Возможности пакета программ АРМ WinMachine

Пакет программ АРМ WinMachine предназначен для выполнения различных расчетов машин, механизмов и конструкций и полноценного инженерного анализа оборудования с целью выбора его оптимальных параметров, а также оформления и хранения конструкторской документации. Основные виды расчетов, выполняемые с помощью пакета:

· энергетических и кинематических параметров;

· прочности, жесткости и устойчивости;

· выносливости при переменных режимах нагружения;

· вероятности, надежности и износостойкости;

· динамических характеристик.

Система АРМ WinMachine построена по модульному принципу, каждый модуль может работать как самостоятельно, так и в комбинации с другими. Ниже рассмотрим некоторые из них.

Модуль АРМ Graph для выполнения графической части конструкторской документации и представляет собой плоский 2D – графический редактор. Он используется для подготовки исходных данных при работе других модулей системы. С этой целью в каждом из прикладных расчетных модулей имеется возможность импорта графической информации. В модуле реализованы стандартные возможности, свойственные 2D – графическим редакторам. Кроме того, редактор дополнен набором библиотек стандартных элементов, а также возможностью параметрического задания графического объекта. Она позволяет автоматически прорисовывать геометрические объекты, если после выполнения расчетов они были заданы параметрически. При работе в таком режиме автоматически сохраняется последовательность выполняемых команд и их атрибутов. Атрибутам присваиваются имена и задаются числовые и функциональные соотношения, причем последние могут быть описаны произвольными аналитическими функциями, для чего имеется специальный редактор анализа и преобразования аналитических данных. Стандартные конструктивные графические элементы, оформленные в виде параметрических объектов, включены в состав единой базы данных и функционируют вместе с ней как в режиме расчета, так и в режиме прорисовки. В случае параметризованного блока появляется возможность хранения библиотек стандартных конструкций. При вставке параметрических моделей пользователь задает значения переменных, по которым строится сама модель.

Модуль АРМ MechDataпредставляет собой информационно-графическую базу данных. В информационной части содержаться числовые значения, характеризующие величины допусков и посадок, чистоту обработки поверхностей и так далее. В графической базе данных размещена геометрическая и цифровая информация, позволяющая выполнять чертежи стандартных изделий, деталей, узлов, различных комплектующих; с ее помощью автоматизируется процедура оформления чертежей, заполнения штампов и спецификаций. Графическая база данных работает совместно с графическим редактором АРМ Graph,все модели в базе представлены в параметрическом виде.

Отметим, что в раздел базы данных "Сортаменты" включены поперечные сечения прокатных профилей, выпускаемых в России.

АРМ MechData – открытая система, имеется возможность исправлять и дополнять базу данных, хранить несколько стандартов (в настоящее время поддерживает ГОСТ и некоторые СНиПы).

Модуль АРМ MatDataпредставляет собой информационную базу данных, в которой содержатся числовые значения, характеризующие механические свойства материалов.

Модуль АРМ DOCs – модуль, позволяющий автоматизировать конструкторскую документацию, хранить, просматривать, осуществлять поиск и редактирование технической документации.

Модуль АРМ Studio– редактор создания трехмерных поверхностных и твердотельных моделей со встроенным генератором разбивки на конечные элементы. Позволяет импортировать файлы в формате STEP, затем разбить полученную модель на конечные элементы – 3-х угольные изгибаемые пластиныдля поверхностныхмоделей, тетраэдры – для твердотельных моделей. В модуле имеется возможность сохранить конечно-элементную сетку вместе с моделью, а затем импортировать ее в другие модули пакета АРМ WinMachine,выполняющие расчеты методом конечных элементов (например, АРМ FEM2Dи АРМ Structure3D). Таким образом, при проектировании металлургического оборудования возможно создать его твердотельную модель в любой CAD-системе, поддерживающей формат STEP, затем импортировать ее в АРМ Studioи подготовить конечно-элементную сетку для дальнейших расчетов, далее импортировать в расчетный модуль и выполнить расчет напряженно-деформированного состояния конструкции. Недостатком модуля АРМ Studioявляется невозможность создания конечно-элементной сетки для узла или машины в целом, то есть отсутствует возможность работать со сборками, разбить на конечные элементы можно только деталь.

МодульАРМ Springслужит для расчета и проектирования пружин, с помощью него можно рассчитать и вычертить пружины сжатия, растяжения и кручения, плоские и тарельчатые пружины, торсионы.

Модули АРМ CamиАРМ Sliderпредназначены для расчета и проектирования кулачковых и рычажных механизмов произвольной структуры с автоматической генерацией чертежей.

МодульАРМ Joint – модуль, служащий для расчета и проектирования соединения деталей машин и элементов конструкций, позволяющий выполнить комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных деталей, соединений деталей вращения. Для металлургических объектов характерны многочисленные резьбовые соединения (в основном, болтовые, шпилечные, реже винтовые), применяемые как для соединения деталей, так и для крепления корпусных деталей металлургических машин к фундаменту (например, станин рабочих клетей и шестеренных клетей прокатного стана). Соединения деталей вращения (в основном, цилиндрической и конической формы) присутствуют практически во всех системах приводов металлургических машин. Конструктивно они выполняются как соединения с натягом цилиндрической или конической формы (втулки), шлицевые и шпоночные соединения разных типов, штифтовые радиальные и осевые соединения. В модуле для выбранного соединения выполняются проектировочные и проверочные расчеты. При этом под первым видом расчетов понимается комплекс вычислений основных геометрических размеров, а при втором находятся коэффициенты запаса. Критериями расчета резьбовых соединений являются условие отсутствия сдвига и раскрытия сопряженных поверхностей, статическая и усталостная прочность элементов соединения. Критериями расчета деталей вращения могут быть условие отсутствия сдвига, условие появления зазора в сопряженных поверхностях, статическая и усталостная прочность элементов соединения или совокупность перечисленных критериев.

Для резьбовых соединений с болтами, установленными с зазором, рассчитываются сила затяжки болта; максимальная нагрузка, действующая на болт; максимальное давление на стык; диаметр болта [47]. При проверочном расчете добавляются коэффициент запаса выносливости и коэффициент запаса прочности. Для резьбовых соединений с болтами, установленными без зазора, рассчитываются диаметр болта; максимальная сдвигающая нагрузка на болт; минимальная толщина пластины. При проверочном расчете добавляется коэффициент запаса прочности по сдвигу. В обоих случаях на стыке выводится карта распределения давления по поверхности стыка.

В шпоночных соединениях деталей вращения рассчитываются геометрические параметры шпонки (по ним выбирается шпонка из базы данных), действующие напряжения в соединении (сравниваются с допускаемыми напряжениями для выбранных материалов). В соединениях цилиндрических деталей с натягом определяются минимальный требуемый натяг из условия не раскрытия/сдвига стыка; максимальный натяг из условия контактной прочности деталей соединения; набор выбранных из базы данных посадок (для каждой рассчитывается максимальная и минимальная сила, необходимая для сборки соединения). В случае соединения конических деталей с натягом рассчитывается необходимая сила затяжки; перемещение втулки при затяжке; коэффициент запаса по текучести втулки. Для штифтовых соединений определяются диаметры штифтов; действующие напряжения в соединении; допускаемые напряжения для выбранных материалов соединения.

Модуль АРМ FEM2Dиспользуется для расчета напряженно-деформированного состояния плоских деталей методом конечных элементов, расчета температурного поля в условиях стационарной теплопроводности, решения задач кручения стержня, нагруженного изгибающим моментом и системой поперечных сил. Результаты представляются либо в табличной форме, либо в графической – в виде карты распределения деформаций и перемещений, полей температур.

МодульАРМ Beamпредназначен для расчета и проектирования конструкций типа балка комбинированными методами. Многие детали металлургического оборудования могут быть представлены в виде балок различного поперечного сечения, нагруженных силами и моментами, имеющих различные варианты закрепления (опоры). При этом балка может состоять из нескольких участков с разными поперечными сечениями и быть произвольно нагруженной. В модуле имеется собственный графический редактор, позволяющий создавать и редактировать поперечные сечения балки, вводить действующие на балку нагрузки, располагать опоры, задавать внешние массы и моменты инерции (в случае расчета поперечных и крутильных колебаний). Выполняются проверочные расчеты по заданной геометрии и нагрузкам: расчет перемещений – энергетическим методом (методом Мора); раскрытие статической неопределимости – методом сил; расчет напряжений кручения – методом конечных элементов (разбивка на треугольные конечные элементы выполняется автоматически); расчет напряжений изгиба и сдвига – методом момента инерции. Методом начальных параметров выполняются динамические расчеты, частоты собственных колебаний и собственные формы балки.

В результате работы модуля можно получить следующие параметры: реакции в опорах; распределение изгибающих моментов и углов изгиба по длине балки; распределение моментов кручения и углов поворота; распределение продольных и поперечных деформаций, эквивалентных напряжений и поперечных сил; частоты собственных колебаний; построить карты напряжений в любом произвольном сечении по длине балки, графики собственных форм балки.

АРМ Trans– модуль проектирования передач вращения, предназначенный для расчета зубчатых передач различных типов (в том числе червячных), а также ременных и цепных передач, и генерации чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме. Заметим, что подобные расчеты очень актуальны для металлургических машин, имеющих электромеханический привод, практически всегда включающий в себя зубчатые передачи (в том числе в редукторах или мультипликаторах), а в случае привода валков, правильных машин - еще и устройства для разделения крутящего момента (шестеренные клети).

Модули АРМ Bearи АРМ Plainслужат для расчета и анализа подшипников: первый – неидеальных подшипников качения всех известных типов, второй – радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в условиях жидкостного (или полужидкостного) трения. Для металлургических агрегатов в качестве опор (для валов редукторов, прокатных валков, роликов рольгангов и так далее) применяются подшипники того и другого типа.

ВАРМ Bearвыполняется комплекс проверочных расчетов по известной геометрии подшипника. Можно рассчитать абсолютное перемещение центра подшипника в осевом, радиальном и боковом направлении под действием внешних сил; наибольшие контактные напряжения в контакте тел качения с обоймой; долговечность подшипника; нормальные силы, действующие на тела качения; момент трения; количество тепла, выделенное в подшипнике в результате действия сил трения; потери мощности. Для вывода результатов используются таблицы, графики, гистограммы, пространственные поля положений центра подшипника, анимация движения элементов подшипника.

В модуле АРМ Plainрасчет подшипников жидкостного трения производится путем решения уравнения Рейнольдса и уравнения равновесия при ламинарном течении жидкости. Расчет подшипника полужидкостного трения основан на решении уравнений теплопередачи и исследовании процессов тепловыделения. С помощью модуля определяются конструктивные параметры подшипника, распределение и оптимальное значение радиальных и осевых зазоров, действительный коэффициент трения и потери на трение, параметры системы смазки (толщина масляного клина, максимальная и средняя температуры масла и его расход).

АРМ Shaft– модуль проектирования и анализа валов и осей, к которым могут быть отнесены многие детали металлургических машин, являющиеся телами вращения (чаще всего формы, близкой к цилиндрической, например, прокатные валки, ролики правильных машин и рольгангов). Модуль имеет собственный графический редактор для задания геометрии валов и осей (включающий примитивы цилиндрических и конических участков, фаски, галтели, канавки, отверстия, участки с резьбой, шпонки, шлицы и так далее) позволяет вводить действующие на вал нагрузки (сосредоточенные и распределенные радиальные силы, осевые силы, изгибающие и крутящие моменты) и размещать опоры. С помощью АРМ Shaftможно рассчитать реакции в опорах, деформированное состояние вала, напряженное состояние при статическом нагружении, коэффициент запаса по усталостной прочности, собственные частоты и собственные формы вала; построить эпюры моментов и углов изгиба, моментов кручения и углов закручивания, распределения поперечных сил.

Напряженное и деформированное состояние вала рассчитываются методами сопротивления материалов: деформированное состояние описывается методом Мора; статическая неопределимости системы раскрывается методом сил; статическая прочность оценивается по полученным энергетическим методом эквивалентным напряжениям. Собственные частоты и собственные формы определяются методом начальных параметров. Расчет усталостной прочности предусматривает нахождение коэффициента запаса прочности в сечениях вала по его длине, при этом внешняя нагрузка может быть как постоянной, так и переменной.

Модуль АРМ Driveпредназначен для расчета и проектирования привода произвольной структуры, планетарных и волновых передач. С его помощью проводится комплексный расчет кинематических характеристик и проектирование как привода в целом, так и его отдельных элементов (подшипников качения, передач и валов), с автоматической генерацией чертежей отдельных деталей и привода в сборе (включая корпусные изделия). С использованием этого модуля возможно решать задачи проектирования и реконструкции электромеханического привода металлургических машин практически любой конструкции, включая адаптивный и рекуперативный.

АРМ Structure3D– модуль расчета и проектирования пластинчатых, оболочечных, стержневых конструкций и твердотельных моделей методом конечных элементов. В нем можно рассчитать напряженно-деформированное состояние конструкций в статическом режиме, выполнить расчеты на устойчивость и определить собственные частоты, проанализировать напряженно-деформированное состояние конструкции при произвольном динамическом нагружении. В модуль могут быть импортированы конструкции и их элементы (например, поперечные сечения) в DXF-формате, созданные в CAD-системах. Кроме того, в модуль может быть импортирована модель объекта с конечно-элементной сеткой, сгенерированная в модуле АРМ Studio. В модуле имеется собственный графический редактор для создания конструкций и задания сечений стержневых элементов, при этом вычисляются все характеристики сечения, определяется его ориентация относительно осей. Пространственное представление моделей и результаты расчета визуализированы.

К элементам конструкции при помощи встроенного редактора могут быть приложены следующие силовые факторы:

· сосредоточенные сила и момент (как к узлу, так и в произвольной точке);

· распределенные нагрузки по длине стержня (осевая сила, поперечная сила, распределенный момент кручения);

· нагрузки вызванные смещением опор;

· нормальная распределенная сила, действующая на пластину;

· ветровая и снеговая нагрузки на пластину.

При расчетах можно учесть собственный вес каждого из элементов.

Условия закрепления конструкции могут быть произвольными как по характеру, так и по местоположению.

Результаты расчетов представляются в наглядной форме при помощи визуализаторов:

· напряженно-деформированное состояние модели в целом – в виде карт напряжений и деформаций (см. рис. 4 в приложении), в виде изолиний и эпюр;

· напряженно-деформированное состояние конструкции в текущем сечении – в виде карты напряжений и деформаций;

· силовые факторы и деформации (линейные и угловые) в узловых точках – в виде изолиний или эпюр;

· распределение моментов изгиба и кручения, поперечных сил по длине стержня – в виде графиков.

Кроме указанных выше расчетов, в модуле можно определить частоты собственных колебаний, выполнить расчет устойчивости, провести расчеты в условиях вынужденного нагружения и в области больших перемещений. Расчет вынужденных колебаний позволяет получить карты напряжений и деформаций в режиме реального времени, просмотр их выполняется в анимационном режиме.

В модуле возможно выполнить расчеты многих деталей металлургических машин, начиная от корпусных (например, корпусов редукторов, станин рабочих клетей прокатных станов) до элементов технологического оборудования.

Анализ возможностей пакета программ АРМ WinMachine показывает, что во многих случаях данный пакет может быть использован для проектирования и расчетов металлургического оборудования. Особого внимания достойна возможность выполнения расчетов методом конечных элементов с помощью приведенной выше технологии, в качестве основы для которых служит трехмерная твердотельная модель детали. Однако отсутствие части расчетов (например, контактных напряжений, температурных и остаточных напряжений) и возможности работать с целыми узлами, машинами (сборками) ограничивает применение пакета в области металлургического машиностроения.