Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СРЕДЕ УЧЕБНО-НАУЧНОГО ВИРТУАЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Авторы:
Город:
Самара
ВУЗ:
Дата:
23 февраля 2016г.

Обсуждаются результаты педагогического эксперимента по апробации методики проектирования силовых схем конструкций  с использованием специализированного PLM-решения учебно-научного виртуального предприятия (УНВП). Приводятся результаты повышения весовой эффективности проектируемых конструкций и роста квалификации обучаемых.

Ключевые слова: автоматизированное проектирование, силовая схема конструкции, континуальная модель, оптимизация

Развитие CALS-технологий обуславливает применение инновационных форм обучения  в инженерном образовании. В работе [7] предложена методология обучения автоматизированному проектированию конструкций с использованием УНВП на базе  PLM-системы. УНВП объединяет методическое обеспечение, интеллектуальные, программно-технические и информационные ресурсы подразделения  учебного заведения, направлено на  решение учебно-исследовательских задач проектирования изделий и выработку профессиональных компетенций у обучающихся.

В работе [3] заложены теоретические основы автоматизированного проектирования силовых схем авиационных конструкций (ССК) на основе континуальных моделей по  методу конечных  элементов. В  [1] представлено развитие этого подхода, в котором используется процесс последовательного замещения элементов гипотетического материала в континуальной конечно-элементной модели (КЭМ) конструкционными элементами, реализующими принятые технические решения по ССК. В [5] предложен сценарий обучения проектированию ССК в среде УНВП в форме деловой игры (ДИ).

В настоящей статье рассматриваются результаты обучения студентов методике автоматизированного проектирования ССК [1] по сценарию ДИ на примере плоских ферм. Обучение проектированию ССК осуществляется в среде PLM-системы Windchill и CAE-системы NASTRAN [6].

Сущность педагогического эксперимента заключается в следующем. Исходными данными являются заданные размеры плоской геометрической области, внутри которой может располагаться проектируемая ферма, нагрузки и закрепления конструкции. Используются различные типы закреплений, например, шарнирно подвижная и шарнирно неподвижная опоры, заделка. Ставится задача отыскать рациональную силовую схему фермы.

Рассмотрим последовательность действий обучающихся при отыскании рациональной структуры фермы.

1.     Допустимая геометрическая область проектируемой конструкции заполняется непрерывной упругой средой, названной в [3] континуальной  моделью. В качестве такого заполнителя для плоских  конструкций используется мембранная изотропная пластина переменной толщины. Разрабатывается КЭМ заполнителя, который потенциально содержит все возможные ССК. Эту модель назовѐм КЭМ-1.

2.     Выполняется оптимизация распределения толщин материала заполнителя по равнопрочному алгоритму и отыскивается теоретически оптимальная конструкция (ТОК).

3.     Анализируется информация о распределении материала и генеральных путей передачи усилий в ТОК с использованием потоков главных усилий (ПГУ) [3]. В зонах ТОК, в которых преобладают одноосные потоки усилий целесообразно располагать стержневые элементы проектируемой фермы в соответствии с направлениями векторов ПГУ, а в зонах с двухосным распределением ПГУ рекомендуется использовать перекрѐстную систему стержней.

4.     Разрабатывается КЭМ-2, которая реализует выбранную в п.3 структуру фермы и учитывает технологические ограничения. Выполняется весовой анализ фермы и проверяется выполнение функциональных требований. Критерием весовой эффективности ССК принимается силовой фактор G [2].

5.     В проектную область, согласно методике [1], вновь вписывается заполнитель. КЭМ-3, созданная на этом этапе, объединяет выбранные элементы фермы и континуальную модель.

6.     Выполняется оптимизация распределения материала заполнителя в КЭМ-3. Интерпретация картин ПГУ в заполнителе позволяет наметить пути совершенствования структуры конструкции за счѐт изменения расположения уже имеющихся силовых элементов или добавления дополнительных стержней.

7.     Разрабатывается вариант конструкции (КЭМ-4) с усовершенствованной ССК.

Оценку весового качества проектируемой конструкции p и квалификации проектного персонала q [4] можно выполнить по следующим формулам:


где Gopt – силовой фактор ТОК, Gst – силовой фактор конструкции, предложенной студентом.

Для выполнения педагогического эксперимента разработана структура папок в PLM-системе со специально подобранным методическим обеспечением, вариантами проектных задач, прикладным программным обеспечением. Временной контроль выполнения проектного документооборота осуществляется по технологии Workflow.

На Рисунке 1 в качестве примера представлена одна из учебных задач, с размерами проектной области A×B, нагрузкой P и типом закрепления заделка.



Применятся конструкционный материал с характеристиками: модуль упругости 70000 МПа, коэффициент Пуассона 0.3, плотность 2700 кг/м3, допускаемое напряжение 300 МПа. На Рисунке 2 представлено решение этой задачи по предложенной последовательности действий при следующих значениях: A=B=1000 мм, С=100 мм, P=100 кН.

В КЭМ-1 на Рисунке 2, а, б показано распределение материала и ПГУ в ТОК. КЭМ-2, реализующая технологичный вариант фермы, приведена на Рисунке 2, в. Силовой фактор этой фермы превышает Gopt на 8,2 %. Рисунок 2, г иллюстрирует ПГУ в заполнителе КЭМ-3. Усовершенствованная структура фермы, реализованная в КЭМ-4, показана на Рисунке 2, д. Силовой фактор для этой конструкции превышает Gopt на 3,4 %.

В данной работе к участию в педагогическом эксперименте были привлечены 5 групп студентов.

Результаты вычислений p и q для различных задач, решаемых студентами, представлены на Рисунке 3.




Для некоторых задач по методике проектирования получено снижение силового фактора до 15 % за счѐт усовершенствования структуры ферм. Средний рост весового качества ферменных конструкций составил 4,5 %, а средний рост квалификации обучающихся 40,5 %.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований в среде УНВП удалось подтвердить работоспособность методики проектирования ССК на примере плоских ферм и существенно повысить квалификацию обучающихся при решении задач структурного проектирования конструкций.



Список литературы

1.     Болдырев А.В., Павельчук М.В.  Развитие методики проектирования силовых схем авиационных конструкций с использованием модели тела переменной плотности // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15. № 6(3). С. 603–606.

2.     Комаров В.А. Весовой анализ авиационных конструкций: теоретические основы // Общероссийский научно-технический журнал «Полѐт». 2000. № 1. С. 31–39.

3.     Комаров В.А. Проектирование силовых схем авиационных конструкций //Актуальные проблемы авиационной науки и техники. М.: Машиностроение. 1984. С. 114–129.

4.     Комаров В.А., Черепашков А.А. Компьютерные тренажѐры для конструкторов // Общероссийский научно- технический журнал «Полѐт». 1999. № 8. С. 31–36.

5.     Павельчук М.В. Сценарий обучения деловой игры «Проектирование силовых схем авиационных конструкций в среде учебно-научного виртуального предприятия» // Проблемы теории и практики современной науки: сб. научн. трудов II Междунар. науч.-практич. конф. М.: Перо. 2014. С. 60–64.

6.     Рычков С.П. MSC.visual Nastran для Windows. М.: НТ Пресс. 2004. 552 с.

7.     Черепашков А.А., Букатин А.В. Обучение автоматизированному проектированию с использованием учебно-научного виртуального предприятия // Вестн. Самарск. гос. аэрокосм. ун-та. 2012. № 5 (36). С. 342– 345.