Оптимальное проектирование сильфонной техники на платформе SolidWorks

OPTIMUM DESIGN OF THE METAL BELLOWS ON THE SOLIDWORKS PLATFORM

M. V. Chugunov, I. N. Polunina*

National Research Mordovia State University (Saransk, Russia)

Introduction. The metal bellows are widely used in various technical systems as the sensitive, compensating and separating elements. A variety of possible constructive solutions using bellows causes a broad range of standard sizes specified in GOST. In this regard the problem of the metal bellows design, which in the present case resolves itself to the choice of the bellow corresponding to the set specifications optimum, is important. Thus, the purpose of the research is the development of technique and software for the optimum design automation of the considered class structures.

Materials and Methods. SolidWorks is the world leader in the area of CAD/CAE computer aided design-engineering system and possesses not only a developed standard functionality, but also opportunities of extension of this functionality by the user. In this article SolidWorks is used as a platform for the development of Add-In application to create automatically the metal bellow 3D model for the given parameters from the database corresponding to the given specifications. At the same time access to SolidWorks simulation functionality, through the analysis of SolidWorks Simulation, and to the appropriate database is provided by COM technology. For the solution of the optimization problem, the functionality of the Add-In-application developed by authors of this article is used. A development environment is MS Visual Studio C ++ (2015). The basis for work is object-oriented programming with API SolidWorks use.

Results. The technique of optimum design of the metal bellows is developed. The software represents the SolidWorks application for practical use creating the project solution in the form of 3D models (parts and assemblies) corresponding to the given specifications.

Discussion and Conclusions. The developed technique and software reduce considerably time for the development of the project for structures of the considered class.

Bведение

Задача автоматизированного проектирования предполагает создание интегрированных междисциплинарных моделей, соответствующих различным аспектам описания объекта проектирования (конструкторским и функциональным), а также различным видам обеспечения (математического, программного, информационного). В числе данных моделей выделяются 3D-моде-ли (детали и сборки), математические (аналитические и численные), инфор- мационные (базы данных), алгоритмические и программные.

В статье реализовано комплексное решение задачи автоматизированного оптимального проектирования сильфонов на основе использование моделей всех указанных типов в интегрированной форме.

Обзор литературы

В научной литературе имеется значительное количество примеров решения частных задач подобного рода, которые основаны на отдельно взятых моделях аналитического или численного типа. Hапример, в фундаментальной работе1 представлены аналитические методы расчета и проектирования сильфонов, основанные на теории пластин и оболочек и адаптированные к инженерной расчетной практике. В статье [1] рассматриваются варианты применения сильфонов и соответствующие процедуры с использованием средств автоматизации расчетов, также основанных на аналитических методах. В работе [2] приводится аналитическое описание деформаций сильфона как объемного твердого тела, ограниченного заданными поверхностями. Такое описание позволяет изучить поля деформаций и напряжений, возникающих в толще реальных оболочек.

В настоящее время для анализа состояния и поведения сильфонной техники используются в основном численные методы. В частности, в работах [3–4] приводятся и анализируются конечноэлементные модели сильфонов в среде системы ANSYS; в статье [3] исследуется циклическая прочность сильфона при вынужденных осевых колебаниях; в работе [4] дается оценка долговечности сильфона при малоцикловой усталости в случае циклического нагружения, сжатия, растяжения и изгиба.

Основой для комплексного решения послужила разработанная авторами статьи параметрическая библиотека для моделирования сильфонов в среде SolidWorks [5], позволяющая осуществлять автоматическое построение 3D-модели сильфона на основе паттерна проектирования c заданными типоразмерами. Hедостатком данной библиотеки является то, что параме- тры сильфона представляют собой глобальные переменные или определяются с помощью уравнений, однако исходные значения необходимо вводить вручную.

В данной работе параметрическая библиотека в контексте конструкторского аспекта описания объекта проектирования интегрируется с соответствующей базой данных в единой среде оптимального автоматизированного проектирования (САПР) «Сильфоны».

Mатериалы и методы

В процессе исследования использовались следующие методы, технологии, среды моделирования и разработки.

• 1.    CAD/CAE-система SolidWorks (Simulation) как среда 3D-моделирова-ния, проектирования, анализа и оптимизации проектных решений.

• 2.    Объектная модель компонентов COM (Component Object Model)^2–3, позволяющая получить доступ к моделям и функционалу приложения, в данном случае SolidWorks.

• 3.    Среда разработки MS Visual Studio C++ широкого спектра назначения².

• 4.    Технология OLE DB (Object Linking and Embedding, Database), реализующая поддержку со стороны MS Visual Studio C++ и позволяющая осуществить прямой доступ к данным. По существу, OLE DB представляет собой набор COM-интерфейсов. При этом интегрируются не только системы автоматизированного управления, но и системы управления данными [6]. Редактирование базы данных может осуществляться как в среде MS Access, так и в программе пользователя, организующей доступ к данным средствами OLE DB.

Результаты исследования

Информационное обеспечение

Основу информационного обеспечения САПР «Сильфоны» составляют файлы ACCDB (MDB) базы данных Access. Для двух наиболее распространенных типов металлических сильфонов (цельнотянутых и сварных) геометрические параметры (ГОСТ 21744-83, ГОСТ 21754-81) хранятся в соответствующих файлах базы данных.

Hа рис. 1 показано окно разработанного нами приложения САПР «Сильфоны», которое организует доступ к данным, просмотр и редактирование записей. Окно содержит две вкладки, соответствующие двум типам сильфонов. Hа каждой вкладке расположены следующие элементы:

• –    эскиз сильфона с указанием его геометрических параметров;

• –    поля для вывода и редактирования параметров, извлекаемых из базы данных;

  – элементы управления, позволяющие перемещаться по записям.

Кнопка «Сохранить проектное решение» позволяет сохранить все текущие документы. Hа начальной стадии проектирования происходит формирование и сохранение документа параметрической 3D-модели сильфона SolidWorks, параметры которой соответствуют выбранной записи из базы данных.

Сохранить проектное решение / Save as...

Перемещение по записям в базе данных / Moving the record in the Database

Номер текущей записи и значения параметров /

Current number of the record and values of parameters отказаться от проектного решения / Cancel

Л • ЧИСЛО гофр г - число слоев h-толщина слоя

Анализ проектного решения и оптимизация/

Projection analysis and optimization

Р и с. 1. Окно приложения САПР «Сильфоны»

F i g. 1. CAD application window Sylphons

Математическое обеспечение

Математическое обеспечение представляет собой метод конечных элементов, реализованный в виде конечноэлементного процессора как штатного компонента SolidWorks

Simulation. В качестве оптимизационной модели используется метод Хана и Пауэлла [7] для решения задачи нелинейного математического программирования (HМП) в следующем виде:

найти min C (x)           (1)

x∈R при ограничениях

A j < X j < B j , j = Щ , ф _к ( x ) - ¹, k = 1’ m ,         (2)

где x – вектор управляемых параметров; C ( x ) – целевая функция, выражающая собой критерий качества объекта проектирования (массу сильфона); n = 2 – количество управляемых параметров и, соответственно, количество геометрических ограничений (размерность пространства оптимизации); Aj и Bj – геометрические ограничения на управляемые параметры снизу и сверху соответственно; m = 1 (h ( x ) = ^ iiiax— ( ct ”L M - максимальное max

'¹          [ ^ 1

для конструкции эквивалентное напряжение по Мизесу, [ ст ] - допускаемое напряжение) – функциональное ограничение по прочности.

Основу программного обеспечения в части решения задачи HМП составляет набор подпрограмм [8], конвертированных нами в среду разработки MS Visual Studio C++.

В качестве управляемых параметров рассматриваются количество гофр и количество слоев оболочки. Вследствие трудоемкости оптимизационных процедур с алгоритмически заданными функциями оптимизации задача (1–2) решается с использованием многоточечных ап-проксимаций4. Алгоритм в данном случае сводится к поэтапной замене функций оптимизации упрощенными аналитическими моделями (метамоделями), сформированными на основе анализа результатов экспериментов с исходной конечноэлементной моделью [9]. В завершение каждого этапа оптимизационного процесса, согласно [10], производится замена непрерывных значений дискретными. В данной работе для такой замены была использована функция принадлежности:

_v⁽.^j )      ⁽ . ^j )

^{x   ( x} i — 1 ,

.( j )

j =

.(. j )

( . j ) X i — i x _i

+ x^{( j} j

x

.(. j )

' i + 1

+ x^{( j} )

.(. j )

.(. j )

' 0

• 2

—

i

,

.(. j )

• N + 1

.(. j )

N

i

,

x

.(. j )

N

—

x

.(. j )

• N — 1

,

где N _j – количество дискретных значений j -той переменной.

Программное обеспечение

Для реализации COM используется класс интерфейсных смарт-указателей CComPtr.

Hа рис. 2 проиллюстрирован механизм функционирования COM. Интерфейсы используются Stand-Alone приложением; при этом доступ к SolidWorks и MS Access реализуется посредством смарт-указателей, которые осуществляют связь приложения с документом и уравнениями SolidWorks, конечноэлементным процессором (исследования Simulation), оболочками SolidWorks, результатами анализа Simulation и данными MS Access. Детали решения оптимизационной задачи на платформе SolidWorks с использованием COM и API SolidWorks подробно изложены в работе [11]. Программный модуль оптимального проектирования и имитационного моделирования на базе API SolidWorks зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности5.

CComPtr doc;

CComPtr swEqnMgr;

CComPtr Study;

CComPtr Shell;

CComPtr Results;

CComPtr spAccessor;

Документ SolidWorks

Уравнения SolidWorks Исследования Simulation Оболочки

Результаты

Данные

Р и с. 2. Реализация COM-технологии

F i g. 2. COM-technology realization

Из приведенных на рис. 2 указателей дополнительных комментариев требует только указатель на оболочки CComPtr Shell. Создание данного указателя обусловлено необходимостью автоматического формирования граничных условий при изменении параметрической модели, связанном, например, с увеличением количества гофр сильфона. При создании дополнительных гофр распределенная нагрузка не переносится автоматически на вновь созданные оболочки; таким образом, эту проблему необходимо решить программно при помощи указателей Shell.

Пример

Решена задача оптимального выбора цельнотянутого многослойного сильфона, используемого в качестве компенсатора для соединения труб с нарушением соосности в 10○. Внешнее давление p = 16 Мпа, количество

Обсуждение и заключения

Разработанная методика и программное обеспечение позволяет эффективно решать задачи проектирования сильфонной техники в CAD/CAE среде, отвечающей техническим усло- 174

слоев Z = 3, диаметр d_n = 13мм, число гофр n = 16 (рис. 3). Материал сильфона – коррозионно- и жаростойкая сталь 08Х18H10Т, условный предел текучести σ ₀₂ = 275 МПа. Физико-механические п ^, араметры назначались в момент выбора материала из соответствующей базы данных SolidWorks. Левое торцевое сечение рассматривалось как жестко заделанное; на правое торцевое сечение наложено ограничение, соответствующее заданному положению относительно левого. Оптимизационная задача (1–2) решалась при условии [ σ ] = σ ₀₂ . Hа рис. 3 показан результат анализ ^, а напряженно-деформированного состояния, соответствующего оптимальному выбору из ряда параметров, согласно ГОСТ: n^* = 20, z^* = 4. Разработанное нами программное обеспечение готовится к регистрации в Федеральной службе по интеллектуальной собственности как программа для ЭВМ.

виям и государственным стандартам в удобной для инженера форме. По нашим оценкам экономия времени для решения задач проектирования конструкций рассматриваемого класса может быть снижена минимум на порядок.

Процессы и машины агроинженерных систем

Р и с. 3. Hапряженно-деформированное состояние оптимального проектного решения F i g. 3. Stress-deformed behavior of optimal design solution