Oprogramowanie CAD. w projektowaniu konstrukcji mechanicznych

Transkrypt

1 Oprogramowanie CAD w projektowaniu konstrukcji mechanicznych Opracował: dr inż.zbigniew Rudnicki Oprogramowanie CAD w projektowaniu konstrukcji mechanicznych Wykład 1: Organizacja i tematyka zajęć Podstawowe pojęcia CAD i dziedziny Cax Funkcje programów CAD (mechanicznych) Modelowanie geometryczne Zalety modeli bryłowych Wprowadzenie do obliczeń w Mathcadzie 2 1

2 Organizacja zajęć 24 godz. wykładów (B-4 sala 113H) 32 godz. ćwiczeń (B-2 sala 219) Prowadzą: dr inż. Zbigniew Rudnicki Tel.: mgr inż. Dariusz Wędrychowicz (B-2 pok.301) 3 Organizacja zajęć c.d. Strony internetowe przedmiotu są na serwerze Katedry Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn: Jest tam m.in..: dział Nauczanie Harmonogram i tematyka ćwiczeń Odsyłacze do materiałów dydaktycznych 4 2

3 Tematyka zajęć Modelowanie matematyczne w programie Mathcad a) deterministyczne b) stochastyczne (statystyka, rozkłady prawdopodobieństwa) Symulacja obiektów mechanicznych w programie Working Model Modelowanie geometryczne płaskie i bryłowe - m.in. w programach Autocad, Pro/Desktop, Inventor Podstawy modelowania i symulacji wytrzymałościowych w programach Femap i Nastran Metody Rapid Prototyping, Reverse Engineering, i in. 5 Podstawowe pojęcia 6 3

4 Obszar działań inżyniera - technika i inżynieria Termin TECHNIKA (ang.: technology) określa zarówno: środki techniczne: narzędzia, materiały jak i sposoby - procesy technologiczne umożliwiające: zdobywanie, przetwarzanie, wytwarzanie i wykorzystywanie dóbr materialnych zaspokajających określone potrzeby. Poszczególne dziedziny nauk technicznych określane bywają terminem inżynieria (ang.: engineering) np. inżynieria lądowa, wodna, chemiczna, leśna, materiałowa, genetyczna. 7 potrzeba sposoby i środki techniczne zaspokajające potrzebę 8 4

5 Inżynieria a Przedsiębiorczość Inżynieria mechaniczna projektowanie, wytwarzanie, eksploatowanie Przedsiębiorczość analiza rynku planowanie analiza i obniżanie kosztów zdobywanie funduszy poprawianie jakości szybkość działań marketing i reklama Inżynieria mechaniczna Wiedza dotycząca: projektowania, wytwarzania i eksploatcji maszyn i mechanizmów. Nie dotyczy: maszyn matematycznych, które są domeną inżynierii elektronicznej. 10 5

6 Maszyna Maszyną nazywamy układ materialny, złożony z połączonych ze sobą ciał wykonujących określony ruch, służący do wykonywania pracy związanej z procesem wytwórczym lub przemianą energii. Maszyna zazwyczaj składa się z zespołów zwanych mechanizmami, spełniających określone zadania. 11 Projektowanie Projektowanie, jest obmyślaniem nowych wytworów i układów bądź sposobów przekształcania dotychczas istniejących, jest czynnością poprzedzającą wytwarzanie lub przetwarzanie. Projekt jest abstrakcyjnym obrazem obiektu, który ma być wytworzony. 12 6

7 Fazy procesu projektowania projektowanie koncepcyjne - m.in. analiza założeń i opracowanie wstępnej koncepcji projektu; projektowanie szczegółowe (konstruowanie), poszczególnych zespołów i elementów; optymalizacja wykonanie dokumentacji konstrukcyjnej. 13 Ogólny schemat projektowania Opis potrzeby Sformułowanie warunków koniecznych i optymalnych Koncepcja rozwiązania - model fizyczny (abstrakcyjny) - wymiary, własności materiałowe,... Projekt wstępny - szkice (modele geometryczne) Model matematyczny (obliczenia) Jeśli warunki nie spełnione to -> powrót do korekty modelu Szczegółowe projekty elementów i zestawu oraz ich optymalizacja Opracowanie dokumentacji techniczno-rysunkowej 14 7

8 Konstruowanie Konstruowanie to: szczegółowe projektowanie maszyn, ich zespołów i elementów. Konstruowanie jest procesem tworzenia konstrukcji. Konstrukcją nazywamy abstrakcyjny obraz maszyny ze wszystkimi jej cechami, powstający w umyśle konstruktora. 15 Dwie ogólne zasady konstrukcji: 1) Konstrukcja powinna spełniać wszystkie warunki konieczne, (wynikające ze szczegółowych zasad) w stopniu równym lub wyższym od założonego. 2) Konstrukcja powinna być optymalna (polioptymalna) w danych warunkach ze względu na przyjęte kryterium (kryteria) optymalizacji. Konstrukcja, która spełnia pierwszą zasadę, jest konstrukcją dobrą. Zwykle istnieje zbiór konstrukcji dobrych. Konstrukcja spełniająca zasadę drugą jest konstrukcją optymalną (polioptymalną) ze względu na przyjęte kryterium (kryteria) optymalizacji. 16 8

9 Szczegółowe zasady konstrukcji 1) funkcjonalność, 2) niezawodność, 3) trwałość, 4) sprawność, 5) lekkość, 6) taniość i dostępność materiałów, 7) właściwy układ przenoszenia obciążeń, 8) technologiczność, 9) łatwość eksploatacji, 10) ergonomiczność, 11) ochrona środowiska, 12) zgodność z obowiązującymi normami i przepisami......inne 17 Optymalizacja Zadaniem optymalizacji jest znalezienie najlepszego rozwiązania ze względu na dane kryterium optymalizacji, przy spełnieniu zadanych warunków. Przykład: Określić wymiary przekroju belki stalowej, optymalne ze względu na kryterium minimum materiału, przy spełnieniu określonych warunków wytrzymałościowych. Matematycznie jest to poszukiwanie ekstremum (zazwyczaj minimum) funkcji wielu zmiennych decyzyjnych stanowiącej kryterium optymalizacji, przy spełnieniu warunków zadanych równaniami i nierównościami, ograniczającymi obszar poszukiwań 18 9

10 Polioptymalizacja Czyli optymalizacja wielokryterialna to poszukiwanie rozwiązań optymalnych ze względu na wiele kryteriów (więcej niż jedno kryterium) Na przykład: Określić wymiary przekroju belki stalowej, optymalne ze względu na kryteria wagi oraz ceny materiału, przy spełnieniu określonych warunków wytrzymałościowych. 19 Cechy przedsiębiorstwa zarządzanego komputerowo 20 10

11 CAD Computer Aided Design czyli Komputerowo Wspomagane Projektowanie oraz dziedziny pokrewne CAx 21 CAD i dziedziny pokrewne: CAx Najczęściej CAD jest powiązany z: CAE - Computer Aided Egineering: komputerowo wspomagana inżynieria czyli symulacje kinematyczne i dynamiczne (działania maszyn) oraz procesów wytwórczych CAM - Computer Aided Manufacturing: komputerowe wspomagane wytwarzanie - obrabiarki sterowane numerycznie oraz maszyny do szybkiego wytwarzania prototypów (Rapid Prototyping) 22 11

12 CAD i dziedziny pokrewne: CAx W przypadku kompleksowej komputeryzacji przedsiebiorstwa moga byc wdrazane takze takie dziedziny jak: CIM - Computer Integrated Manufacturing: - komputerowo zintegrowane wytwarzanie PPC - Production Planning and Control: - planowanie i sterowanie produkcją CAP - Computer Aided Planning: - komputerowe wspomaganie planowania CAQ - Computer Aided Quality Control: - komputerowo wspomagane sterowanie jakością... i inne 23 Sprzęt komputerowy (Hardware) komputer monitor plotter A3 digitizer plotter bębnowy plotter stołowy A

13 Podstawowe funkcje programów CAD do wspomagania projektowania urządzeń mechanicznych A) Modelowanie geometryczne płaskie (2D) i trójwymiarowe (3D) B) Obliczenia i modelowanie matematyczne (obl. wytrzymałosciowe, symulacja, optymalizacja,...) C) Gromadzenie i wykorzystywanie danych - bazy danych - elementy znormalizowane 25 Modelowanie geometryczne Modele geometryczne mogą być: - płaskie (2D) czyli rysunki, także izometryczne - trójwymiarowe (3D), a w tym: 1) krawędziowe (jak z drutu) 2) ściankowe 3) bryłowe 26 13

14 Modelowanie geometryczne Modele geometryczne są podstawą m.in. do: generowania papierowej dokumentacji, badań symulacyjnych na modelach (m.in.. wirtualne prototypy) szybkiego (komputerowego) tworzenia prototypów (rzeczywistych) tworzenia programów sterujących obrabiarkami numerycznymi PROGRAMY CAD powinny realizować także: B) Obliczenia (w szczególności wytrzymałościowe) które mogą być wykonywane na podstawie: - Modeli matematycznych deterministycznych np.: FEM Finite Element Method = Metoda Elementów Skończonych - Modeli matematycznych probabilistycznych (stochastycznych) uwzględniających losowy rozrzut wartości zmiennych fizycznych według określonych rozkładów prawdopodobieństwa - Sieci neuronowych które kształtują swoje cechy na podstawie przykładów C) Gromadzenie i wykorzystywanie danych Bazy Danych gromadzą m.in.. tablice danych potrzebnych do projektowania oraz biblioteki gotowych podzespołów 28 14

15 Zalety modeli bryłowych 29 Na podstawie modelu bryłowego można wygenerować rysunek techniczny Ten model i rysunek utworzono w programie Pro/Desktop firmy PTC 30 15

16 Model bryłowy uzupełniony danymi o materiałach oraz zamocowaniach i obciążeniach pozwala prowadzić analizy wytrzymałościowe najczęściej Metodą Elementów Skończonych MES (ang.: FEM) Takie analizy można wykonywać w programach z dziedziny FEM (Finite Element Method) czyli Metody Elementów Skończonych 31 np.: ANSYS, ABAKUS, Femap+Nastran... Model bryłowy pozwala wytworzyć PROTOTYP Rapid Prototyping - to grupa metod szybkiego komputerowo sterowanego wytwarzania prototypów. Oto dwie z nich: 1) Stereolitografia - polega na tworzeniu kolejnych warstw prototypu przez utwardzanie laserem warstw płynnej żywicy 2) LOM czyli Laminated Object Manufacturing to sklejanie prototypu z wycinanych laserowo warstw papieru. Model papierowy lub z żywicy pozwala utworzyć formę odlewniczą i wykonać metalowy odlew prototypu 32 16

17 Model bryłowy jest niezbędny dla zaprogramowania obrabiarki numerycznej przy pomocy programu z grupy CAM 33 Nowoczesne programy CAD Powinny zapewniać m.in..: projektowanie bryłowe parametryzację i więzy geometryczne możliwość projektowania współbieżnego komunikację z innymi programami wielomodułowość 34 17

18 PARAMETRYZACJA Nie wszystkie programy CAD umożliwiają stosowanie parametryzacji modeli geometrycznych oraz więzów. PARAMETRYZACJA to zastąpienie liczbowych wymiarów nazwami zmiennych czyli parametrami - oraz możliwość wprowadzania równań i nierówności określających zależności między tymi zmiennymi i automatycznie modyfikującymi model geometryczny. A więc parametryzacja stanowi pomost między modelem geometrycznym a modelem matematycznym i zapewnia wzajemną zgodność tych modeli a b a = 2 * b 35 WIĘZY GEOMETRYCZNE Więzy geometryczne to relacje między elementami modelu geometrycznego (odcinkami, łukami, okręgami,...), na przykład: prostopadłość, równoległość, styczność, połączenie końców, równość długości, konkretny wymiar liczbowy, inna zależność określona równaniem lub nierównością Przykładowo w programie Pro/Desktop można te więzy oglądać, dodawać, usuwać,

19 Projektowanie Współbieżne Wielu projektantów może równocześnie pracować nad różnymi aspektami projektu, nie tylko technicznymi Projekt istnieje w Centralnej Bazie Danych do której projektanci mają dostęp poprzez sieć komputerową. Pozwala to przede wszystkim skrócić czas opracowywania oraz zwiększyć konkurencyjność produktu 37 OPROGRAMOWANIE CAD Oferowanych jest co najmniej kilkadziesiąt programów. Jednym z najstarszych (od 1982 r.) i najbardziej znanych jest AUTOCAD firmy AutoDesk Z powodzeniem konkurują z nim programy francuskiej firmy Dassault Systemes: Catia, SolidWorks, Enovia i in. oraz amerykańskiej PTC (Parametric Technology Corp.): Pro/Engineer, Pro/Desktop, i bogata rodzina Pro/... Znane są także produkty EDS Unigraphics (Parasolid Modeler), firmy Intergraph i wielu innych Darmowe polskie wersje treningowe MEGACAD a dodawane są do opisującej go książki 38 19

20 Wielomodułowość programów CAD Takie kompleksowe systemy jak Pro/Engineer czy CATIA mogą zawierać bardzo wiele modułów do różnych celów przykładowo poniżej podano ważniejsze moduły CATII: 39 20