Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

Сразвитием услуг сети Internet

впоследнее время усилия многих компаний, внедряющих программ но аппаратные средства автомати зированных систем, направлены на создание систем электронного инжиниринга (E engineering), где концентрируются предложения ус луг теми компаниями, которые связывают свой бизнес с CAD/ CAM/CAE/PDM, т.е. PLM техно логиями.

Технология интегрированного информационного пространства и управления данными – это техно логия взаимодействия производите лей, поставщиков и покупателей на различных этапах жизненного цик ла изделий, направленная на опти мальное удовлетворение потребно стей заказчиков в продукции и ус лугах. Благодаря более высокой сте пени специализации предприятий, возможности проектирования под заказ, комплексному учету затрат на проектирование, изготовление, дос тавку продуктов минимизируются временные и финансовые затраты при высоком качестве изделий. Главное назначение PLM техноло гий – обеспечивать информацион ную согласованность действий всех участников процесса создания про дукции. Состав и число участников может быть непостоянным и весьма значительным и определяется кон кретными условиями.

Любая из рассмотренных авто матизированных систем представ ляет собой комплекс специализиро ванных видов обеспечения: техни ческого, программного, информа ционного, математического, линг вистического, методического и ор ганизационного, взаимодействие ко торых также должно быть скоорди нировано.

Для достижения должного уров ня взаимодействия промышленных

автоматизированных систем требу ется создание единого информаци онного пространства в рамках как отдельных предприятий, так и объе динения предприятий или отраслей.

Краткий обзор методов и средств PLM технологий показывает, на сколько сложна и наукоемка эта проблема. Для успешного примене ния современных информационных технологий в промышленности не обходимо располагать квалифици рованными инженерными кадрами, знающими и умеющими использо вать PLM технологии.

Ранее были рассмотрены общие вопросы, связанные с разработкой конструкторского проекта двигате ля, включая этапы проектирования и роль современных информацион ных технологий в процессе проек тирования. В общем случае под проектированием понимается "уни кальный" процесс, состоящий из набора взаимоувязанных и контро лируемых работ со сроками их нача ла и окончания и предпринимаемых для достижения соответствия кон кретным требованиям, включая ог раничения по финансовым затра там. С появлением систем автомати зированного проектирования (САПР) важное значение приобретают уточ нение и конкретизация понятия "проектирование".

Существует много его различных определений. При этом важно, что бы в определении термина "проек тирование" была отражена специ фика деятельности инженеров раз работчиков и специалистов в облас ти САПР. Учитывая изложенное, под проектированием следует пони мать целенаправленную последова тельность актов принятия проект ных решений, приводящую к по строению описания создаваемого объекта с заданной степенью дета лизации. Под описанием проекти

руемого объекта (двигателя) следует понимать документацию, представ ленную как в текстовом, так и в гра фическом или кодовом виде.

Автоматизированное проектиро вание (CAD) представляет собой технологию использования компью терных систем для облегчения созда ния, изменения, анализа и оптими зации проектов. К таким системам относятся как программы для гра фических работ, так и программы для анализа допусков, расчета мас соинерционных свойств, моделиро вания методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция (CAD) со стоит в определении геометрии кон струкции как информации, опреде ляющей все последующие этапы жизненного цикла изделия. Поэтому такие системы обычно считают сис темами автоматизированного проек тирования. Кроме того, информация о геометрии, определенной в рамках CAD, может использоваться в систе мах CAE и CAM, что является одним из наиболее значительных преиму ществ CAD, позволяющих эконо мить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимо стью определять геометрию объекта, когда она требуется в расчетах.

Эффективность применения CAD систем различна на разных этапах проектирования, поскольку на каждом таком этапе решаются различные задачи: на этапе техни ческого предложения разрабатыва ется концепция последнего, а по тому выполняются относительно простые построения; на этапе эс кизного проекта (ЭП) выполняют ся более подробные графические работы, включая трехмерные моде ли; наиболее сложные построения следуют на стадии технического проекта (ТехнП). Как правило, для разработки рабочей документации

(РД) вполне достаточны возможно сти легких систем (рабочие черте жи деталей являются двумерными).

При плоском представлении проектируемых деталей использует ся система AutoCAD и ее варианты. В последнее время широкое распро странение получили отечественные пакеты КОМПАС и T Flex. При по строении объемных твердотельных моделей сложных деталей двигате ля, таких как блок картер, головка цилиндров и другие применяются так называемые "тяжелые" системы, к которым относятся CATIA, Unigraphics, Pro/E. При прочност ном анализе ряда базовых деталей двигателя, таких как поршень, ша тун с успехом используются систе мы среднего уровня, например, Solid Works, Solid Edge, Компас, T Flex, отличающиеся большей дос тупностью в процессе освоения по сравнению с тяжелыми системами.

Автоматизированное конструи рование (CAE) – это технология, состоящая в использовании компь ютерных систем для анализа гео метрии CAD, моделирования и изу чения поведения объекта, для усо вершенствования и оптимизации его конструкции. Средства CAE мо гут осуществлять большое количе ство различных вариантов анализа. К таким средствам относятся сле дующие программы.

1.Кинематического анализа, способные определять траектории движения и динамику звеньев ме ханизма.

2.Динамического анализа с большими перемещениями и де формациями, используемые для моделирования поведения мате риалов при работе объекта или при оценке технологических процессов (например, процессы штамповки или другие быстропротекающие высоконелинейные процессы).

3.Расчета гидро и газодинами ческих процессов.

4.Верификации и анализа логи ки и синхронизации (имитируют работу сложных электронных це пей, например, при создании эле ментной базы для систем управле ния и т.д.).

Основным методом компьютер ного анализа является МКЭ, позво ляющий решать большинство диф ференциальных уравнений, описы вающих основные физические про цессы, происходящие в двигателе.

В настоящее время различными фирмами разработчиками предлага ется ряд универсальных программ ных комплексов, реализующих CAE на основе МКЭ и ряда других ме тодов и обеспечивающих процесс автоматизированного проектирова ния в области машиностроения. В табл. 10.1 приведены названия неко торых из них, получивших распро странение в двигателестроении.

Основное достоинство методов анализа и оптимизации конструк ций заключается в том, что они по зволяют конструктору увидеть пове дение конечного продукта и вы явить возможные ошибки до созда ния и тестирования реальных про

тотипов, соответственно избежав серьезных затрат. Поскольку стои мость конструирования на завер шающих стадиях изделия возрастает экспоненциально, то ранние опти мизация и модернизация, которые возможны только средствами мате матического моделирования (CAE), окупаются значительным сокраще нием сроков разработки и поста новки изделия на производство.

В области анализа (САЕ) в зави симости от места и задач расчетного анализа, как и в области компью терно ориентированного проекти рования (CAD), целесообразно при менять системы различного уровня с учетом возможностей работы с элементами двигателя различной степени геометрической сложности.

Автоматизированное производ ство (CAM) – технология, заклю чающаяся в использовании компь ютерных систем для планирования, управления и контроля производст венных операций через прямой или косвенный интерфейс с производ ственными ресурсами предприятия. Одним из основных подходов к ав томатизации производства является числовое программное управление (ЧПУ). Оно заключается в исполь

зовании программных средств при управлении оборудованием прежде всего при механической обработке изделий. В настоящее время компь ютерные программы позволяют в автоматическом режиме на основе геометрических параметров детали, полученных в CAD системах, гене рировать большие программы для станков с ЧПУ.

Кроме того, достигнуты значи тельные успехи в развитии средств автоматизации управления процес сом планирования производства и самим производством.

В настоящее время при реали зации CAМ технологий получают все бо' льшее развитие системы быстрого прототипирования (БПИ или RP). Первоначально техноло гии RP использовались именно как возможность трехмерной ви зуализации будущего объекта для его критического анализа конст рукторами и технологами. Даль нейшее развитие процессов БПИ обусловлено их все более широ ким применением в сфере произ водства. На рис. 10.2 показана схема эффективного применения технологии RP при изготовлении деталей.

Сокращение сроков изготовле ния весьма значительно, что дает до

полнительные конкурентные пре имущества производителю.

В основе процессов быстрого прототипирования лежат три этапа:

•формирование поперечных сечений изготавливаемого объекта;

•послойное наложение этих се чений;

•комбинирование слоев. Таким образом, для создания

объекта необходимо знание только данных о поперечных сечениях, при этом достаточно иметь трехмерную поверхностную или твердотельную модель детали, на основе которой будут сгенерированы данные попе речных сечений; не требуется опре делять геометрию пустого про странства, поскольку в ходе процес сов БПИ материал только добавля ется; отпадает необходимость в под боре технологий изготовления, под боре инструментов, в проектирова нии штампов и другой оснастки, так как процессы БПИ являются безинструментальными.

Слои поперечных сечений могут задаваться и комбинироваться од ним из нескольких способов.

1. Полимеризацией смол лазе ром, другими источниками света или лампами (процессы стереоли тографии и отверждение на твер дом основании).

Рис. 10.3. Модель блока цилиндров, получен ная способом быстрого прототипирования

2.Избирательным спеканием твердых частиц или порошка лучом лазера.

3.Связыванием жидких или твер дых частиц путем склеивания или сварки.

4.Резкой и ламинированием лис тового материала.

5.Плавлением и отверждением. На рис. 10.3 представлена модель

блока цилиндров двигателя, выпол ненная методом стереолитографии.

САМ системы подразделяются на легкие и тяжелые в зависимости от обеспечиваемой ими сложности обработки деталей. Последняя оп ределяется числом координат обра ботки, которое может быть равно 2; 2,5; 3; 4 и 5. Потребности примерно 80 % всего машиностроительного производства могут быть удовле творены легкими САМ системами (рис. 10.4), поскольку известно, что для изготовления основной массы деталей, входящих даже в сложные изделия (до 80 % всего объема ма шиностроительного производства) достаточно 2 или 2,5 координат ной обработки.

Прогресс автоматизированной разработки также привнес новую па радигму в проектирование и анализ. Прежде всего, системы геометриче

Рис. 10.4. Эффективность (Э) применения CAD систем (а ) и CAМ систем (б ):

1 – легкие системы; 2 – тяжелые системы

ского моделирования настолько продвинулись вперед за последнее десятилетие, что современные CAD системы способны обрабатывать мо дели деталей и агрегатов самой сложной геометрии и конструкции. Агрегат можно отображать, оцени вать и модифицировать как единое целое, а его движение – имитиро вать так же, как это делается с физи ческим прототипом. Еще одно дос тижение – это анализ МКЭ (а также методом контрольных объемов или граничных элементов). Он мог бы стать средством виртуальной оценки надежности и технических характе ристик продукта, если его вычисли тельную эффективность можно было бы улучшить до такой степени, что бы выводить результаты в реальном времени. Более того, производители CAD систем в настоящий момент

пытаются объединить геометриче ское моделирование с расчетными методами, в первую очередь, конеч ных элементов. Такая интеграция обеспечила бы непрерывное течение цикла проектирования и анализа. Использование изначально МКЭ в процессе проектирования для при нятия конструкторских решений по зволило бы сэкономить время и сни зить затраты, связанные с перепро ектированием.

Эти тенденции в инженерной науке сходятся в новом понятии –

виртуальная инженерия (virtual engineering). По сути, виртуальная инженерия — это разработка, осно ванная на имитации. Прогресс со временной имитационной техноло гии сделал возможным решение та ких задач, как численное моделиро вание большинства механических свойств системы и обнаружение столкновений между геометриче скими объектами в реальном време ни. Имитационные технологии по зволили успешно применить вирту альную инженерию в промышлен ности для сокращения затрат време ни и средств на разработку. Область применения виртуальной инжене рии расширяется и, достигнув зре лости, она станет главной состав ляющей процесса разработки.

Виртуальная инженерия — это имитационный метод, помогающий инженерам в принятии решений и управлении. Виртуальная среда представляет собой вычислительную структуру, позволяющую точно ими тировать геометрические и физиче ские свойства реальных систем. Виртуальная инженерия включает имитацию различных видов инже нерной деятельности, таких как ма шинная обработка, сборка, управле ние производственными линиями, осмотр и оценка, а также процесс проектирования. Таким образом,

виртуальная инженерия может охва тывать весь цикл разработки и про изводства продукта. После того как смоделирована деталь, имитируются ее машинная обработка и сборка. Затем также с помощью имитации собранный прототип тестируется, и в его конструкцию вносятся необхо димые изменения. Когда прототип одобрен, имитируются производст венная система и ее функциониро вание. Прогнозируются также себе стоимость и график поставок. В ре зультате этих имитаций получается оптимизированный конечный про тотип и производственные процеду ры, на основе которых затем реали зуется физическая система.

Виртуальная инженерия дает со вершенно новый подход к инженер ным задачам. Использование ими тации устраняет необходимость в дорогостоящих физических прото типах и физических экспериментах. Время разработки коренным обра зом сократится, появится возмож ность проверить большее количест во альтернативных вариантов кон струкции, повысится качество ко нечного продукта. Виртуальная ин женерия обеспечит также превос ходный интерфейс для клиента, по зволяя ему заранее увидеть трехмер ную модель продукта и запросить конструкторские изменения. Мож но построить прототип продукта, который недоступен, слишком опа сен или слишком дорог для того, чтобы создавать его в реальности. Такая возможность будет неоцени ма в автомобильной и авиационной промышленности, в которой физи ческие макеты стоят дорого, время разработки велико, продукты край не сложны и требуется глубокая об ратная связь с потребителями.

К виртуальной инженерии суще ствуют различные подходы. Посколь ку виртуальная инженерия – это за

рождающаяся технология, ее терми нология и определения еще не до конца устоялись. В производстве ос новным компонентом виртуальной инженерии является виртуальное производство (virtual manufacturing), определяемое как интегрированная синтетическая производственная сре да, используемая для расширения всех уровней принятия решений и управления. Оно может быть класси фицировано как проектно ориенти рованное, производственно ориенти рованное и управленчески ориенти рованное. Проектно ориентирован ное виртуальное производство – это имитационная среда для проектиро вания продукта и оценки возможно сти его производства. Производст венно ориентированное виртуальное производство – это имитационная среда для планирования технологи ческих процессов и производства. Управленчески ориентированное вир туальное производство – это имита ционная среда для моделирования функционирования производствен ного цеха.

Виртуальное производство мож но также классифицировать в тер минах жизненного цикла продукта как виртуальное проектирование, цифровую имитацию, виртуальное прототипирование и виртуальный завод. Виртуальное проектирование выполняется с помощью устройств виртуальной реальности. Цифровая имитация позволяет проверять и оценивать работу продукта без ис пользования физических прототи пов. В процессе виртуального про тотипирования строится компью терный прототип, имеющий те же геометрию и физическое поведение, что и реальный продукт. Виртуаль ный завод – это имитация завод ской производственной линии.

Виртуальное проектирование вы полняется в виртуальной среде с ис

пользованием технологий виртуаль ной реальности. Виртуальное проек тирование сосредоточивается на аль тернативном пользовательском ин терфейсе для процесса проектирова ния. Используя технологии виртуаль ной реальности, конструкторы могут погрузиться в виртуальную среду, создавать компоненты, модифициро вать их, управлять различными уст ройствами и взаимодействовать с виртуальными объектами в процессе конструкторской деятельности. Кон структоры могут видеть стереоскопи ческое изображение виртуальных объектов и слышать пространствен ный реалистичный звук. Эти изобра жение и звук возникают, когда рука конструктора управляет виртуальны ми рукой и пальцем. Прикосновение к виртуальному объекту ощущается конструктором в виде обратной свя зи. Тем самым замысел конструктора эффективно воплощается в проекте и проверяется функциональное пове дение конструкции.

Основная цель виртуального проектирования – позволить кон структору действовать интуитив ным и естественным образом. В системах геометрического модели рования, даже зная, что современ ные CAD системы предоставляют изощренные средства моделирова ния, взаимодействие конструктора с моделью ограничено. Возможно сти обзора ограничиваются изобра жением, спроецированным на мо нитор, а возможности ввода ин формации от конструктора – то чечными манипуляциями с мы шью. Таким образом, в рамках CAD технологии сегодняшнего дня кон структор является "одноглазым и однопалым". Более естественное взаимодействие, обеспечиваемое технологиями виртуальной реаль ности, дало бы конструктору бо' ль шую свободу и позволило бы ему

повысить креативность при созда нии модели.

Другая цель виртуального проек тирования – на ранних стадиях про ектирования учесть точку зрения по тенциального пользователя продукта.

В процессе проектирования мо гут быть в полной мере оценены та кие качества, как доступность и управляемость, поэтому третья цель – учесть при проектировании опыт экспертов в сборке или мани пулировании деталями. Этот опыт сложен и трудно формализуем, но система виртуального проектиро вания может пролить свет на поло жение пользователя, его взаимо действие с объектами и последова тельность операций сборки.

Виртуальное проектирование по требует совершенно иного подхода к моделированию трехмерной геомет рии. Например, меню и кнопки можно заменить технологией распо знавания речи или жестов. Если конструктор захочет изменить раз меры модели, то вместо того чтобы указать на нее, конструктор сможет взять ее в руки и растянуть. В связи с процессом виртуального проектиро вания непременно возникнут новые методы проектирования и схемы мо делирования.

Виртуальная инженерия облада ет достаточным потенциалом для того, чтобы стать значительной со ставляющей деятельности инжене ра, однако на сегодняшний день функциональность и возможности применения систем виртуальной инженерии ограничены. Чтобы виртуальная инженерия преврати лась в развитую технологию, необ ходимо получить возможность пол ностью отразить функциональное поведение физических систем по средством компьютерной имита ции. Рассмотрим некоторые свя занные с этим проблемы.

•Новые средства проектирова ния. Виртуальное проектирование предоставляет принципиально иную среду для разработки. В ней зрение является стереоскопическим, а взаи модействие с моделью конструкции осуществляется с помощью несколь ких органов чувств. Эта новая среда открывает возможности для появле ния новых методов проектирования

иподходов к моделированию. В бли жайшем будущем конструктор будет иметь возможность взять объект в руки и растянуть его или создать и изменить модель с помощью одного только голоса. Новый подход к мо делированию обеспечит более есте ственные и интуитивные способы создания моделей.

•Моделирование процессов и фи зических объектов. В настоящее вре мя возможности имитации сводят ся, главным образом, к кинематике. Моделирование динамических сис тем, деформируемых систем и жид ких систем обычно требует анализа МКЭ, занимающего большое коли чество вычислительных ресурсов. Чтобы это имело какую то ценность в качестве средства виртуального проектирования, данный анализ не обходимо производить в реальном времени. Для осуществления ими тации в реальном времени необхо димо компактное и точное модели рование. Более того, модели долж ны содержать информацию о своих физических свойствах и экспери ментальные данные, демонстри рующие их физическое поведение.

•Мера возможности производст ва. Производственные процессы различны, каждый процесс имеет свои собственные уникальные ха рактеристики. Таким образом, найти какую то общую методику, опреде ляющую возможность производства различных продуктов, представляет ся трудной задачей. Необходимы ис

следования определений возможно сти производства и методологии ее оценки. Помимо простого решения типа "да/нет" необходимо опреде лить количественную меру возмож ности производства. Кроме того, оценку возможности производства необходимо трансформировать в оценку продолжительности произ водственных процессов и затрат.

• Быстродействие системы. В

настоящий момент качество визуа лизации и имитации сильно ограни чивается быстродействием системы. Благодаря экспоненциальному росту скорости обработки и прогрессу тех нологии распределенных вычисле ний качество имитации улучшается. Однако быстродействие системы ос тается все еще слишком низким для полноценного виртуального проек тирования. Для визуализации требу ются детализированное трехмерное отображение и анимация с высокой частотой кадров. Оценка проекта включает анализ динамических сис тем и оптимизацию, которые требу ют больших вычислительных ресур сов. Кроме того, для обеспечения коллективной разработки необходи мо повысить скорость работы сетей, расширить полосу пропускания и увеличить число каналов.

•Стандарт интерфейса данных.

Виртуальное проектирование вклю чает в себя взаимодействие различ ных пакетов прикладных программ. Моделирование детали обычно про изводится в CAD системе, анализ – в программе анализа по МКЭ, а ком пьютерная имитация – в интерактив ной системе имитации производства. Для коллективной разработки необ ходимо, чтобы эти различные систе мы работали вместе. Стандартные интерфейсы баз данных и программ ного обеспечения являются ключом к виртуальному проектированию.

•Открытая архитектура. От крытая архитектура придает систе ме масштабируемость. Системы виртуального проектирования необ ходимо объединять с имеющимися

внастоящий момент инженерными системами для получения дополни тельной функциональности или ре шения разнотипных задач. Откры тая архитектура позволяет системе задействовать большой резерв ин женерных ресурсов и находить раз нообразные формы применения.

На рис. 10.5 представлен набор элементов, необходимых для функ ционирования современной САПР.

В случае системы виртуальной инженерии к приведенному обо

рудованию добавляются другие аппаратные средства, например, головные дисплеи. Головной дис плей – это устройство отображе ния с полным погружением. К та ким устройствам можно отнести следующие:

•небольшой экран, смонти рованный перед глазом пользо вателя, дает стереоскопическое изображение; бинокулярные все направленные мониторы (меха ническая версия головного дис плея);

•дисплеи пространственного по гружения (в таких дисплеях исполь зуется панорамный видеоэкран, ок ружающий пользователя, так что пользователь чувствует себя погру женным в виртуальную среду); они обеспечивают большое поле зрения и свободу передвижения в виртуальной среде;

•устройства осязания, дающие ощущение физического прикосно вения; такие устройства позволяют пользователям почувствовать ре альный объект через систему сило вой обратной связи, создающую иллюзию работы с реальным мате риалом.

В рамках PLM технологий пре дусмотрена система стандартов.

1. Стандарты, описывающие об щие принципы электронного обмена данными; регламентирующие обес печение безопасности данных (шиф рование, электронная подпись); оп ределяющие форматы и модели дан ных, способы доступа, технологии представления.

2. Стандарты на элементы PLM: стандарт ISO 13584 определяет тре бования к библиотекам (Parts Library); стандарт ISO 14959 (Para metrics) регламентирует данные па раметризованной модели и пред ставления знаний об изделии; стандарт ISO 15531 (Mandate) пред

назначен для описания производ ственного процесса.

3.Стандарты ISO 9000 – сово купность стандартов управления качеством продукции.

4.Стандарты ISO 10303 (STEP) – серия стандартов STEP, являющих ся основой PLM технологий и со стоящих из ряда компонентов, ис пользуемых на разных уровнях при организации информационного об мена в соответствии с принятым форматом обмена данных.

5.Стандарты ISO 14000 – груп па стандартов, определяющих эко логические требования к производ ству, промышленной продукции и содержащих термины, определе ния, экологический аудит, эколо гическую маркировку, оценку ха рактеристик экологичности, оцен ку полного жизненного цикла.

6.Стандарт MIL STD 1840С, по священный представлению и обмену данными в PLM технологиях опре деляет международные, националь ные, военные стандарты и специфи кации для электронного обмена ин формацией между организациями или системами.

Помимо перечисленных, следует назвать группу стандартов, исполь зуемых при создании интерактивных электронных технических руко водств: ГОСТ 2.503, ГОСТ 2.505, ГОСТ 19.603, ГОСТ 24.401 и ГОСТ 28.388, стандарты ISO 86.32 CGM, MIL M 87268, устанавливающие об щие требования к содержанию, сти лю, формату и средствам диалогово го общения пользователя с интерак тивными электронными и техниче скими руководствами, а также стан дарт MIL D 87268, устанавливаю щий требования к базам данных для интерактивных электронных техни ческих руководств и справочников, содержащий шаблоны документов на составные части технической до