемых материалов и способов затягивания соединения;

расчета подшипника, обеспечивает также выбор соответствующего подшипника исходя из указанных значений нагрузок и долговечности;

расчета напряжений в детали методом конечных элементов. Позволяет определять положения подвижных и неподвижных опор, точечных и распределенных нагрузок.

Рассмотренные модули позволяют не только сократить время проектирования, но и уменьшить количество возникающих ошибок.

На рис. 42 приведено окно программы системы Mechanical Desktop Power Pack 6.0 в процессе выполнения расчета плит шиберного затвора методом конечных элементов.

Система содержит обширную библиотеку стандартных элементов -деталей (болтов, гаек, шайб, штифтов, заклепок, втулок, колец, сальников, подшипников и т. д.); отверстий (сквозных и глухих, цекованных и зенкованных и т. д.) и стальных профилей.

Первыми предприятиями, внедрившими Autodesk Mechanical Desktop в Украине, стали СП IVECO-Краз (г. Кременчуг), “Ватра” (г. Тернополь), КБ “Южное” (г. Днепропетровск). За рубежом пользователями этого пакета являются Robert Bosch GmbH, Rockwell International Corporation, Siemens AG, Parker Hannifin.

Новым продуктом фирмы Autodesk является система Autodesk Inventor [59, 139], представляющая собой уникальный инструмент для пространственного конструирования. Данная система нацелена на проектирование больших сборок, включающих десятки тысяч элементов.

Autodesk Inventor - это современная САПР для конструирования машин и механизмов, использующая возможности операционной системы Microsoft Windows. Инструментальные средства Autodesk Inventor обеспечивают полный цикл конструирования и создания конструкторской документации.

Основными показателями, которые позволяют считать Autodesk Inventor современной САПР, являются: 1) значительное сокращение времени разработки модели конструкции; 2) возможность совместной работы над конструкцией всех разработчиков (групповой инжениринг);

3) возможность параметризации пользовательских примитивов с целью их последующего использования; 4) доступ к трехмерной модели конструкции всем группам пользователей, задействованным в работе над проектом.

Эти важные эксплуатационные показатели обеспечиваются пятью новыми приемами, реализованными компанией Autodesk Inc. в области технологии трехмерного моделирования и пространственного конструирования: 1) адаптивным конструированием; 2) адаптивной компоновкой;

3) встроенным конструктором элементов; 4) инструментарием, обеспечивающим совместную работу над конструкцией; 5) системой поддержки и сопровождения процесса конструирования.

Перечисленные достоинства системы использованы при разработке компьютерной модели манипулятора для ввода отсечных элементов в полость конвертера, процесс создания которого показан на рис. 43.
Среди разработок систем автоматизированного проектирования следует отметить КОМПАС (г. Санкт-Петербург, разработчик Аскон) [124]. Аскон - один из лидирующих отечественных разработчиков и поставщиков систем автоматизированного проектирования - работает на отечественном рынке САПР начиная с 1989 г.

КОМПАС относится к системам CAD/CAM и включает подсистемы: трехмерного твердотельного параметрического проектирования КОМПАС-3 D;

параметрическую чертежно-конструкторскую КОМПАС-ГРАФИК с большим набором приложений;

проектирования технологических процессов КОМПАС-АВТОПРОЕКТ; управления проектными данными КОМПАС-Менеджер; проектирования технологических процессов механической обработки деталей в машиностроении КОМПАС-Т/М;

проектирования штампов и пресс-форм КОМПАС-ШТАМП и КОМПАС-ФОРМА;

программирования обработки на оборудовании с ЧПУ КОМПАС-ЧПУ, ГеММа-ЗБ и др;

обработки сканированных изображений Spotlight и Vectory.

В состав системы КОМПАС входят библиотеки стандартных элементов (метизов, подшипников, электродвигателей и др.), а также модули для проектирования и расчета валов, зубчатых, ременных, цепных передач.

Системы КОМПАС успешно эксплуатируются более чем на 850 предприятиях России, Украины, Белоруссии, Казахстана, других стран СНГ. Среди них “Норильский никель”, “МЕЧЕЛ”, “Верхне-Салдинское металлургическое объединение”, “Уралвагонзавод”, “Комбинат МАГНЕЗИТ”, Ленинградский металлический и Ижорский заводы, ведущие ВУЗы.

На рис. 44 и 45 показаны главные окна системы КОМПАС в процессе выполнения твердотельной модели редуктора и создания его чертежа.

Помимо своих разработок компания АСКОН представляет на рынке стран СНГ систему твердотельного параметрического моделирования SolidWorks [59, 97, 124], разработанную компанией SolidWorks

Corporation (США). Система создана специально для использования на персональных компьютерах под управлением операционных сред семейства Windows. Система SolidWorks содержит различные инструменты в области CAD/CAM/CAE/PDM технологий для разработки сложных деталей и сборок изделий машиностроения.
SolidWorks сочетает твердотельное моделирование на основе объектной технологии, сквозную параметризацию, двухнаправленную ассоциативность и открытую архитектуру. В состав системы входят модуль Photo Works, позволяющий получать фотореалистические изображения модели проекта, модуль Animation для создания видеоизображений работы и устройства изделия.

Уникальные средства SolidWorks для работы со сборками позволяют объединять в одной сборке сотни разнотипных деталей и подсборок и строить необходимые сборочные единицы. На протяжении жизни изделия структура сборки доступна для обработки и изменения, при этом непосредственно в режиме сборочной единицы могут быть изменены любые параметры отдельных деталей.

После создания твердотельной модели существует возможность автоматического получения рабочих чертежей детали или сборки с изображениями видов, проекций, простановки основных размеров и обозначений. Процесс построения чертежа упрощается за счет автоматического формирования видов, разрезов, изометрических изображений, выбора любого международного стандарта размеров, обозначений шероховатости, допусков, обозначений сварки, выносок и т. д., в том числе и ЕСКД. Система позволяет управлять размерами, шрифтами, чертежными линиями, размерными числами, автоматически создавать спецификации сборок. SolidWorks отслеживает двухнаправленную ассоциативную связь между моделью и чертежом.

Система имеет развитые функции поверхностного моделирования, проектирования изделий из листового материала, сварных конструкций, изделий, получаемых методами литья и штамповки, трубопроводов (модуль Piping).

Модель, созданная в SolidWorks, может быть использована для прочностных расчетов, анализа кинематики, проектирования управляющих про-1рамм в интегрированных системах Design Space, COSMOS и др. Система полностью русифицирована разработчиком (пользовательский интерфейс, интерактивная помощь, руководства к системе, выпускаемые документы).

В работе [74] описан опыт использования системы Solid Works при проектировании и конструировании сталеплавильного оборудования на ЗАО “Ново-Краматорский машиностроительный завод”. На рис. 46 приведена твердотельная модель MHJI3, созданная конструкторами завода.

Среди систем высшего уровня можно выделить Pro/ENGINEER (разработчик - Parametric Technology Corporation, США) [124]. В основу интегрированной системы автоматизированного проектирования и изготовления Pro/ENGINEER положена единая параметрическая объектно-ориентированная технология твердотельного моделирования. Эта система предоставляет конструкторам возможность работать в терминах физических конструкторских объектов и несложной геометрии. Конструктор использует, например, такие элементы как отверстия, фаски, ребра жесткости, скрутления, предоставляемые самой системой. При этом можно добавлять и убирать любые размеры, учитывать связи между ними.

Приложения Pro/ENGINEER обеспечивают дизайнерскую проработку, концептуальное проектирование, деталировку и выпуск конструкторско-технологической документации, прочностной, динамический, термический, кинематический анализ, а также технологическую подготовку производства и генерацию ЧПУ-обработки в единую ассоциативную базу данных.

Система имеет модульную структуру, в ее состав входит более 70 модулей. Чаще всего Pro/Engineer используется для объемных компоновок агрегатов типа двигатель, разводки трубопроводов.
В Украине пользователями Pro/ENGINEER являются КПО им. Артема (г. Киев), Днепропетровский электровозостроительный завод, АО За-порожтрансформатор, АО Норд (г. Донецк).

Научно-технический центр “Автоматизированное проектирование машин” предлагает для CAD/CAE/PDM систему АРМ WinMachine, предназначеную для выполнения разнообразных расчетов машин, механизмов, деталей и конструкций, оформления и хранения конструкторской документации. С помощью АРМ WinMachine можно рассчитать свыше 80 % деталей машин, используемых в современном машиностроении. В комплекс вошли подсистемы расчета прочности, жесткости и устойчивости механических систем, реализованные методом конечных элементов. Система АРМ WinMachine позволяет определять рациональные размеры элементов машин и строительных конструкций. Система АРМ WinMachine включает следующий набор модулей:

1) WinTrans - расчет зубчатых, червячных, ременных цепных передач с возможностью автоматической генерации чертежей элементов передач;
2) WinJoint - расчет и проектирование соединений деталей машин и элементов конструкций, комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения;

3) WinShaft - расчет, анализ и проектирование валов и осей;

4) WinBear - расчет неидеальных подшипников качения, комплексный анализ опор качения всех известных типов;

5) WinSpring - расчет и проектирование пружин и других упругих элементов машин;

6) WinCam - расчет и проектирование кулачковых и мальтийских механизмов; автоматическая генерация чертежей;

7) WinSlider - расчет и проектирование рычажных механизмов произвольной структуры;

8) WinPlain - расчет и анализ радиальных и упорных подшипников, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения;

9) WinFEM2D - расчет напряженно-деформированного состояния плоских деталей методом конечных элементов;

10) WinGraph - чертежно-графический редактор;

11) WinTruss - расчет и проектирование плоских ферменных конструкций методом конечных элементов;

12) WinBeam - расчет и проектирование балочных элементов конструкций;

13) WinFrame3D - расчет напряженно-деформированного состояния трехмерных рамных конструкций.

В состав системы АРМ WinMachine входят также большое количество баз данных и библиотек стандартных элементов (электродвигателей, крепежных и конструктивных элементов, инструментов, трубопроводной арматуры, муфт, пружин, подшипников, уплотнений и др).

Для исследования поведения конструкций в условиях разнообразных воздействий во многих системах автоматизированного проектирования используется метод конечных элементов.

В настоящее время на рынке программного обеспечения имеется большое количество комплексов МКЭ, в том числе ANSYS, NASTRAN, COSMOS и др. Традиционно эти продукты относятся к категории САЕ программного обеспечения. Круг решаемых ими задач охватывает почти все сферы инженерных расчетов: прочности, колебаний, устойчивости, динамики, акустики, гидродинамики, аэродинамики и т. д.

Лидером на рынке программ МКЭ является пакет ANSYS [4], разработанный фирмой ANSYS Corp. Об этом свидетельствует количество легальных пользователей (более миллиона) и заявленные большие возможности пакета. Программа AN SYS широко известна и пользуется популярностью среди инженеров-исследователей, занимающихся вопросами динамики и прочности. Средства МКЭ ANSYS позволяют проводить расчеты статического и динамического напряженно-деформированного состояния конструкций (в том числе геометрически и физически нелинейных задач механики деформируемого твердого тела), форм и частот колебаний, анализа устойчивости конструкций, нелинейных переходных процессов и др. Реальным достоинством этой системы является наиболее полная документация и система помощи, что позволяет, имея хорошие базовые (например, по механике) знания, использовать программу без привлечения службы поддержки пользователей. ANSYS позволяет как импортировать, так и создавать заново достаточно сложные геометрические модели для дальнейших расчетов.

Сравниться с ANSYS (включая все его модификации в других пакетах) по количеству установок или легальных пользователей может только группа конечно-элементных программ с торговой маркой NASTRAN (официально марка принадлежит NASA (Cosmic)) [170]. Эту марку имеют такие наиболее распространенные пакеты: MSC/NASTRAN (компания MacNeal-Schwendler Corporation) и UAI/NASTRAN (компания Universal Analytics). Менее распространены NE/NASTRAN (компания Noran Engineering) и ME/NASTRAN (компания Macrolndustnes).

Для разработанной или импортированной из любой САПР модели система MSC/NASTRAN позволяет выполнить линейный и нелинейный прочностной анализы при статическом на!ружснии, определить собственные формы колебаний, произвести динамический и частотный, тепловой и термопрочностной анализы конструкции, выполнить расчеты на устойчивость, оптимизировать параметры конструкции при заданных ограничениях.

Наряду с системами компьютерного проектирования при выполнении экспериментальных исследований и построении математических моделей существующего и нового оборудования целесообразно использовать компьютерные пакеты для анализа и обработки данных, к которым относятся STATISTICA [13] и STATGRAPHICS [34, 158].

Пакеты STAT1STICA, разработанный фирмой StatSoft Inc.(США), и STATGRAPHICS plus for Windows фирмы Manugistics (США) представляют собой интегрированные системы статистического анализа и обработки данных, которые позволяют:

1) вводить исходные данные в форме таблиц, выполнять их первичное преобразование;

2) выполнять визуализацию данных с помощью построения графиков различных типов;

3) применять различные методы статистической обработки данных;

4) формировать и печатать отчеты с результатами анализа.

Система обеспечивает большой набор различных методов обработки

и анализа данных, сгруппированных в отдельные модули. Можно выделить следующие модули:

основные статистики и таблиц, используются для определения статистических характеристик случайной величины (среднее значение, среднеквадратичное отклонение медиана, мода, квантили, коэффициенты ассиметрии и эксцесса), проверка нормальности распределения по различным критериям, расчет коэффициентов корреляции между переменными;

множественной регрессии, их назначение - построение зависимостей (математических моделей) между несколькими переменными с использованием уравнений линейной и нелинейной регрессии, проверка адекватности модели;

непараметрической статистики, применяются для подбора законов распределения случайной величины;

дисперсионного анализа, позволяют оценить влияние входных переменных на выходную, выполнить ковариационный анализ;

анализа временных рядов и прогнозирования;

планирования эксперимента;

многомерного шкалирования, анализа надежности, кластерного анализа, нелинейной оценки, карт контроля качества, анализа процессов и др.

На рис. 47 показано главное окно программы STATIS-TICA в процессе выбора из меню модуля линейной регрессии. Представление исходных данных и результатов расчета приведено на рис. 48 и 49.

Широкие возможности пакет STATISTICA предоставляет при решении задач,
использующих метод планирования эксперимента (рис. 50). Пакет позволяет в зависимости от числа факторов автоматически сгенерировать матрицу планирования эксперимента (рис. 51), а затем в режиме анализа рассчитать коэффициенты регрессии, оценить их значимость (рис. 52) и проверить адекватность математической модели. Результаты построения математических зависимостей возможно представлять как в форме отчетов, так и в виде разнообразных графиков (рис. 53).