Моделирование механики движения в программном продукте T-FLEX Динамика от компании «Топ Системы»
Автор: 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.
Таблица 1 - Задачи и этапы проектирования рычажного механизма в среде CAD/CAE
|
№ |
Теоретическая механика |
CAD/CAE |
|
|
Задача |
Этап |
||
|
1 |
Синтез кинематики |
Производится синтез кинематической схемы (определяются длины и положения звеньев по заданным условиям). |
T‑FLEX CAD |
|
2 |
Анализ кинематики и динамики |
Принимается упрощенный закон движения входного звена, определяются скорости и ускорения звеньев, производится приближенный силовой расчёт (определяются реакции в кинематических парах). |
T‑FLEX Динамика |
|
3 |
3D-моделирование, |
По найденным условиям выполняется расчёт прочности, подбираются сечения звеньев и определяются их массы. |
T‑FLEX CAD |
|
4 |
Анализ кинематики и динамики |
Производится приведение сил и масс, подбор маховика и определение истинного закона движения звена приведения. |
- |
|
5 |
Анализ кинематики и динамики, |
При найденном законе движения звена приведения находятся уточненные значения скоростей и ускорений, определяются более точные величины реакций и производится проверка прочности и жесткости звеньев. Размеры сечений и массы последовательно уточняются. |
T‑FLEX CAD |
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 необходимыми требованиями являются использование ассоциативных связей между геометрическими моделями на различных этапах проектирования, и параметризация, необходимые для 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 и геометрических моделей с различными видами инженерных расчётов.
Рисунок 2 – Связи этапов проектирования и 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.
Рисунок 3 – Механизм основной опоры шасси
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.
Рисунок 4 – Последовательность моделирования механики движения в T‑FLEX Динамике
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.
Рисунок 5 – Подвижная сборочная модель
Создание задачи и настройка моделирования
На втором этапе создадим задачу (рисунки 6 и 7):
- указываем тип задачи;
- выбираем элементы расчётной модели – 3D-фрагменты;
- указываем режим анализа контактов.
Рисунок 6 – Создание задачи «Анализ движения»
Далее задаем основные параметры задачи (Рисунок 7).
Рисунок 7 – Задание параметров задачи «Анализ движения»
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).
Рисунок 8 – Шарниры и элементы расчётной модели в окне задачи
Задание нагружений
В T‑FLEX Динамике доступны различные нагружения – кинематические и силовые (Рисунок 9). Величина нагружения может задаваться числом или графиком.
Рисунок 9 – Виды нагружений
Гравитация задается в параметрах на всю задачу (см. Рисунок 7).
Для гидроцилиндра в рассматриваемом примере зададим нагружение «Пружина» в варианте «Линейный привод» с использованием графика зависимости расстояния от времени (Рисунок 10).
Рисунок 10 – Задание нагружения «Пружина - Линейный привод» с использованием графика
В окне «Задачи» появится нагружение (Рисунок 11).
Рисунок 11 – Нагружение в окне «Задачи» и её отображение на модели
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).
Рисунок 12 – Выполнение расчёта
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).
Рисунок 13 – Создание датчика типа «Тело»
После создания датчиков они появятся в окне «Задачи» (Рисунок 14).
Рисунок 14 – Датчики типа «Тело» в окне «Задачи» и их отображение на модели
На основе созданных ранее датчиков создадим результаты (Рисунок 15).
Рисунок 15 – Создание объекта «Результат» по датчику «Тело»
После создания результатов они появятся в окне «Задачи» (Рисунок 16).
Рисунок 16 – Результаты по датчикам в окне «Задачи»
При запуске задачи происходит проигрывание результатов расчёта с выводом графиков (Рисунок 17).
Рисунок 17 – Вывод графиков при запуске задачи
Для получения графиков сил реакции в шарнире оси опоры создадим датчики типа «Шарнир» (Рисунок 18).
Рисунок 18 – Создание датчика типа «Шарнир»
На основе созданного ранее датчика создадим результаты для сил реакций (Рисунок 19).
Рисунок 19 – Создание объектов «Результат» по датчику «Шарнир»
При запуске задачи происходит проигрывание результатов расчёта с выводом графиков (Рисунок 20).
Рисунок 20 – Вывод графиков сил реакций при запуске задачи
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).
Рисунок 21 – Создание датчика типа «Точка»
При запуске задачи происходит проигрывание результатов расчёта с выводом траектории и вектора скорости в пространстве модели (Рисунок 22).
Рисунок 22 – Визуализация траектории и вектора скорости в пространстве модели
По траектории можно создать 3D-кривую (Рисунок 23).
Рисунок 23 – 3D-кривая, построенная по траектории
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.
Рисунок 24 – Ометаемые объёмы 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.
Рисунок 25 – Численные результаты расчёта
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.