Введение
Современные методы компьютерного моделирования позволяют облегчить решение большинства проблем, связанных с исследованием и совершенствованием конструкции автомобиля не прибегая к дорогостоящему физическому эксперименту. Их использование повышает количество получаемой полезной информации, сокращает сроки выполнения работ и существенно снижает их стоимость [53].
В настоящее время при проектировании, доводке и модернизации конструкции автомобилей практически все ведущие автомобильные фирмы мира широко используют математические методы. К сожалению, в отечественной практике, несмотря на наличие достаточно большого количества русскоязычной литературы по моделированию и доступных программных средств, эти методы недостаточно распространены [54, 55].
Повышение качества и конкурентоспособности промышленной продукции на современном этапе развития научно-технического прогресса находится в зависимости от информационного обеспечения процессов ее создания, производства, эксплуатации, утилизации. Быстрота и экономичность вывода на рынок новых машин сводится к соревнованию в области внедрения и применения наукоемких компьютерных технологий. Одна из успешных методик проектирования с использованием таких технологий изложена в работе [19] (рис. 1).
Дизайн и прототипирование
Автоматизированное проектирование
Моделирование и инженерный анализ
Виртуальные и стендовые испытания
Общая оценка машины
Опытный образец
Теория и критерии проектирования
Рис. 1 – Схема методики виртуального проектирования машин
Теория и критерии проектирования формулируются на основе требований заказчика, нормативных требований, критериев качества и конкурентоспособности машин. Этап дизайна и прототипирования выполняется с использованием моделей компьютерного дизайна и технологии быстрого прототипирования. Далее на базе CAD-систем осуществляется автоматизированный выбор конструктивных параметров деталей, узлов, систем машин. После проводится инженерный анализ: моделирование условий эксплуатации и нагруженности, статический, кинематический и динамический анализ машин, анализ прочности и ресурса. Проанализированная модель участвует в испытаниях, а затем производится ее общая оценка качества и конкурентоспособности. После оценивания приступают к созданию опытного образца [19].
Вышеприведенный пример – наглядное подтверждение того, как рациональное использование компьютерного моделирования позволяет ускорить и удешевить производство автомобильной техники.
В настоящей работе объектом исследования выступила рама автомобиля “модель 02 ВМК ВГТЗ”. Цель исследования: анализ напряженно-деформированного состояния для проверки обеспечения надежности рамы, выполняемый с применением современных программных комплексов моделирования и инженерного анализа.
Особенность транспортного машиностроения состоит в том, что внешние нагрузки, действующие на конструкцию, переменны во времени и прилагаются с частотой, зависящей от скорости движения, фактической нагрузки, состояния дороги и других факторов. При этом во время эксплуатации объекта возможны резонансные явления, могущие привести к высоким по отношению к номиналу, напряжениям и другим нежелательным явлениям, что способствует возникновению усталостных трещин, рост и развитие которых вызывает усталостное разрушение. Поэтому при подробном инженерном анализе рекомендуется также определять собственные формы и частоты колебаний, проводить расчет усталостного срока службы [12, 47].
Исходя из условий работы, расчет автомобилей от внешних нагрузок проводят для основных состояний эксплуатации и соответствующих им режимам нагружения. В настоящее время расчетом определить все нагрузки затруднительно, так как. автомобиль представляет собой сложную систему с многочисленными взаимодействующими друг с другом связями, что и определяет в значительной степени нагруженность автомобиля.
Возникающие в процессе движения автомобиля нагрузки определяются профилем дороги, а также жесткостными и инерционными параметрами автомобиля. Для учета всех нагрузок необходимо иметь подробную динамическую модель. Автомобиль следует рассматривать как пространственную систему, основными элементами которой являются взаимодействующие подсистемы: колеса, подвеска, рама, двигатель, коробка передач, кабина, фургон, прочие механизмы. Динамическая модель должна учитывать крутильную жесткость рамы и жесткость ее в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Моделируя подвеску, необходимо учитывать не только вертикальную жесткость рессор, но и возможность закручивания их от усилий взаимодействия с рамой. [14].
Обычно конструкции автомобилей при расчете представляют конечно-элементными моделями. Наиболее подходящим для автомобилей считается метод конечных элементов в варианте метода перемещений (деформаций). Однако этот метод в автомобилестроении мало распространен, что объясняется необходимостью использования большого числа элементов для построения моделей, а также слабой изученностью связей, соединяющих подсистемы автомобиля, что снижает эффективность использования уточненных моделей подсистем, поэтому более распространен метод напряжений [61].
На сегодняшний день доступно большое количество литературных источников, посвященных расчету несущих систем транспортных средств, особенно выпуска 70-80-х гг., однако сведения об использовании методов конечных элементов в них достаточно скудны. При этом зачастую применялись авторские, недоступные открытому большинству, программы расчета, как правило, использующие самые простые конечные элементы в силу малости вычислительных мощностей того времени.
На настоящий момент, вычислительные мощности даже персональных компьютеров позволяют использовать трехмерные конечные элементы в подробных моделях технических объектов, что означает необходимость разработки новой, более сложной методики расчета несущих систем, которая приведет в результате к появлению более легких, дешевых, надежных, эффективных конструкций.
1 Обзор программных средств моделирования и расчета, компьютерных исследований конструкций автомобилей
1.1 Обзор программных комплексов, использующих методы дискретизации
В случае доводки существующей конструкции наиболее важным этапом виртуального проектирования является моделирование и инженерный анализ. Используемые программные комплексы можно подразделить по видам решаемых задач, среди которых выделяют группы – задачи прочности, теплопередачи, гидро- и газодинамики, виброакустики, управления, динамики движения [25].
Наиболее широко используются программы, основанные на использовании методов дискретизации – методе конечных элементов, граничных элементов и т. д. Такие программы решают задачи прочности, теплопередачи, гидродинамики, виброакустики. Их внедрение на предприятии легко, они сочетаются с формой представления конструкторской документации и не противоречат иерархической структуре процесса проектирования [27].
Форма представления конструкторской документации в основном имеет графический вид, поэтому насыщенность конструкторских подразделений графическими программами высока. А геометрическая информация является входной для методов дискретизации и требует мало дополнительных данных для использования в расчете. С другой стороны, отработанная технология проектирования существующих типов машин, например, автомобиля, характеризуется разбиением всей конструкции на отдельные узлы, которые разрабатываются независимо, на основе сложившихся технических условий и норм. Этот фактор также благоприятно сказывается на совместимости программных средств первой группы с техпроцессом проектирования [58].
Программные средства этой группы относят к CAE-системам, т.е. средствам автоматизации инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов, что позволяет отнести их к разряду проектирующих подсистем САПР в соответствии с ГОСТ 23501.108-85 [28].
Традиционно проектирующие подсистемы САПР принято делить по классам в зависимости от производительности необходимых аппаратных средств для их использования (следовательно, в зависимости от вычислительных возможностей и стоимости) [47]. К легким САПР относят, например, AutoCAD [95], а также недорогие версии TurboCAD [108], Компас [59]. Как правило, такие системы не поддерживают полноценное трехмерное моделирование и предназначены для автоматизации создания чертежей и сопутствующей конструкторской документации, поэтому более подходят под описание CAD-систем [28].
К САПР среднего уровня [47, 101] относят, например, SolidWorks [91], SolidEdge [110], Inventor [96], КОМПАС-3D [59], T-Flex [62], APM WinMachine [98]. Эти программные продукты поддерживают 3D-моделирование, имеют встроенные (SolidWorks, Inventor), либо отдельные модули (Solid Edge, T-Flex), позволяющие на основании метода конечных элементов и других методов дискретизации решать несложные задачи на расчет прочности, усталости, динамики, колебаний, теплопередачи, гидро- и газодинамики, поэтому большинство из них относят к гибридным CAD/CAE системам. САПР среднего уровня на сегодняшний момент являются наиболее развиваемыми и внедряемыми [28, 47].
Тяжелые САПР [47], такие как Ansys [94], Abaqus [93], ProEngineer [92], CATIA [99] являются самыми мощными инструментами для расчетов и моделирования. Количество методик расчета на основе различных методов дискретизации, широкий круг охватываемых явлений, возможность решения задач любой сложности, легкость написания подпрограмм сделали эти CAE-системы самыми известными в мире. Но сложность освоения, интерфейса привели к тому, что эти САПР представляют больший интерес для научных исследований, чем для инженерно-проектных работ.
Итак, на мировом и российском рынках присутствует большое количество САПР, способных решать задачи различной сложности. Особое значение получает взаимодействие вышеописанных программ и программ для решения задач динамики, открывающее новые возможности в проектировании и научных исследованиях, о которых пойдет речь ниже.