1. Технология машиностроения Научная специальность

«Технология машиностроения» - отрасль технических наук, занимающаяся разработкой средств, методов и приемов человеческой деятельности, для изготовления изделий, с обеспечением качества технологического процесса как совокупности свойств, определяющих технико-экономические показатели, эргономические, а также экологические и показатели безопасности.

Учебная специальность

«Технология машиностроения» как учебная дисциплина - отрасль технических наук об изготовлении машин требуемого качества в установленном производственной программой количестве и в заданные сроки при наименьших затратах живого и овеществленного труда, т.е. при наименьшей себестоимости.

3. Инновации в компьютерном сопровождении жизненного цикла изделий

Непрерывное компьютерное сопровождение жизненного цикла изделия включает основные программные пакеты, каждые из которых выполняет отдельную функцию.

Программный пакет ADAMS.

Модуль ADAMS/View — это инструментальное средство для моделирования кинематических процессов механики. Он может использоваться для создания и моделирования любой механической системы, содержащей движущиеся части. Проверка модели может проводиться в том же самом окружении, в котором находится реальное изделие. Можно также проверить правильность модели по данным стендовых (физических) испытаний и усовершенствовать модель с гибкими частями, реалистической геометрией и средствами управления. Наконец, можно определить важные параметры, воздействующие на модель и найти правильную комбинацию расчетных значений, чтобы достигнуть наилучших характеристик изделия.

ADAMS/Solver — это приложение численного анализа, которое автоматически решает уравнения

движения для кинематической, статической, квазистатической и динамической моделирований. ADAMS/Solver можно использовать для создания, тестирования и усовершенствования моделей механических систем. При использовании ADAMS/Solver вместе с дополнительным модулем ADAMS/Linear можно также выполнять линеаризацию имитации. После этого можно перенести результаты имитации из ADAMS/Solver в графический интерфейс пользователя, подобный ADAMS/View, что позволяет анимировать и оптимизировать модели, создавать графики, автоматизировать процесс имитации и настраивать интерфейс для удовлетворения специфических потребностей пользователя.

Модуль ADAMS/Durability предназначен для создания виртуальных прототипов механической динамики. Он расширяет традиционный процесс проектирования долговечности (durability) с использованием натурных испытаний в виртуальный мир. Используя ADAMS/Durability можно читать и записывать хронологическую информацию о нагрузках, силах и ускорениях в следующих стандартизованных форматах:

ADAMS/Durability взаимодействует с измеренными хронологиями загрузки, такими как, например, нагрузка шпинделя транспортного средства, и обеспечивает связь с такими программами анализа долговечности, как nSoft, MSC/FATIGUE, а также со стендами испытаний на долговечность (durability test machines).

Модуль ADAMS/Flex позволяет добавлять гибкие тела к моделям ADAMS для достижения более реалистичных результатов моделирования. Для использования ADAMS/Flex необходимо иметь доступ к пакету конечно-элементного моделирования (например, ANSYS или LS-DYNA), которая взаимодействует с ADAMS, так что можно подготовить конечно-элементную модель, которая затем должна быть встроена в модель ADAMS.

Модуль ADAMS/lnsight предназначен для проведения экспериментов над проектами механической динамики. Он позволяет проводить сложные эксперименты для измерения характеристик механической системы. Он также содержит набор статистических инструментов для проведения анализа результатов экспериментов с тем, чтобы можно было лучше понимать, как совершенствовать и улучшать систему.

Модуль ADAMS/Tire предназначен для добавления шин к механической модели. Он позволяет моделировать силы и моменты, действующие на шину при ее перемещении по шоссе или пересеченной местности. Модуль ADAMS/Tire можно использовать вместе с другими специализированными продуктами ADAMS для моделирования таких маневров транспортного средства, как торможение, управление, ускорение, свободное прокручивание или пробуксовка. Кроме того, модуль позволяет пользователю создавать свои собственные модели шины и дороги.

Модуль MECHANISM/Pro помогает изучить движение механизма, созданного в программном пакете Pro/ENGINEER. При этом в последний добавляется меню, позволяющее непосредственно в пакете Pro/ENGINEER задавать и анализировать механизмы. Для создания механизма в программном пакете Pro/ENGINEER реализуется процесс добавления элементов, которые определяют, как будет работать этот механизм. После этого механизм подвергается моделированию в модулях MECHANISM/Pro и ADAMS/Solver, так что можно будет определить, как этот механизм будет вести себя в движении. Результаты моделирования можно просматривать также в виде анимации, показывающей движение механизмов.

Модуль ADAMS/Car создает, каталогизирует и моделирует законченные транспортные средства на основе шаблонов.

Модуль ADAMS/Controls помогает добавить сложные средства управления к модели ADAMS. ADAMS/Controls позволяет подключать модель ADAMS к блок-схемам, которые были получены в таких приложениях управления, как EASY5, MATLAB или MATRIX X. Он позволяет также в интерактивном режиме просматривать результаты моделирования в модуле ADAMS/View.

Модуль ADAMS/DMU Replay является программным инструментом, который дает возможность воспроизводить анимацию программного продукта CATIA 5 с результатами моделирования ADAMS.

Модуль ADAMS/Driver позволяет добавлять управляющие воздействия от управления человеком к моделированию законченного транспортного средства. Эти действия включают операции рулевого управления, торможения, дросселирования, переключения передач и сцепления.

Модуль ADAMS/Engine — это специализированная среда для моделирования двигателей. Он позволяет формировать и изменять кинематические последовательности клапанов двигателей и механизмы их распределения, с последующим их анализом, чтобы понять их упруго-кинематическое и динамическое поведение. Тем самым модуль ADAMS/Engine позволяет создавать виртуальные прототипы подсистем двигателей и анализировать эти прототипы подобно анализу физических прототипов.

Модуль ADAMS/Hydraulics позволяет моделировать жидкостные каналы и проверять, как такие каналы взаимодействуют с механическими моделями. Он содержит все гидравлические компоненты, которые необходимы для моделирования гидравлических каналов: клапаны, насосы, цилиндры и т.д. Тем самым модуль ADAMS/Hydraulics представляет собой мощную открытую среду для полного моделирования сложных гидравлически-управляемых механизмов и систем.

Модуль ADAMS/Linear используется для линеаризации модели ADAMS. Существует ряд приложений, в которых линеаризованное представление модели может обеспечивать важное проникновение в динамическое ее поведение.

Модуль ADAMS/Rail предназначен для создания и каталогизирования железнодорожного транспортного средства с последующим моделированием его динамики.

Модуль ADAMS/SDK позволяет разработчику расширять возможности моделирования пакета ADAMS при создании моделей в базе данных моделирования ADAMS, запуске моделей в модуле ADAMS/Solver и извлечении результатов моделирования.

Модуль ADAMS/Vibration реализует моделирование в частотной области. Посредством его можно изучать принудительные колебания в моделях ADAMS, а также предсказывать воздействия колебаний в автомобилях, поездах, самолетах и т.п.

Программный пакет ANSYS

Категории моделирования в ANSYS:

• структурное моделирование

• связанное моделирование

• сложное моделирование

• тепловое моделирование

• моделирование поведения жидкостей

• моделирование электромагнитных явлений

Структурное моделирование

Ниже описываются семь типов структурных моделирований, доступных в программе ANSYS. В структурном моделировании рассчитываются первичные неизвестные величины (степени свободы узлов), называемые перемещениями. Другие величины, такие как давления, напряжения и силы реакции получаются затем из этих смещений узлов.

Можно выполнять следующие типы структурных моделирований:

1. Статическое моделирование (static analysis). Используется для определения перемещений, напряжений и т.д. при условии статических нагрузок как для линейных, так и нелинейных деформаций. Нелинейности могут включать пластичность, ужесточение напряжения (stress stiffening), большой прогиб, большое напряжение, гиперпластичность, поверхности соприкосновения и ползучесть.

2. Модальное моделирование (modal analysis) (анализ форм колебаний). Используется для вычисления естественных частот и формы колебаний структуры. Доступны различные методы выделения формы.

3. Гармоническое моделирование (harmonic analysis). Используется для определения отклика структу­ры на гармонично изменяющиеся во времени нагрузки.

4. Переходное динамическое моделирование (transient dynamic analysis). Используется для определения отклика структуры на произвольно изменяющиеся во времени нагрузки. Доступны все виды нелинейностей, упомянутых для статического моделирования.

5. Спектральное моделирование (spectrum analysis). Расширение модального моделирования, используемое для вычисления напряжений и давлений при наличии спектра отклика или PSD (случайные колебания).

6. Моделирование смятия (buckling analysis). Используется для вычисления нагрузки смятия и опреде­ления формы колебаний смятия как для линейных, так и нелинейных деформаций.

7. Явное динамическое моделирование (explicit dynamics analysis). Программа ANSYS реализует взаимодействие со встроенным в нее программным пакетом LS-DYNA, предназначенным для явного моделирования в конечных элементах, и используемого для моделирования динамических откликов при больших деформациях и сложных условиях соприкосновения.

В дополнение к вышеупомянутым типам моделирования доступны также несколько типов моделирования специального назначения:

• развитие трещин в материалах;

• композитные материалы

• усталость материалов;

• моделирование балки.

Связанное моделирование

Связанное моделирование — это такое моделирование, которое принимает во внимание взаимодействие между двумя или большими дисциплинами (физическими областями) разработки. Например, пьезоэлектрическое моделирование реализует взаимодействие между структурой и электрическими эффектами: оно решает задачу о распределении напряжений согласно приложенным сдвигам, или наоборот. Другие примеры связанного моделирования: «теплота-напряжение», «теплота-электричество», «жидкость-структура» и т.п.

Сложное моделирование

Методы сложного моделирования включают оптимизацию модели, вероятностное проектирование, адаптивное наложение сетки.

Другие приложения, в которых может потребоваться связанное моделирование: давление в резервуарах (моделирование «теплота-давление»), сжатие потока жидкости (моделирование «жидкость-структура»), индукционный нагрев (моделирование «магнетизм-теплота»), ультразвуковые преобразователи (пьезоэлектрическое моделирование), формирование магнетика (моделирование «магнетизм-структура»), микроэлектромеханические системы.

Тепловое моделирование

Моделирование установившихся тепловых состояний и переходных тепловых процессов.

Моделирование поведения жидкостей

Моделирование потока жидкости ламинарного или турбулентного, теплового или адиабатического, сжимаемого или несжимаемого, а также моделирование процесса переноса жидкости различных разновидностей и объема.

Моделирование электромагнитных явлений

Моделирование электромагнитных явлений в статике, гармонических колебаний, переходных процессов; моделирование текущей проводимости; электростатическое и схемотехническое моделирования.

Программный пакет LS-DYNA 950

Программный пакет LS-DYNA представляет собой инструментальное средство общего назначения для работы с конечно-элементными моделями для анализа реакции структур, проявляющейся в виде деформации, на большие динамические воздействия внешней среды, включая структуры, связанные с жидкостями. Реализованный алгоритм соприкосновения-соударения позволяет легко моделировать трудные задачи соприкосновения с теплопередачей, включая пересечение контактных соприкосновений.

Для использования пакета LS-DYNA в автомобильной промышленности в него введены специальные возможности для моделирования воздушных подушек, датчиков и ремней безопасности. Для элементов оболочек возможно адаптивное повторное наложение сетки, что находит широкое применение в приложениях по штамповке металлических листов. Текущая версия пакета LS-DYNA содержит около сотни основных моделей и десять уравнений состояний для покрытия широкого диапазона поведения материалов. Пакет LS-DYNA может работать на различных рабочих станциях, больших, многопроцессорных и персональных компьютерах.

В CALS технологиях можно выделить укрупненно связанные между собой блоки: ERP (Enterprise Resource Planning) и PDM (Project Data Management). Их назначение связано с решением организационно-технических проблем производства. Эти блоки позволяют проводить многовариантные численные исследования с целью поиска оптимальных схем управления производством, ресурсами и т.д.

Блок ILS (Integrated logistic Support) позволяет моделировать материалопоток и логистику, т.е. находить оптимальные пути синхронной работы всех звеньев производства по подаче материалов, комплектующих и компонентов одновременно и по необходимости во времени.

Объектами производства машиностроительной промышленности являются различные машины.

Машина — это механизм или сочетание механизмов, осуществля­ющих целесообразные движения для преобразования энергии или производства работ. В зависимости от основного назначения раз­личают деэ класса машин: машины-двигатели, с помощью которых один вид энергии преобразуется в другой, удобный для использова­ния, и рабочие машины (машины-орудия), с помощью которых производится изменение формы, свойств и положения объекта труда.

Машины, механизмы и установки, их агрегаты или детали в про­цессе производства их на машиностроительном предприятии яв­ляются изделиями.

Изделие — это предмет или набор предметов производства, под­лежащих изготовлению на предприятии.

Изделия в зависимости от их назначения делят на изделия основ­ного и вспомогательного производства. К изделиям основного произ­водства относятся изделия, предназначенные для поставки (реализации), а к изделиям вспомогательного производства — изде­лия, предназначенные только для собственных нужд изготовляющего их предприятия.

Различают специфицированные и неспецифицированные изделия. Специфицированное изделие - изделие, состоящее из нескольких частей. Неспецифицированное изделие: - изделие, не имеющее составных частей.

Стандартами установлены перечисленные ниже виды изделий.

Деталь — это изделие, изготовленное из однородного по наимено­ванию и марке материала без применения сборочных операций (например, валик из одного куска металла, литой корпус и т. п.). У каждой детали, участвующей в сборке, имеются сопрягающиеся и несопрягающиеся поверхности. Первые при сборке соприкасаются с поверхностями других деталей, образуя соответствующие сопря­жения. При этом различные сопрягающиеся поверхности могу иметь различное назначение. Одни из них служат для присоединения данной детали к другим деталям (например, нижняя плоскость передней бабки токарного станка сопрягается с соответствующей поверхностью станины и определяет этим положение передней бабки относительно станины; шейки шпинделя станка, сопрягаясь с отверстиями вкладышей подшипников, определяют положение шпинделя станка; хвостовик турбинной лопатки, сопрягаясь с соответству­ющими пазами ротора, задает конкретные положения турбинной лопатке и т. д.). Такие поверхности называются основным базами. Другие сопрягаемые поверхности служат для присоединения к дан­ной детали других деталей сборочного соединения и носят название вспомогательных баз (например, поверхность станины, на которую опирается основная база передней бабки станка — ее нижняя пло­скость, является вспомогательной базой станины; отверстие вкла­дыша подшипника, в котором устанавливается шпиндель станка, является вспомогательной базой вкладыша и т. д.). Таким образом, при сборке соединений основные базы одной детали опираются на вспомогательные базы другой. Сопрягающиеся поверхности, име­ющие назначение выполнять некоторые рабочие функции (поверх­ность шкива, соприкасающаяся с приводным ремнем; поверхность резьбы в винтовых механизмах; рабочая поверхность турбинной лопатки, соприкасающаяся с рабочим паром или газовой смесью и т. п.), называются функциональными (исполнительными или рабо­чими).

Функциональные (исполнительные) поверхности детали могут быть и несопрягающимися (например, отражательная поверхность зеркала и т. n.).j

Остальные поверхности детали являются несопрягающимися («свободными») и служат лишь для оформления требуемой конфигурации детали. Они часто не обрабатываются или обрабатываются с пониженной точностью для предотвращения отрыва от необработан­ной поверхности окалины или для уравновешивания и балансировки быстро вращающихся деталей.

Базовые детали — это детали с базовыми поверхностями, вы­полняющие в сборочном соединении (в узле) роль соединительного звена, обеспечивающего при сборке соответствующее относительное положение других деталей. Применительно к общей сборке изделия, когда основными сборочными элементами являются уже собранные сборочные соединения (узлы), одно, из этих соединений, удовлетво­ряющее изложенному выше требованию (сформулированному для базовой детали), называется базовым сборочным соединением (базовым узлом).

Сборочная единица (узел) — это часть изделия, которая соби­рается отдельно и в дальнейшем участвует в процессе сборки как одно целое. Составные части сборочной единицы подлежат соедине­нию между собой на предприятии-изготовителе сборочными опера­циями (свинчиванием, склеиванием, клепкой, опрессовкой и т. п.); например, собираются шпиндельный узел, коробка скоростей, ротор турбины, составной коленчатый вал и т. п.

Сборочные единицы (узлы), в процессе общей сборки непосред­ственно входящие в изделие, называются сборочными единицами первого порядка. Сборочные единицы, входящие в сборочную еди­ницу первого порядка, называются сборочными единицами второго порядка и т. д.

Отдельные детали (например, крепежные) могут входить в сбо­рочные единицы любого порядка или непосредственно в собираемое изделие (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема сборочных элементов

Собранное изделие может рассматриваться как сборочная единица нулевого порядка.

Сборочный комплект – это группа составных частей изделия, которые необходимо подать на рабочее место для сборки изделия (ГОСТ 3.1109-82).

Объектами производства ма­шиностроительных предприя­тий могут быть комплексы и комплекты изделий, кроме от­дельных машин и их частей.

Комплекс — это два и более, специфицированных (состоящих из двух и более составных ча­стей) изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполне­ния взаимосвязанных эксплуа­тационных функций; например: автоматическая линия, цех-автомат, станок с ЧПУ с управляющими панелями и т. п.

Комплект — это два и более изделий, не соединенных на пред­приятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набор изделий, которые имеют общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера; например: комплекты запасных частей, инструмента и принадлежностей, измерительной аппаратуры, упа­ковочной тары и т. п.

Комплектующее изделие — это изделие предприятия-поставщика, применяемое как составная часть изделия, выпускаемого предпри­ятием-изготовителем. Составными частями изделия могут быть детали и сборочные единицы (ГОСТ 3.1109—82).

Для построения эффективного технологического процесса сборки необходимо расчленить изделие на ряд сборочных единиц и деталей. Такое расчленение производится на стадиях конструкторской под­готовки производства при разработке конструкции изделия (рис. 1.1). При этом составные части (сборочные единицы) могут быть спроек­тированы с учетом конструктивных или технологических требований. В соответствии с этими требованиями различают конструктивные сборочные единицы и технологические сборочные единицы или узлы.

Конструктивная сборочная единица — это единица, спроектиро­ванная лишь по функциональному принципу без учета особого значения условий независимой и самостоятельной сборки. Примером таких сборочных единиц могут быть механизмы газораспределения, системы топливопроводов и маслопроводов двигателя и т. п.

Технологическая сборочная единица или узел — это сборочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей изделия (или изделия в целом) и выполнять определенную функцию в изделиях одного назначения только совместно с другими составными частями (ГОСТ 23887—79). На рис. 5.2 представлена схема расчленения консольно-фрезерного станка.

Наилучшим вариантом конструкции является сборочная единица, которая отвечает условию функционального назначения ее в изделии и условию самостоятельной независимой сборки. Это так называемая конструктивно-технологическая сборочная единица. К таким единицам можно отнести насосы, клапаны, вентили, коробки ско­ростей, коробки передач и т. п.

Принцип конструирования изделий из таких единиц называется агрегатным или блочным. Из конструктивно-технологических сбо­рочных единиц формируются агрегаты.

Рис. 5.2. Схема расчленения консольно-фрезерного станка: 1 — станина; 2 — поворотная головка; 3 — стол и салазки; 4 — консоль; 5 т коробка подач; 6 — электрооборудование; 7 — коробка переключений; 5 - коробка скоростей

Агрегат — это сборочная единица, обладающая полной взаимо­заменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия (или изделия в целом) и способностью выполнять определенную функцию в изделии или самостоятельно. Сборка изде­лия или его составной части из агрегатов называется агрегатной или модульной.

Агрегатно-сборочная единица, обладающая полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия и способностью выполнять определённую функцию в изделии самостоятельно.

Преимущества агрегатного (модульного) принципа проектирования:

- лучшие технико-экономические показатели, как в изготовлении, так и в эксплуатации и ремонте;

- цикл сборки сокращается;

- повышается качество сборки (каждая сборочная единица может быть испытана независимо от других единиц);

- улучшаются условия эксплуатации (замена отдельных частей);

- организация ремонта упрощается за счёт уменьшения количества изделий;

- ремонт может быть проведен каждого агрегата в отдельности.

Пример агрегатной (модульной) конструкции авиационного двига­теля показан на рис. 1.3.

Каждая сборочная единица включает в себя определенные виды соединений деталей. По возможности относительного перемещения составных частей соединения подразделяются (рис. 1.4) на подвижные и неподвижные.

По сохранению целостности при сборке соединения подразде­ляются на разъемные и неразъемные. Соединение считается разъем­ным, если при его разборке сохраняется целостность его составных частей, и неразъемным, если при разборке его составные части по­вреждаются и их целостность нарушается.

При этом соединения могут быть: неподвижными разъемными (резьбовые, пазовые, конические); неподвижными неразъемными (со­единения запрессовкой, развальцовкой, клепкой); подвижными разъемными (подшипники скольжения, плунжеры-втулки, зубья зубчатых колес, каретки-станины); подвижными неразъемными (подшипники качения, запорные клапаны).

Количество разъемных соединений в современных машинах и механизмах составляет 65—85 % от всех соединений.

Неразъемные соединения в процессе эксплуатации и ремонта нередко подвергаются разборке, вызывающей большие затруднения и часто приводящей к порче сопряженных поверхностей (одной или обеих деталей соединения), а также дополнительной пригонке, доработке или замене.

Рис. 5.3. Модульная конструкция авиационного двигателя:

1 — вентилятор; 2 — компрессор среднего давления; 3 — переходный модуль; 4 — турбина привода компрессора среднего давления; 5 — турбина привода вентилятора; 6 — компрессор и турбина высокого давления; 7 - коробка при­водов

Количество разъемных соединений в современных машинах и механизмах составляет 65—85 % от всех соединений.

Неразъемные соединения в процессе эксплуатации и ремонта нередко подвергаются разборке, вызывающей большие затруднения и часто приводящей к порче сопряженных поверхностей (одной или обеих деталей соединения), а также дополнительной пригонке, доработке или замене.