Материал: m34700

16

Глава 1. ПРОГРАММНОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Критерии оптимальности и работоспособности конструкций

Реализация в проекте наиболее целесообразных (оптимальных) решений может быть выполнена по следующим критериям оптимальности конструкций, неоднозначным и часто противоречивым: 1) минимизация массы; 2) минимизация габаритов; 3) минимизация энергозатрат при эксплуатации; 4) надежность; 5) технологичность; 6) экономичность и удовлетворение социальных требований. Разработка оптимальных по указанным критериям конструкций возможна только при условии обеспечения работоспособности – важнейшей характеристики деталей машин.

Работоспособностью называют состояние деталей, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической документацией (техническими условиями, стандартами и т. п.). Критерии работоспособности деталей машин – прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, вибростойкость, способность передавать движение за счет трения (прочность сцепления, тяговая способность), стойкость против коррозии и старения и др.

Обоснование важнейших для конструкции критериев работоспособности базируется на знании возможных причин потери ее работоспособности в данных условиях использования. Для де-

17

талей машин общего назначения такие критерии установлены, однако в каждом конкретном случае необходим анализ возможности и целесообразности использовать известные методики расчетов (в том числе стандартные), основанные на типовых причинах повреждения конструкций.

Методы оценки прочностной надежности машин основаны на сопоставлении расчетных и допускаемых напряжений, расчетных и допускаемых значений запасов прочности, расчетных и допускаемых нагрузок, на расчете вероятности разрушения.

Жесткость деталей машин оценивается сопоставлением расчетных и допускаемых деформаций (прогибов, углов поворота сечений или осей и т. п.), расчетных и допускаемых по жесткости нагрузок.

Износостойкость (триботехническая надежность) определяется сопоставлением расчетного среднего контактного напряжения – удельного давления и допускаемого давления по приемлемой износостойкости. Если режим трения пары определяется не только давлением, но и скоростью скольжения, то в качестве критерия надежности используют удельную мощность трения. Этот критерий может применяться и для косвенной оценки тепло напряженности пары трения. Такой оценки износостойкости присущи существенные недостатки, позволяющие сделать заключение только об условно приемлемой износостойкости.

Теплостойкость характеризуется сопоставлением расчетных и допускаемых значений температур смазки и деталей или производных параметров – площади охлаждения и т. п.

Вибростойкость считается приемлемой, если частота колебаний системы (частота вращения, например, для валов) отличается от собственной частоты колебаний (резонансной) не менее чем на 30%.

Прочность сцепления (тяговая способность) оценивается по способности передавать нагрузку за счет сил трения.

Стойкость к коррозии и старению обеспечивается выбором материалов деталей и условиями их использования. Расчетные значения таких параметров обычно не вычисляются.

Обеспечение достаточной, не завышенной, работоспособности достижимо при алгоритмизации расчетов по основным критериям работоспособности с применением электронно-вычислительной

18

техники. При этом открывается перспектива создания оптимальных конструкций по одному или нескольким критериям.

В теории оптимизации критерии называются целевыми функциями, каждая из которых зависит от ряда переменных, представляющих собой проектные параметры. Например, при оптимизации зубчатого редуктора проектными параметрами могут быть передаточные числа, числа зубьев шестерен и колес в каждой ступени, межосевое расстояние т. д. В процессе решения оптимизационной задачи проектные параметры выбирают из ограниченной различными условиями области пространства их возможных значений. Решение задачи сводится к нахождению оптимальных значений проектных параметров, при которых целевая функция достигает минимума или максимума. При этом если целевая функция имеет несколько экстремумов (локальных), то задача оптимизации требует нахождения глобального экстремума. Возможна и иная постановка задачи оптимизации: отыскание проектных параметров, при которых удовлетворяются значения нескольких целевых функций (обычно взаимопротиворечивых), не выходящих за допустимые пределы. Выбор одного, наиболее важного, критерия оптимизации (одноцелевой функции) существенно облегчает решение задачи.

При конструировании деталей машин число проектных параметров невелико и область их возможных значений существенно ограничена, поэтому решение можно проводить методом прямого перебора вариантов. Такой подход позволяет построить четкий алгоритм расчета с применением ЭВМ, однако затраты машинного времени здесь могут оказаться значительными. Для сокращения времени расчета в этом случае применяют целенаправленный перебор вариантов, исключая в процессе решения задачи из рассмотрения отдельные области пространства проектных параметров.

Умение подготовить практическую задачу для ее реализации на ЭВМ положено в основу методологии учебного проектирования. При этом в центре поля зрения студента остаются физические представления и инженерная суть проводимых вычислений.

1.2. Расчетно-аналитические системы

19

Автоматизированный технический анализ и проектирование как современные виды деятельности инженера реализуются на базе стремительного развития персональных компьютеров и программных продуктов «среднего» класса для Windows 95/ 98/ NT. Системы "тяжелого" класса ориентированы на компьютерные рабочие станции и доступны только крупным и финансово благополучным предприятиям. Системы "легкого" класса характерны для разработок вузов и предприятий, ориентированных на решение конкретных задач обеспечения учебного процесса и производства.

В мире сложилась система программного обеспечения инженерной деятельности:

CAD – Сomputer aided design – инженерное программное обеспечение для проектирования и конструирования;

CAM - Сomputer aided manufacturing – общее наименование инженерного программного обеспечения для подготовки производства;

CAE - Сomputer aided engineerind – программное обеспечение для проведения расчетов (прочность, динамика, акустика и т. п.).

Рынок программных продуктов для инженеров обширен, сложен и динамичен. Развитие идет по пути создания «сквозных» CAD/CAM/CAE – систем, однако сформировались и эффективно используются как отдельные системы, так и CAD/CAM, CAD/CAE – системы, технологические системы. Для системы высшего и среднего специального образования России есть возможность использовать отечественные разработки, выполненные на уровне лучших мировых стандартов, а по ряду показателей не имеющие аналогов в мире.

Изучение опубликованных материалов о программных продуктах российских компаний показало, что расчетноаналитические САЕ – системы наиболее комплексно разрабатывает научно-технический Центр «Автоматизированное проектирование машин», создавший инструментально-экспертную систему АРМ WinMachine. С использованием уникального опыта конструирования машин, который нарабатывался долгие годы в многочисленных лабораториях и конструкторских бюро отраслевых научно-исследовательских институтов и предприятий нашей

20

страны, разработана по сути электронная энциклопедия по машиностроению.

АРМ WinMachine включает в себя инструменты и программы для автоматизированного расчета и проектирования деталей машин, механизмов, элементов конструкций и узлов в области машиностроения и строительства. Она имеет современные графические средства, в том числе чертежно-графический редактор АРМGraph, превращаясь таким образом в САD/САЕ – систему.

Встроенные базы данных, необходимая информационная база знаний, разветвленная система подсказок и фундаментальный электронный учебник по основам проектирования машин делают АРМ WinMachine одинаково эффективной для использования в инженерной деятельности и в учебном процессе.

Структура АРМ WinMachine основана на разделении проектируемых деталей в зависимости от их назначения на модули, которые могут функционировать самостоятельно. Единый комплекс АРМ WinMachine состоит из следующих модулей:

•WinJoint – модуль расчета и проектирования соединений деталей машин и элементов конструкций, который позволяет выполнить комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения.

•WinTrans – модуль проектирования передач вращения. Эта подсистема предназначена для расчета всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач и выполнения чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме.

•WinScrew – модуль для расчета неидеальных передач поступательного движения. Эта система способна рассчитать винтовые передачи скольжения, шарико-винтовые и планетарные винтовые передачи.

•WinBear – модуль расчета неидеальных подшипников качения. Выполняет комплексный анализ опор качения всех известных типов.

•WinPlain – модуль расчета и анализа радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения.

•WinShaft – модуль расчета, анализа и проектирования валов и осей.