Современные методы математического моделирования позволяют решить большинство проблем, связанных с исследованием и модернизацией конструкции автомобиля не прибегая к дорогостоящему физическому эксперименту. Их использование повышает количество получаемой полезной информации, сокращает сроки выполнения работ и существенно снижает их стоимость.

В настоящее время при проектировании, доводке и модернизации конструкции автомобилей практически все ведущие автомобильные фирмы мира широко используют математические методы. К сожалению, в отечественной практике проектирования и доводки автомобилей математические методы используются недостаточно широко.

Транспортное машиностроение, к сфере которого относится объект исследований, существенно отличается от других отраслей машиностроения. Его особенность состоит в том, что внешние нагрузки, действующие на конструкцию, переменны во времени и прилагаются с частотой, зависящей от скорости движения, фактической нагрузки, состояния дороги и других факторов. При этом во время эксплуатации возможны резонансные явления, могущие привести к высоким по отношению к номиналу, напряжениям и другим нежелательным явлениям, что способствует возникновению усталостных трещин, рост и развитие которых вызывает усталостное разрушение.

1 Обзор программных средств моделирования и расчета, компьютерных исследований конструкций автомобилей

Повышение качества и конкурентоспособности промышленной продукции на современном этапе развития научно-технического прогресса находится в зависимости от информационного обеспечения процессов ее создания, производства, эксплуатации, утилизации. Быстрота и экономичность вывода на рынок новых машин сводится к соревнованию в области внедрения и применения наукоемких компьютерных технологий. Одна из успешных методик проектирования с использованием таких технологий изложена в работе [35] (рис. 1).

Теория и критерии проектирования

Дизайн и прототипирование

Автоматизированное проектирование

Моделирование и инженерный анализ

Виртуальные и стендовые испытания

Общая оценка машины

Опытный образец

Рис. 1 – Схема методики виртуального проектирования машин

Теория и критерии проектирования формулируются на основе требований заказчика, нормативных требований, критериев качества и конкурентоспособности машин. Этап дизайна и прототипирования выполняется с использованием моделей компьютерного дизайна и технологии быстрого прототипирования. Далее на базе CAD-систем осуществляется автоматизированный выбор конструктивных параметров деталей, узлов, систем машин. После проводится инженерный анализ: моделирование условий эксплуатации и нагруженности, статический, кинематический и динамический анализ машин, анализ прочности и ресурса. Проанализированная модель участвует в испытаниях, а затем производится ее общая оценка качества и конкурентоспособности. После оценивания приступают к созданию опытного образца.

1.1 Обзор программных комплексов, использующих конечно-элементный анализ

В случае доводки существующей конструкции наиболее важным этапом виртуального проектирования является моделирование и инженерный анализ. Программные комплексы, используемые для этого можно подразделить по видам решаемых задач, среди которых можно выделить группы – задачи прочности, теплопередачи, гидро- и газодинамики, виброакустики, управления, динамики движения.

Наиболее широко используются программы, основанные на использовании методов дискретизации – методе конечных элементов, граничных элементов и т. д. Такие программы решают задачи прочности, теплопередачи, гидродинамики, виброакустики. Их внедрение легко, они сочетаются с формой представления конструкторской документации и не противоречат иерархической структуре процесса проектирования.

Форма представления конструкторской документации в основном имеет графический вид, поэтому насыщенность конструкторских подразделений графическими программами высока. А геометрическая информация является входной для методов дискретизации и требует мало дополнительных данных для использования в расчете. С другой стороны, отработанная технология проектирования существующих типов машин, например, автомобиля, характеризуется разбиением всей конструкции на отдельные узлы, которые разрабатываются независимо, на основе сложившихся технических условий и норм. Этот фактор также благоприятно сказывается на совместимости программных средств первой группы с техпроцессом проектирования.

Программные средства этой группы относят к CAE-системам, т.е. средствам автоматизации инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов, что позволяет отнести их к разряду проектирующих подсистем САПР в соответствии с ГОСТ 23501.108-85 [37].

Традиционно проектирующие подсистемы САПР принято делить по классам в зависимости от производительности необходимых аппаратных средств для их использования (следовательно, в зависимости от вычислительных возможностей и стоимости) [36]. К легким САПР относят, например, AutoCAD [38], а также “легкие” версии TurboCAD [39], Компас [40]. Как правило, такие системы не поддерживают полноценное трехмерное моделирование и инженерный анализ и предназначены для автоматизации создания чертежей и сопутствующей конструкторской документации.

К САПР среднего уровня [36, 43] относят, например, SolidWorks [41], SolidEdge [42], Inventor [44], КОМПАС-3D [40], T-Flex [45], APM WinMachine [46]. Эти программные продукты поддерживают 3D-моделирование, имеют встроенные (SolidWorks, Inventor), либо отдельные модули (Solid Edge, T-Flex), позволяющие на основании метода конечных элементов решать несложные задачи на прочность, усталость, динамику, колебания, теплопередачу, гидро- и газодинамику, поэтому большинство из них относят к гибридным CAD/CAE системам. САПР среднего уровня на сегодняшний момент являются наиболее развиваемыми и внедряемыми.

Тяжелые САПР [36], такие как Ansys [47], Abaqus [48], ProEngineer [49], CATIA [50] являются самыми мощными инструментами для расчетов и моделирования. Количество методик расчета на основе различных методов дискретизации, широкий круг охватываемых явлений, возможность решения задач любой сложности, легкость написания подпрограмм делают эти CAE-программы самыми известными в мире. Но сложность освоения, интерфейса привели к тому, что эти САПР представляют больший интерес для научных исследований, чем для инженерно-проектных работ.

Итак, на мировом и российском рынках присутствует большое количество САПР, способных решать задачи различной сложности. Особое значение получает взаимодействие вышеописанных программ и программ для решения задач динамики, открывающее новые возможности в проектировании и научных исследованиях, о которых пойдет речь ниже.