Использование программного комплекса T-FLEX PLM и возможностей 3D-печати для проектирования оснастки испытательной установки
А.Плотников — инженер компании Топ Системы, Ю.Кучковский — магистрант кафедры обработки материалов давлением и аддитивных технологий Московского политехнического университета, С. Федотов — генеральный директор ООО «Универсальное техническое обслуживание»
Целью проекта является проектирование лабораторной установки для исследования ряда физических характеристик исследуемого материала методом одновременного трехосного сжатия образца кубической формы силой до 100 т.
Для реализации проекта использовались программные продукты комплекса T-FLEX PLM — T-FLEX CAD и T-FLEX Анализ.
Исходные данные для решения задачи
В качестве исходных данных для проектирования и расчетов использовались эскизы и наброски рабочих плит и станины в сборе, предоставленные главным инженером проекта, а также предполагаемые технические характеристики проектируемой установки:
Кроме того, к конструкции предъявлены следующие требования:
- максимальное отклонение осей штоков гидроцилиндров под нагрузкой — не более 40”, что соответствует смещению 0,05 мм относительно геометрического центра испытуемого образца;
- масса конструкции (установки) должна быть оптимальной, cоразмерной ее силовым параметрам;
- конструкция должна обеспечивать удобство ее обслуживания, максимально возможный эксплуатационный ресурс;
- конструкция должна выдерживать среднее количество циклов нагружения;
- конструкция, по возможности, должна быть изготовлена из наиболее распространенных конструкционных материалов.
На рисунке представлен пример прототипа конструкции установки.
Проектирование оснастки испытательной установки в T-FLEX CAD с использованием параметризации
В результате проектирования в T-FLEX CAD была создана 3D-модель оснастки испытательной установки. Фрагменты выполнены параметрическими, созданы окна диалогов управления. Это позволило ускорить работу по оптимизации геометрических размеров и формы элементов конструкции, а также существенно ускорить выполнение прочностных расчетов в модуле T-FLEX Анализ.
Расчет и оптимизация конструкции оснастки испытательной установки на прочность в T-FLEX Анализ
Конечно-элементный расчет конструкции установки выполнялся в два этапа:
- Проверка прочностных характеристик спроектированной установки — оптимизация весовых характеристик и подбор материала исходя из его физико-механических свойств и доступности на рынке.
- Измерение углов изворота осей гидроцилиндров под нагрузкой.
На первом этапе конструкция нагружалась силой 100 т по каждой оси цилиндра, имитирующей сжатие испытываемого образца.
При выполнении расчетов принимаются следующие допущения и упрощения:
- материал конструкции принимается изотропным, неточности сборки, сварки, концентраторы напряжений, вызванные идеальной геометрией модели, и дефекты материала в расчете не учитываются;
- сварные швы в рассматриваемой конструкции при расчете заменяются «жесткой связью» между свариваемыми элементами. В этом случае тела рассматриваются как связанные; перемещения грани одного тела без каких-либо ограничений передаются граням другого тела;
- расчет прочности конструкции проводится по пределу текучести материала, соответствующему напряжению, при котором начинается пластическая деформация материала;
- прочность конструкции оценивается величиной коэффициента запаса прочности по эквивалентным напряжениям (К.З.П.). По техническому заданию К.З.П. должен быть не менее 1,5.
На основе 3D-модели была построена расчетная конечно-элементная модель, заданы контактные условия и условия нагружения, выполнен поверочный расчет модели, выполнена общая оценка прочности конструкции.
В результате поверочного расчета было принято решение внести изменения в конструкцию оснастки: добавлены боковые вырезы для облегчения доступа внутрь и фланцы, которые придали дополнительную жесткость и позволили построить более точную 3D-модель, а также составить новую расчетную схему. В качестве материала была выбрана сталь 45, обладающая достаточными прочностными характеристиками.
Оптимизированная 3D-модель оснастки испытательной установки
Схема нагружения плит при КЭ-анализе, оптимизированная модель
Физико-механические свойства стали 45, библиотека материалов T-FLEX CAD
Ниже представлены результаты конечно-элементного анализа доработанной конструкции оснастки испытательной установки.
Эпюра распределения коэффициента запаса по эквивалентным напряжениям для оптимизированной конструкции; min. К.З.П. не менее 1,5
Эпюра распределения перемещений по толщине деталей, мм
На втором этапе расчетов выполнялось измерение углов изворота осей гидроцилиндров под нагрузкой. Для этого на каждом цилиндре были установлены датчики.
По указанной схеме были рассчитаны углы изворота осей. В процессе конечно-элементного анализа с датчиков были сняты показания перемещений и записаны в переменные. После этого был создан диалог управления, через который были посчитаны суммарные углы изворота.
По результатам расчета значения углов изворота оказались меньше предельно допустимых, что подтвердило правильность выбранной конструкции.
3D-печать прототипа оснастки для проверки схемы сборки
После проведения завершающих расчетов возникла потребность проверки собираемости конструкции. Для этого была использована 3D-печать на установке Designer PRO 250 компании PICASO 3D. Модель была проверена и экспортирована в STL-формат средствами T-FLEX CAD через диалог 3D-печати.
STL-файлы были загружены в KISSLicer для создания траекторий.
Параметры 3D-печати:
- скорость, внешний периметр — 40 мм/с;
- скорость заполнения — 100 мм/с;
- толщина слоя — 0,25 мм;
- среднее время печати 1-й детали — 5-6 ч.
Ниже представлены результаты 3D-печати оснастки испытательной установки в масштабе 1:5. В качестве основного материала модели использовался PLA-пластик, в качестве материала поддерживающих структур — PVA-пластик. Прототип оснастки был довольно легко собран и помог визуально понять и отладить схему сборки, что было отражено в технических требованиях конструкторско-технологической документации на спроектированную оснастку.
Создание комплекта конструкторско-технологической документации для производства опытного образца
В результате проведенных работ был подготовлен комплект конструкторско-технологической документации для производства опытного образца оснастки для испытательной установки.
Были использованы инструменты для автоматического создания спецификаций, анимация сборки конструкции (выгружена в 3D PDF) — для повышения наглядности сборочного процесса и предотвращения ошибок на производстве, функция создания реалистичного изображения — для формирования отчета для заказчика. В настоящее время ведутся работы по подготовке к производству опытного образца.
Анимация сборки оснастки, выгруженная в 3D PDF
Реалистичное изображение оснастки (технология Optix)
Заключение
Благодаря широкому набору инструментов, уникальному параметрическому функционалу, а также полной интеграции системы T-FLEX CAD с системой прочностных расчетов T-FLEX Анализ, конструкция универсальной установки была разработана в достаточно сжатые сроки. Не менее важным является и то, что с помощью T-FLEX CAD стало возможным создание твердотельного прототипа оснастки, а также автоматизированное получение полного комплекта конструкторско-технологической документации для производства опытного образца.