Моделирование и анализ элементов механических передач в среде SolidWorks на базе API

SolidWorks – CAD/CAM/CAE-система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства. Специализированный модуль SolidWorks Simulation (в более ранних версиях – CosmosWorks) позволяет осуществлять анализ прочности, жесткости, устойчивости и выносливости изделий широкого спектра сложности и назначения.

Математическим обеспечением SolidWorks Simulation является метод конечных элементов (МКЭ). К его достоинствам относят высокую точность решения и наглядность представления результатов, к недостаткам (в рассматриваемом контексте) – вычислительную трудоемкость или необходимость формирования специфической для этого метода расчетной схемы конструкции, отличающейся от общепринятой в инженерной практике. Кроме этого, в составе SolidWorks имеются специализированные библиотеки стандартных элементов ToolBox, используемых в контексте сборки, которые наряду с возможностью построения параметрических твердотельных моделей, как правило, обладают дополнительной функциональностью, присущей CAE-системам, т. е. на начальных этапах проектирования позволяют осуществлять анализ состояния конструкции на основе упрощенных инженерных методик (сопротивление материалов и др.). Такой подход позволяет получить решение в кратчайшие сроки, но не гарантирует высокой точности результатов.

На наш взгляд, актуальной является проблема разработки библиотек ToolBox на базе использования моделей МКЭ, адаптированных к особенностям конструкций рассматриваемого класса так, что реализация метода не требует дополнительных действий от пользователя, кроме задания исходных данных общего характера, не имеющих отношения к МКЭ как методу решения. В нашей работе такой подход используется при создании параметрических моделей элементов механических передач с последующим анализом проектных решений с точки зрения прочности, жесткости и выносливости с использованием стержневых конечных элементов. Такой вариант МКЭ не предъявляет высокие требования к вычислительным ресурсам, но избавляет от трудностей, связанных со статической неопределимостью рассматриваемой системы и с особенностями наложения граничных условий. Кроме того, будучи встроенным внутрь библиотеки, МКЭ может быть скрыт от пользователя и не требовать обращения к специальному интерфейсу, а также формирования конечно-элементной модели и расчетной схемы.

Средством решения поставленной задачи является интерфейс прикладного программирования API (Application Programming Interface), входящий в состав базовой конфигурации SolidWorks. API содержит сотни вызываемых из программ пользователя функций, которые позволяют разрабатывать многофункциональные приложения на платформе SolidWorks [1].

На рис. 1–2 показаны элементы разработанного нами пользовательского интерфейса, применяемого на этапе формирования твердотельной модели конструкции. В нем задаются участки вала разного геометрического типа (цилиндрические, конические и др.), определяются посадочные места подшипников и, в зависимости от их типа, автоматически формируются граничные условия по перемещениям.

Серия «Естественные и технические науки»

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

Р и с . 1. Элемент пользовательского интерфейса на этапе создания цилиндрического участка вала

Особенностями пользовательского интерфейса является его встро-енность в окна SolidWorks (Property

Рис . 2. Элемент пользовательского интерфейса на этапе создания зубчатого колеса

На рис. 3 представлен фрагмент панели для задания динамических и кинематических параметров передач. Внешние силовые воздействия на вал

Manager Page и TaskPane), а также динамическое редактирование данных.

определяются по этим параметрам автоматически, а набор исходных данных соответствует стандартным инженерным методикам.

Рис . 3. Фрагмент панели для задания динамических и кинематических параметров передачи

Серия «Естественные и технические науки»

Рис. 4 иллюстрирует вариант вывода результатов напряженно-деформированного состояния вала в виде упругой линии, а также эпюр внутренних силовых факторов с указанием опасной точки, величины эквивалентного напряжения и коэффициента запаса по усталостной прочности. Все представленные графические объекты являются 3D-эскизами SolidWorks и рассматриваются в качестве элементов дерева конструирования модели.

Р и с . 4. Пример графического вывода результатов напряженно-деформированного состояния вала

Программно данный подход был реализован в виде пяти динамических библиотек: Mechanics (AddIn-модуль, организующий программный интерфейс с SolidWorks), ShaftWorks (для формирования модели вала), GearCylWorks (для формирования модели цилиндрического зубчатого колеса), GearConWorks (для фор- мирования модели конического зубчатого колеса) и ShaftSimulation (для реализации МКЭ). Проекты создавались в среде Visual Studio C++, структуры решений для которых представлены на рис. 5. Проекты GearCylWorks, GearConWorks и ShaftWorks являются аналогичными, рисунок иллюстрирует решение GSW для GearCylWorks.

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

Р и с . 5. Решения проектов

Функции основного класса МКЭ CFEMAnalysis для ShaftSimulation реализуют дискретизацию системы, ансам-блирование, решение СЛАУ и обратный ход. Классы CSubstructure и CElement предназначены для создания матриц жесткости конечных элементов и под- конструкций [2], а CLoadPage обеспечивает формирование панелей диалога и ввод исходных данных. Обмен данными между библиотеками и AddIn-модулем осуществляется посредством специально созданного массива структур DataSolve.