Механизмы движения и физические зависимости в современных САПР

Многие считают, что среди составляющих системы САПР важнейшим является CAD (Computer Aided Design). Что ж, это утверждение справедливо, если проект так и остается в виде чертежей. Однако при переносе в реальные условия такой проект может повести себя непредсказуемо. Поэтому в современных САПР используется комплекс CAE (Computer Aided Engineering), который обладает той же важностью, что и CAD.

Целью данной работы является рассмотрение некоторых возможностей комплекса CAE, таких как:

• моделирование движения тел,
• ограничения при построении,
• расчеты прочности изделия,
• термодинамические расчеты.

Ни для кого не секрет, что сегодняшний виртуальный мир немыслим без анимации. Напомню, что анимация — это технология, позволяющая при помощи неодушевленных неподвижных объектов создавать иллюзию движения. Для создания мультипликации, рекламы, фильмов и другого анимационного цифрового контента применяются специализированные программные продукты. Системы автоматизированного проектирования также обладают средствами для визуализации движения механизмов, приборов, устройств, узлов машин.

Проект анимации — это «пошаговая стратегия», последовательная комбинация шагов, каждый из которых представляет собой действие одного или нескольких компонентов механизма в пространстве в соответствии с законом движения.

Было бы очень неприятно, если бы наш проект при воспроизведении анимации просто развалился на части. Для этого в САПР существуют ограничения. Рассмотрим некоторые из них в среде Catia v5.

В режиме Sketcher существуют размерные и геометрические ограничения. Они служат для математического закрепления геометрии в пространстве координат. Без наложения ограничений созданный примитив становится непредсказуемым и внесение в модель изменений может неблагоприятно сказаться на внешнем виде, компоновке и функционировании сборки в целом. Помимо этого, ограничения используются для более точной связи геометрических элементов, позволяя создавать между ними логические взаимосвязи.

Геометрические ограничения

Ограничения, которые определяют расположение элементов эскиза относительно друг друга и относительно ранее созданной геометрии текущей модели.

Размерные ограничения

Ограничения, задающие расстояние между двумя элементами. В зависимости от типа участвующих в операции геометрических элементов это расстояние может быть линейным, угловым или радиальным.

При работе со сборкой также необходимо накладывать ограничения на детали для определения взаимного расположения компонентов. Ниже приведен список некоторых ограничений:

• Ограничение Coincidence (Совпадение) обеспечивает соосность, компланарность или совпадение точек.
• Ограничение Contact (Контакт) соединяет две плоскости или грани.
• Ограничение Offset (Смещение) определяет расстояние между двумя элементами.
• Ограничение угла Angle (Угол) определяет угол между элементами компонентов.

Статические расчеты конструкций на прочность являются особо важными в машиностроительном проектировании. Часто в машиностроительном проектировании появляется необходимость оценить напряженное состояние отдельных деталей или конструкции в целом.

Обычно при проверочном расчете изделия на прочность нас интересует распределение составляющих напряжений по объему элементов конструкции и максимально возможные значения напряжения компонентов в материале (рис. 1).

Большинство современных САПР позволяют конструктору на этапе проектирования изделия решить обе эти задачи, обеспечив, таким образом, высокие механические характеристики будущего изделия.

Прочностные расчеты содержат:

• Анализ потери устойчивости конструкций
• Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций при нагрузках
• Расчет ветровых и волновых нагрузок на конструкции и т. д.

Рисунок 1 – Прочностные и иные расчеты в Catia v5

Изделия, требующие оценки теплового режима, весьма разнообразны — это и различные электрические устройства, выделяющие тепловую энергию, и специализированные термические установки, и тепловые двигатели.

Как правило, перед разработчиком ставится задача оценки температурных режимов деталей изделия или изделия целиком. То есть, необходимо определить температуры, возникающие в изделии при воздействии приложенных к системе источников тепловой энергии (рис. 2).

Тепловые расчеты включают в себя:

• Анализ термических напряжений в конструкциях (моделирование напряжений в случае пожаров или циклических тепловых нагрузок);
• Термогидравлические расчеты трубопроводов (моделирование протекания потоков в сложных системах труб с учетом тепловых потоков на стенах);
• Моделирование работы систем вентиляции (полная картина воздушных потоков, создаваемых вентиляцией) и т.д.

Однако следует отметить, что наличие тепловых моделей является довольно сложной функцией САПР. Не все САПР поддерживают возможности физического моделирования тепловых процессов. Можно назвать, для примера, САПР, поддерживающие такую возможность, такие, как:

• САТIA;
• AVEVA;
• SolidWorks и т.д.

Рисунок 2 – Симуляция нагрева тела в SolidWorks Simulation

Проделанный анализ позволяет сказать, что для полноценного представления о работе проекта в реальной жизни нам необходимо смоделировать ее на компьютере во избежание непредвиденных проблем. Также хотелось бы отметить, что в данной работе представлены далеко не все возможности комплекса CAE.