Д.т.н., профессор Поветкин В.В., докторант Ибрагимова З.А.

Казахский национальный технический университет

Программные пакеты для решения задач моделирования напряженного состояния зубьев зубчатых колес

Сегодня рынок сложной промышленной продукции развивается таким образом, что производители программных пакетов для моделирования элементов производственного цикла в своих проектах они используют сочетание электронных, механических и программных компонентов – мехатронику. Использование мехатроники очень выгодно, но требует гораздо лучшей организации работы: производственные процессы должны быть более точными и координированными. Задачу их оптимизации можно решить с помощью технологии цифровых прототипов, которая позволяет различным специалистам работать с одной и той же цифровой моделью, что экономит время и снижает число ошибок при проектировании [1].

Мехатроника – это область науки и техники, основанная на объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, и комплексов машин с интеллектуальным управлением.

Постоянная модернизация и разработка новых изделий на машиностроительном рынке – не просто залог процветания, но условие выживания. По оценкам экспертов абсолютное большинство технологий и продуктов, которые сегодня обеспечивают 70% прибыли крупных промышленных предприятий, устареют уже через 3 года. К счастью, участники рынка это прекрасно понимают – 92% из них активно внедряют электронные компоненты в свои проекты.

Самый показательный пример в этом смысле – машиностроительная отрасль. В общей стоимости механизмов в последние несколько лет доля электроники ежегодно увеличивается в среднем на 8,3%, а доля механики – наоборот снижается на 3,2%. И эта тенденция отнюдь не единичная.

Процесс превращения механических изделий в электромеханические подразумевает преодоление значительных трудностей при объединении компонентов различных классов в единую систему. Для этого производителю нужно эффективно организовать и контролировать работу разрозненных групп инженеров и конструкторов [2].

Преимущества мехатроники:

Опыт использования основанного на мехатронике подхода к проектированию показывает, что последний позволяет добиться значительных преимуществ сразу в нескольких сферах. В самом общем смысле это, прежде всего, снижение стоимости разработки продукта, повышение его качества и, как следствие, рост прибыли, а кроме того:

- возможность добавлять дополнительные функции;

- оптимизация веса и габаритов изделия, а также его стоимости;

- контроль и диагностика для повышения надежности и снижения эксплуатационных расходов;

- возможность настройки и совершенствования продукта путем обновления его программной прошивки;

- снижение уровня рисков.

Однако, при внедрении такого подхода производители зачастую сталкиваются со значительными трудностями, самые серьезные из которых – плохо налаженное взаимодействие проектных групп и недостаток знаний специалистов о смежных дисциплинах. Рабочие группы попросту не понимают воздействия изменений, сделанных в одних разделах, на состояние других, что ведет к росту ошибок и коллизий в проекте в целом. А средства разработки, которые могут объединять данные обо всех составляющих продукт элементах, к сожалению, есть мало у кого.

Если участник рынка хочет получить максимальный эффект от перехода к мехатронике, ему обязательно нужно внедрить технические решения, позволяющие организовать коммуникацию специалистов различных разделов и определять проблемы системного уровня еще на начальных этапах проектирования. Это, в конечном счете, ведет к более эффективному контролю соблюдения требований к продукту и дает возможность предсказывать его поведение в реальных условиях.

Ключевые элементы электромеханических решений:

В идеале процесс проектирования электромеханических изделий должен отвечать следующим требованиям:

- кросс-функциональное конструирование и проектирование;

- управление взаимодействием и бизнес-процессами;

- эффективная проверка на ранних этапах проектирования.

Кросс-функциональное конструирование и проектирование

Определение уровня требований к изделию – первый шаг к определению его будущих характеристик. Как говорится: «кто ищет – тот всегда найдет». Собственно, именно способность четко устанавливать эти требования и есть одно из ключевых отличий ведущих мировых производителей от конкурентов.

Распространено мнение, что наилучший способ координации взаимодействия специалистов – поддержание единого процесса проектирования. Но в этом случае те дополнительные усилия, которые приходится тратить на его обеспечение, попросту нивелируют возможные выгоды. Вместо этого лидеры отрасли дифференцируют разработку, что позволяет использовать специфические знания и навыки сотрудников. С практической точки зрения это требует внедрения четких процессов эффективного информирования об изменениях и коллективной работы [3].

Управление взаимодействием и бизнес-процессами:

В то время как большинство компаний в машиностроении стремится координировать и синхронизировать работу отдельных групп проектировщиков, существует множество способов интеграции информационных потоков. Обычно предприятие формирует спецификацию на основе базы данных, предоставленной заказчиком. Этот метод требует не только специализированной технической поддержки и обслуживания, но и ручной синхронизации информации о проекте, что делает структуру, и без того состоящую из тысяч деталей, еще более сложной и подверженной ошибкам.

Более эффективный вариант – опираться на специализированные подразделения разработчиков, каждое из которых оперирует собственным информационным массивом, а в общую базу предоставляет только результат работы. Но и такой подход в состоянии вызвать множество проблем, если не регулировать эти процессы должным образом. В конечном счете, необходимо разделить свое внимание между производством компонентов и обеспечением их полной совместимости.

Эффективная проверка на ранних этапах проектирования

Разрешение проблем интеграции и совместимости до начала производства – это бесспорно хорошая идея. Поэтому ведущие игроки рынка промышленной продукции стремятся урегулировать эти вопросы как можно раньше и контролировать их в течение всей разработки, вплоть до окончательного тестирования. Должное внимание, оказанное анализу и симуляциям в начале проектирования снижает финансовые и временные затраты на этапе внедрения.

Цифровые прототипы в мехатронике:

Вместо попыток объединить информацию разных типов из разрозненных источников, можно сэкономить время и деньги, предоставив разработчикам возможность работать с одной и той же цифровой моделью, используя собственные данные. Сегодня многие компании предпочитают физическим прототипам прототипы цифровые. Отслеживая результаты тестов в обеих категориях, они получают более комплексное представления об условиях, в которых предстоит работать их продукции, и требованиях, которым она должна отвечать. А это означает повышение качества [4].

Согласно последним исследованиям, производители, использующие цифровые прототипы, конструируют на 50% меньше физических прототипов, чем их конкуренты, получают продукцию в среднем на 58 дней раньше, снижают стоимость работы с прототипами на 48% и освобождают время и ресурсы для инноваций.

Хотя о преимуществах цифровых прототипов говорят в течение многих лет, бюджеты большинства промышленных компаний до сегодняшнего дня не позволяли создавать и тестировать их. Однако в последнее время разработчики ПО представили новые программные решения, которые более доступны, адаптивны и экономически эффективны, нежели их предшественники.

Aberdeen Group определила четыре главных характеристики, которым должна отвечать идеальная работа с мехатроникой:

- внедрение процессов, способных улучшить коммуникации и компенсировать недостаток межотраслевых знаний;

- использование симуляции для определения системных проблем на ранней стадии проектирования;

- управление проектными требованиями на протяжении всего жизненного цикла конструкции;

- ускорение разработки системы управления с помощью автоматизированных программных средств и симуляций.

Все это говорит о том, что участникам промышленного рынка требуется комплексный пакет для проектирования, который позволяет в полной мере реализовать преимущества мехатроники за счет быстрого создания проекта и легкой работы c единой цифровой моделью. Так как последняя полностью имитирует готовый продукт, инженеры смогут лучше видеть и оптимизировать его конструкцию до начала создания физического прототипа.

Кроме того, одновременно с этим можно использовать инструменты управления данными, которые объединяют информацию об электронике и механике, что позволяет создавать более аккуратные двухмерные и трехмерные чертежи электромеханических изделий за меньшее время и, тем самым, выводить продукт на рынок гораздо быстрее.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булгаков Э. Б, Компьютерное проектирование эвольвентных зубчатых передач в обобщающих параметрах. 2002

2. Гутин, Я. Применение программы "Информационные технологии в эскизном проектировании и оптимизации параметров зубчатых цилиндрических редукторов для дисциплин завершающих общеинженерную подготовку Материалы международной конференции "Информационные технологии в открытом образовании".- Россия Москва, 11-12 октября 2001.

3. Руководства по моделированию, построению геометрии и динамике в Ansys. Екатеренбург, 2005.

4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Пер. с англ., М.: "Мир", 1975.