суббота, 19 января 2013 г.

Конкурс "Придай форму будущему - 2012", Машиностроение (часть 2)

Компания Autodesk проводит конкурс проектов, о котором написано здесь. От нашего вуза так же есть участники, один из проектов описан в этой статье. В моем же проекте все было немного иначе, он был личным и не входил никак в учебный процесс. Мне не безразличны велосипеды, так как это очень удобный, экономный и очень полезный вид транспорта. Поэтому я и решил «изобрести» велосипед …

Рисунок 1 – Велосипед

За основу задания в проекте «The new Frame for bicycle» было решено рассчитать раму для велосипеда в Autodesk Inventor 2013. По пунктам выглядит так:
1. Моделирование сборки рамы.
2. Моделирование расчета рамы на прочность.
3. Анализ результатов расчета.
4. Создание анимации результатов.
5. Создание фотореалистических изображений рамы велосипеда.

Самым первым этапом было создание эскиза рамы велосипеда, который показан на рисунке 1, ниже.

Рисунок 2 – Эскиз рамы 

Следующим этапом проекта было создание так называемых заготовок, по скольку рама необычной формы и изготовление такого образца крайне сложно в реальной жизни, то было решено создавать модель рамы с трех деталей. В реальной жизни это было бы реализовано, скорее всего, с помощью литья. Первая заготовка выглядит, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Заготовка для части модели 

Одним из трудоемких процессов было создание своеобразной структуры перегородок в этой раме. Структура показан на рисунке 4. 

Рисунок 4 – Структура ребер на части рамы 

Результат данного труда показан на рисунке 5. В таком виде модель уже готова для расчета. Исходя из того, что расчеты в программе Autodesk Inventor 2013 можно делать по большей части предварительные, то упрощение геометрии не особо актуально.

Рисунок 5 – Рама велосипеда 

Приступая к расчетам в среде «Анализа напряжений» нужно сначала определить тип материала. Данная конструкция для таких целей должна быть легкой и прочной, алюминий подходит по первому пункту, но не подходит по второму, сталь – наоборот. Титан подходит по обоим параметрам, поэтому было решено задать этот материал. Он имеет модуль Юнга 1,16∙1011 Н/м2 и коэффициент Пуассона 0,32. Предел прочности в сплавах титана колеблется от 400 до 1400 МПа, в зависимости от маркировки и количества добавок в сплаве. 

Следующим шагом в расчете было создание таких закреплений, как «Зависимость фиксации» и «Идеальная опора». Фиксация была создана в месте, где вставляются педали велосипеда. Опорой же послужило место, куда вставляют вилку велосипеда. Местом приложения силы выступила часть, где вставляют сидение. Расчеты желательно делать с данными, превышающие обычные нагрузки, поэтому сила была приложена в 1000 Н, что приблизительно эквивалентно 100 кг. 
Модель имеет специфическую геометрию, поэтому конечные элементы было решено делать более мелкими. Конечно-элементную модель показано на рисунке 6. 
Количество узлов: 93 тыс. 
Количество элементов: 53 тыс. 

Рисунок 6 – Конечно-элементная модель рамы 

После этого был запущен расчет и получены результаты. Основные интересующие нас данные, эквивалентные напряжения и эквивалентные перемещения в раме велосипеда. На рисунке 7 показаны эквивалентные напряжения, а на рисунке 8 эквивалентные перемещения.

Рисунок 7 – Эквивалентные напряжения в раме велосипеда 


Рисунок 8 – Эквивалентные перемещения в раме велосипеда 

На рисунке 9 показаны эквивалентные напряжения в раме, с выводом места, где они максимальны.

Рисунок 9 – Эквивалентные напряжения в раме велосипеда 

Так же была создана анимация распространения эквивалентных напряжений. 

Как вывод к расчетной части и анализ полученных результатов можно написать, что максимальное эквивалентное напряжение при заданной нагрузке, достигшее 37 МПа, совсем не превышает предел прочности титана (от 400 до 1400 МПа). Смещения достигли 0,5 мм, что не очень значительно при таких нагрузках. Это значит, данная рама может выдержать минимум в 5 раз больше нагрузку. Что очень подходит для такого типа рам. И при этом имеет сравнительно легкий вес, благодаря свойствам титана. 

На рисунке 10 показано одно из фотореалистических изображений.

Рисунок 10 – Фотореалистическое изображение 

Что по поводу фотореалистических изображений в описании задания, то их можно посмотреть в альбоме из галереи Autodesk Community. Но на этом мои старания не закончены, и актуальные фотореалистические изображения, созданные с помощью Inventor Studio, можно просмотреть в этом слайд-шоу. 

Как вывод в целом по конкурсу, можно сказать, что компания Autodesk делает большой и важный шаг, сделав бесплатным софт для студентов. И реализовывает такие международные конкурсы, где все желающие могут проявить свои возможности. Осталось лишь определиться, что больше всего нравится и в какой программе работать. Весь спектр продуктов для нас доступен и это очень радует.

С уважением, Дмитрий Мухин.