Алексей Просолович
К.т.н., ведущий аналитик по направлению инженерного анализа, АО «Топ Системы»
Программный продукт T-FLEX Динамика
T-FLEX Динамика относится к классу расчётных программ моделирования многотельной динамики (MultiBody Dynamics) и предназначена для качественного и количественного анализа кинематики и динамики пространственных механических систем. Программный продукт является дополнительным приложением параметрической системы T-FLEX CAD (Рисунок 1) и функционирует на единой платформе T-FLEX PLM. Это обеспечивает полную ассоциативность расчетных данных с единой моделью данных, позволяет использовать единые механизмы платформы, в том числе общие принципы организации пользовательского интерфейса.
Рисунок 1 – Пример расчёта в программном продукте T-FLEX Динамика
Особенностями программы T-FLEX Динамика являются автоматическое создание кинематических связей на основе сопряжений, а также реалистичное моделирование контактов между элементами расчётной модели.
T-FLEX Динамика позволяет проводить следующие виды расчётов:
· определение траекторий движения, скоростей и ускорений произвольных точек механической системы под действием сил;
· анализ временных характеристик механической системы (время прихода в целевую точку, время затухания колебаний и др.);
· расчёт сил взаимодействия между элементами системы, возникающих в процессе движения (сил реакции в опорах, шарнирах и др.).
Программа предназначена для инженеров-конструкторов.
Реализация методик проектирования механизмов в среде CAD/CAE
Компания «Топ Системы» предлагает комплекс профессиональных систем, используемых для различных расчётов и анализа изделий.
T-FLEX CAD совместно с расчётными системами T-FLEX Динамика, T-FLEX Анализ и приложением T-FLEX Детали машин обеспечивает полноценное проектирование механизмов в среде CAD/CAE.
В качестве примера рассмотрим методику проектирования рычажного механизма. В таблице 1 приведены задачи и этапы типовой методики проектирования рычажного механизма с учётом их реализации в комплексе T-FLEX PLM.
При реализации методики проектирования в среде CAD/CAE важным является вопрос геометрического описания изделия.
На начальных этапах геометрическая модель создается упрощенной, но достаточной для выполнения расчётов текущего этапа. Это обусловлено необходимостью снижения трудоемкости проектирования при сравнении различных возможных вариантов решения. На последующих этапах полученные в результате предыдущего расчёта данные используются для обоснованного уточнения модели изделия.
Кроме того, сегодня необходимым является требование использования ассоциативных связей между геометрическими моделями на различных этапах проектирования, а также параметризация. Ассоциативность и параметризация являются одними из основных принципов гибкого и многовариантного процесса проектирования.
T-FLEX CAD реализует расширенные параметрические возможности 2D- и 3D-моделирования и хорошо подходит для проектирования с учетом ассоциативности и параметризации.
В соответствии с принципом сквозного проектирования, на рисунке 2 показаны связи этапов проектирования, геометрических моделей с различными видами инженерных расчётов.
Пример расчёта механизма в T-FLEX Динамика
На рисунке 3 показан механизм выпуска-убирания основной опоры шасси БПЛА, анализ кинематики и динамики которого может быть выполнен в T-FLEX Динамика.
Исходная модель опоры представляет собой узловую сборочную модель (Рисунок 4). Механизм выпуска-убирания опоры является рычажным механизмом с гидроцилиндром в качестве ведущего звена.
Задача – смоделировать динамику убирания-выпуска шасси.
Моделирование механики движения в T-FLEX Динамике состоит из этапов, приведенных на рисунке 4.
Получение подвижной геометрии
В T-FLEX CAD исходная сборочная модель может быть построена в варианте неподвижной геометрии. Поэтому на первом этапе необходимо получить подвижную геометрию. Для этого используем различные виды сопряжений и добавление степеней свободы для 3D-фрагментов.
В состав анализируемого устройства добавляем рычаги щитков (Рисунок 5) и базовые элементы конструкции для закрепления стойки, цилиндра и щитков.
Создание задачи и настройка моделирования
На втором этапе создадим задачу (рисунки 6 и 7):
1) указываем тип задачи;
2) выбираем элементы расчётной модели – 3D-фрагменты;
3) указываем режим анализа контактов.
Далее задаем основные параметры задачи (Рисунок 7).
После создания задачи «Анализ движения» в окне «Задачи» появятся автоматически созданные шарниры и элементы расчётной модели. На модели выводятся декорации для обозначения шарниров (Рисунок 8).
Задание нагружений
В T-FLEX Динамике доступны различные нагружения – кинематические и силовые (Рисунок 9). Величина нагружения может задаваться числом или графиком.
Гравитация задается целиком на задачу в параметрах задачи (см. Рисунок 7).
Для гидроцилиндра в рассматриваемом примере зададим нагружение «Пружина» в варианте «Линейный привод» с использованием графика зависимости расстояния от времени (Рисунок 10).
В окне «Задачи» появится нагружение (Рисунок 11).
Выполнение расчёта
В процессе выполнения расчёта можно наблюдать за поведением модели с любой точки. Результаты анализа сохраняются в задаче «Анализ движения» и могут быть проиграны системой в любой момент времени без необходимости повторного расчёта (Рисунок 12).
После выполнения расчёта при выявлении ошибок и неточностей динамической модели необходимо выполнить доработку и уточнение модели.
Это может быть реализовано добавлением или изменением сопряжений и степеней свободы 3D-фрагментов. При этом шарниры будут автоматически добавлены или изменены. Также возможно изменение геометрических параметров и положений 3D-фрагментов. Ассоциативность геометрической и расчётной моделей позволяет это выполнять прозрачно и на любом этапе работы с задачей «Анализ движения».
Затем необходимо повторить расчёт задачи и, выполняя данные итерации, добиться требуемой точности и адекватности моделирования.
Визуализация результатов расчёта
При визуализации результатов используются специальные объекты задачи: датчики и результаты.
Датчик – объект задачи, предназначенный для считывания и передачи результатов расчёта на средства отображения результатов. Датчики могут быть нескольких типов, в зависимости от объекта измерения.
Результаты – специальные объекты задачи, предназначенные для считывания показаний датчиков в ходе динамического расчёта.
Для получения графиков линейной скорости штока, угловой скорости основного звена опоры, углов поворота щитков создадим датчики типа «Тело» (Рисунок 13).
После создания датчиков они появятся в окне «Задачи» (Рисунок 14).
На основе созданных ранее датчиков создадим результаты (Рисунок 15).
После создания результатов они появятся в окне «Задачи» (Рисунок 16).
При запуске задачи происходит проигрывание результатов расчёта с выводом графиков (Рисунок 17).
Для получения графиков сил реакции в шарнире оси опоры создадим датчики типа «Шарнир» (Рисунок 18).
На основе созданного ранее датчика создадим результаты для сил реакций (Рисунок 19).
При запуске задачи происходит проигрывание результатов расчёта с выводом графиков (Рисунок 20).
С помощью датчика типа «Точка» можно визуализировать траекторию, векторы скорости и ускорения в 3D.
Для получения траектории движения создадим датчики типа «Точка» и укажем в параметрах визуализации отображение траектории и вектора скорости (Рисунок 21).
При запуске задачи происходит проигрывание результатов расчёта с выводом траектории и вектора скорости в пространстве модели (Рисунок 22).
По траектории можно создать 3D-кривую (Рисунок 23).
На основе результатов задачи «Анализ движения» можно выполнить операцию «Ометаемый объём». Операция позволяет получить объёмный след от движения тела или набора тел.
На рисунке 24 показаны ометаемые объёмы для некоторых звеньев механизма щитков.
У тела, построенного в результате операции «Ометаемый объём», сохраняется ассоциативная связь с задачей динамического анализа. Данное тело можно использовать для обнаружения столкновений и формообразования элементов механизма.
Возможно получение нескольких ометаемых объёмов для одной задачи.
Кроме рассмотренных вариантов визуализации результатов возможна выгрузка произвольного расчётного положения механизма в отдельный файл с целью выполнения других видов анализа (например, прочностного анализа в модуле T-FLEX Анализ).
Численные результаты расчёта с графика (Рисунок 25) могут использоваться как входные параметры для других задач или выгружены в сторонние системы.
Также доступны функции получения видеоролика движения модели и изображений, в том числе и в режиме фотореализма.
Заключение
В данной статье описан программный продукт T‑FLEX Динамика от компании «Топ Системы», рассмотрен вопрос реализации методик проектирования механизмов в среде CAD/CAE, приведен пример решения задачи анализа динамики механизма, показывающий практическую ценность модуля T‑FLEX Динамика.
В следующих публикациях будут подробнее представлены функциональные возможности данного модуля и методические приёмы моделирования механики движения.