Константин ЕфановСАПР нефтяного и химического оборудования
Введение
В краткой публикации показано приведено совместное прочтение подходов 3d и 2d проектирования нефтяного и химического оборудования, выполнено сравнительное прочтение САПР для проектирования, рассмотрен вопрос места разработки 3 модели в процессе проектирования изделия.
Предназначается для специалистов по проектированию и конструированию нефтяного, нефтехимического, химического, атомного статического и динамического оборудования, а также для проектировщиков различных машиностроительных изделий и строительных металлоконструкций.
1 3d модель в проектировании
При использовании 2D технологии в уме проектировщика (конструктора) строится трехмерная модель объекта проектирования и информация о модели переносится на плоскость в виде плоских проекций. При чтении плоского чертежа по проекциям в уме собирается трехмерная модель в уме работающего с документом. Эта же модель представляется в настоящее время в 3D программах твердотельного моделирования. Однако, перед построением 3D модели у проектировщика в уме должна быть представлена модель и её идеи. После формировании модели в уме конструктора, строится её информационная трехмерная модель в 3D программе.
Различие в 2D и 3D методах состоит в том, что в первом случае читающий чертеж вновь собирает модель в своем уме и работает с моделью в уме, а при использовании 3d модели инженер получает информацию наглядно. Модель проецируется на плоский монитор компьютера в виде плоского рисунка, но это не мешает воспринимать объект трехмерным, так же как человек видит в трехмерной реальности материальные предметы.
Таким образом, 3d модель наглядно передает информацию, позволяет точно и глубоко проработать геометрическую компоновку объекта (изделия), получить массогабаритные характеристики изделия и элементов без проведения рутинных расчетов.
Наглядность необходима для сложных деталей таких как детали проточной части центробежного насоса.
Геометрическая проработка компоновки необходима для больших строительных металлоконструкций, разводок трубопроводных линий, сложных изделий машиностроения во избежание пересечения объемов материальных объектов в пространстве, то есть чтобы объемы деталей не занимали одинаковые точки пространства.
С применением CAE пакетов для расчетов методом конечных элементов на прочность, тепловых, гидродинамических, аэродинамических, сопряженных междисциплинарных расчетов, 3d модель становится частью технологии, которая не применялась в устаревших методах проектирования и конструирования. На основании 3d модели строится пространственная сетка конечных элементов и выполняется один из перечисленных расчетов.
В современном машиностроении применяется сквозное проектирование конструкторско-технологической подготовки производства, при котором 3d модель передается в отделы главного технолога, металлурга, сварщика. В отделах по 3d модели также в пространстве 3d проектируется инструмент и обработка. Например, обработка инструментом на станках с ЧПУ, изготовление лопастей колеса центробежного насоса. Ранее управляющие коды писались вручную, а для изготовления лопатки насоса требовалось разработка теоретического чертежа колеса.
С развитием аддитивных технологий по 3d модели производится изготовление деталей с криволинейными поверхностями, не доступными для обработки посредством металлорежущих инструментов (фрезы, резцы и др.). При проектировании используется бионический дизайн, при котором проектируются конструкции с минимальным весом, металл оставляется по силовым линиям в области максимального силового взаимодействия. Напряженное состояние детали и области, с которых можно убрать металл, оцениваются по цветной диаграмме, полученной по результатам расчета методом конечных элементов.
Однако, при обсуждении концепции модели, при индивидуальных размышлениях проектировщика, по прежнему востребованным остается технический рисунок в виде наглядного изображения или в виде ортогональных проекций. Отдельно необходимо отметить программы для выполнения скетчей дизайнерами, то есть художественного конструирования. Дизайнер выполняет графику на плоском экране с использованием электронного аналога карандаша. По полученному эскизу строится 3d модель изделия. Дальнейшая работа с построенной 3d моделью ведется в обычном порядке для 3d модели в программах твердотельного моделирования.
Для построения сложных поверхностей класса «А», содержащих образующие из кривых с 8 точками изменения кривизны используется САПР верхнего уровня с функционалом для проектирования сложных поверхностей.
Программы твердотельного моделирования как правило содержат два вида файлов – файлы деталей и файлы сборочных единиц. Существуют два способа проектирования «сверху вниз» и «снизу вверх». При проектировании «сверху вниз» в 3d программе так же, как и в 2d программе выполняется прочерчивание компоновочного эскиза, на основании которого строятся 3d детали и получается готовая 3d сборка. Дерево построения показывается на пространстве 3d модели или выделено в отдельной области. Эскизы строятся в трехмерном пространстве непосредственно, затем на основании этих эскизов строятся 3d детали операциями выдавливания, вращения и др. В ряде программ инструменты эскиза делят на 2d эскизы и 3d эскизы. 2d эскизы строятся в плоскости, а не в трехмерном пространстве модели напрямую. Построение эскизов в пространстве модели, по-видимому, является более рациональным приемом работы.
1.1 Прочностные расчеты
С применением технологии CAE используется подход, не доступный при проектировании в 2d. 3d модели предаются из программ CAD в программы CAE для расчета методом конечных элементов и оптимизации конструкции. Пакеты CAE отдельно содержат модули трехмерного моделирования. Есть мнение, при импорте моделей, построенных в CAD, могут появится ошибки при расчетах. Такое мнение подлежит проверке.
Например, в пакете CAD строится модель корпуса нефтяного, химического или атомного аппарата, оболочки корпуса ракеты-носителя или космического аппарата, затем в пакете CAE выполняется прочностной расчет методом конечных элементов.
Модуль расчета методом конечных элементов может быть встроен в программу CAD. В программах CAE в настоящее время внедрена технология управления проектом расчета, в которой наглядно вводятся исходные данные для расчета (геометрия, материал, нагрузки и др.), строится расчетная сетка конечных элементов и приводятся модули для выполнения отдельных видов расчетов таких как расчет на прочность, на температурные воздействия и др. Наглядность обеспечивается последовательными наложенными связями между выполняемыми расчетами так что результаты одного из расчетов являются исходными данными для другого. В результате получается выполненный междисциплинарный сопряженный расчет.
Для нефтяных и химических аппаратов расчет на прочность может выполняться в программах автоматизации расчета по формулам из стандартов. Вместе с этими программами используются модули расчета методом конечных элементов отдельных конструктивных узлов аппаратов, например, узлов врезки штуцеров. Формулы из стандартов основаны на безмоментной теории оболочек не дают точного решения для краевой нагрузки, возникающей в местах пересечения оболочек. Для расчета пересечения оболочек используется метод конечных элементов.
Инженеру по прочности при использовании программ МКЭ необходимы знания теории упругости, пластичности (сопротивления материалов) и алгоритмов работы расчетной программы для корректного введения исходных данных и получения корректных результатов. Подход к расчетам на прочность с применением 3d технологии отличается от 2d технологии, тем что не используются ручные расчеты, выполненные на основе методов сопротивления материалов и методов строительной механики.
1.2 Оформление чертежей
2d программы содержат конфигурации для разработки машиностроительных чертежей по ЕСКД и строительной документации по СПДС. Программы содержат библиотеки стандартных элементов для оформления чертежей такие как форматы листов, таблицы для чертежей марок КМ и КМД, автоматическое проставление числовых значений допусков при выборе квалитета и др.
В трехмерном проектировании используются библиотеки со 3d моделями стандартных элементов. Файлы для оформления чертежей по 3d модели также как и в 2d программах содержат элементы для стандартного оформления.
Получение чертежей в 3d программах предполагает сквозное проектирование от разработки 3d модели до оформления графики на ее основании. Функционал 3d программ ограничивается в основном получением графики с 3d модели, проставления размеров, выполнением надписей на выносках и выполнением текста на поле чертежа. Функции по изучению модели с помощью операций прочерчивания отсутствуют, так как эти функции выполняются при компоновке 3d модели при проектировании в трехмерном пространстве.
Так теоретический чертеж колеса центробежного насоса тяжело построить средствами плоского черчения в 3d пакете, однако, с применением 3d технологии необходимости в теоретическом чертеже нет. Технология и оснастка для изготовления проектируются сразу напрямую по 3d модели без использования теоретического чертежа.
Существует «бесчертежная» технология изготовления изделий, в которой по производственным процессам внутри завода-изготовителя не печатаются чертежи на бумаге и не подготавливаются в электронном виде для просмотра.
Как показывает практика, чертежи, выполненные с использованием 3d технологии проектирования по глубине проработки и качеству графики лучше чертежей, выполненных по технологии проектирования в 2d.
Нефтяные аппараты на главном виде условно показывают со штуцерами на боковой поверхности с указанием высотной отметки. Действительное расположение штуцеров по угловой привязке показывается на виде сверху (в плане). Такой способ проектирования применяют при 2d технологии. С использованием 3d технологии способ изображения главного вида и расположения штуцеров может быть лишен этой условности. Такое отличие не является ухудшением приемов проектирования я и вычерчивания аппаратов.