Назначение
Механическое моделирование является одним из основных направлений применения программного комплекса PRADIS. Оно предназначено для исследования поведения машин, механизмов и конструкций на этапе проектирования без необходимости изготовления физических прототипов.
Используя библиотеки механических компонентов, инженер может собрать виртуальную модель изделия, задать его геометрические, инерционные и упругие характеристики, определить условия нагружения и выполнить расчет движения, нагрузок и взаимодействия элементов конструкции.
Механические модели могут использоваться как самостоятельно, так и совместно с гидравлическими, пневматическими, электрическими, тепловыми и управляющими подсистемами, что позволяет моделировать работу сложных мехатронных изделий в единой расчетной схеме.
Принцип построения моделей
В отличие от традиционного подхода, при котором инженер самостоятельно составляет систему дифференциальных уравнений, в PRADIS модель формируется из физических компонентов.
Каждый компонент описывает определённый физический объект или связь между объектами:
- массу;
- момент инерции;
- пружину;
- демпфер;
- контакт;
- шарнир;
- направляющую;
- источник движения;
- источник силы;
- датчик;
- преобразователь координат;
- кинематическую пару;
- исполнительный механизм.
После соединения компонентов в расчетную схему препроцессор автоматически формирует математическую модель всей системы, а решатель выполняет её численное интегрирование.
Таким образом пользователь работает с физической структурой изделия, а не с системой уравнений.
Структура механической модели
Типичная механическая модель включает несколько взаимосвязанных групп компонентов.
Инерционные элементы
Описывают массу или момент инерции деталей.
Используются для моделирования:
- корпусов;
- валов;
- колес;
- маховиков;
- рычагов;
- исполнительных органов;
- подвижных частей механизмов.
Именно эти элементы определяют динамику движения системы и её реакцию на приложенные силы.
Упругие элементы
Используются для описания накопления потенциальной энергии.
К данной группе относятся модели:
- линейных пружин;
- нелинейных пружин;
- крутильных пружин;
- комбинированных упругих элементов.
Они применяются при моделировании:
- подвесок;
- упругих соединений;
- демпфирующих элементов;
- возвратных механизмов;
- элементов с предварительным натягом.
Демпфирующие элементы
Позволяют учитывать рассеяние энергии.
Используются для моделирования:
- вязкого трения;
- гидравлического сопротивления;
- амортизаторов;
- демпферов;
- сопротивления движению.
Применяются при исследовании переходных процессов и колебаний.
Контактные элементы
Описывают взаимодействие твердых тел.
Такие модели позволяют учитывать:
- контакт деталей;
- удары;
- зазоры;
- ограничители перемещения;
- силу нормального давления;
- силу трения;
- деформацию контактной области.
Контактные модели широко используются при моделировании кулачковых механизмов, клапанных систем, направляющих, шин, подвесок и различных механизмов с ограничителями хода.
Источники воздействия
Позволяют задавать внешние воздействия на механическую систему.
В качестве воздействий могут использоваться:
- сила;
- момент;
- скорость;
- ускорение;
- перемещение;
- закон движения;
- произвольный временной сигнал.
Источники применяются при воспроизведении рабочих режимов изделия и проведении виртуальных испытаний.
Датчики
Используются для регистрации параметров модели.
В зависимости от типа механической системы могут измеряться:
- перемещение;
- скорость;
- ускорение;
- сила;
- момент;
- реакция связи;
- угол;
- угловая скорость;
- угловое ускорение.
Полученные данные используются при анализе результатов моделирования.
Кинематические связи
Позволяют формировать структуру механизма.
С их помощью моделируются:
- шарниры;
- направляющие;
- вращательные пары;
- поступательные пары;
- жесткие соединения;
- кинематические ограничения;
- преобразователи координат.
Они определяют допустимые степени свободы отдельных элементов конструкции.
Библиотеки механических компонентов
Для решения различных задач PRADIS содержит несколько специализированных библиотек механических компонентов.
Линейная механика 1D
Предназначена для моделирования поступательного движения вдоль одной координатной оси.
Типичные области применения:
- гидроцилиндры;
- амортизаторы;
- подвески;
- линейные приводы;
- исполнительные механизмы;
- поступательные механизмы.
Роторная механика 1D
Используется при моделировании вращательного движения.
Применяется для расчета:
- валов;
- редукторов;
- двигателей;
- трансмиссий;
- маховиков;
- приводов;
- вращающихся механизмов.
Механика 2D
Предназначена для исследования движения механизмов в плоскости.
Позволяет моделировать:
- рычажные механизмы;
- подвески;
- рулевые системы;
- кулачковые механизмы;
- контактные взаимодействия;
- многозвенные конструкции.
Каждое тело обладает двумя поступательными и одной вращательной степенью свободы.
Механика 3D
Используется при моделировании движения в трехмерном пространстве.
Позволяет рассчитывать:
- пространственные механизмы;
- манипуляторы;
- строительную технику;
- сельскохозяйственные машины;
- авиационные механизмы;
- робототехнические комплексы;
- транспортные средства.
Каждое тело имеет шесть степеней свободы — три поступательных и три вращательных.
Возможности механического моделирования
Использование механических библиотек PRADIS позволяет выполнять:
- кинематический анализ;
- динамический анализ;
- расчет силовых нагрузок;
- исследование контактных взаимодействий;
- моделирование колебаний;
- анализ устойчивости движения;
- исследование ударных процессов;
- моделирование трения;
- расчет реакций в кинематических парах;
- подбор параметров пружин и демпферов;
- оптимизацию параметров конструкции;
- исследование переходных процессов;
- расчет движения многотельных механических систем;
- анализ совместной работы нескольких подсистем изделия.
Совместное моделирование
Одним из преимуществ PRADIS является возможность объединения механических моделей с моделями других физических доменов.
Например, механическая модель может одновременно взаимодействовать с:
- гидравлической системой (гидроцилиндры, насосы, гидромоторы);
- пневматической системой (пневмоцилиндры, распределители);
- электрическим приводом (электродвигатели, генераторы);
- системой управления (PID-регуляторы, логические блоки, алгоритмы);
- тепловой моделью;
- пользовательскими моделями.
Такой подход позволяет моделировать сложные мехатронные изделия как единую взаимосвязанную систему.
Практическое применение
Средства механического моделирования PRADIS широко используются при разработке:
- автомобильных подвесок;
- рулевых механизмов;
- трансмиссий;
- двигателей внутреннего сгорания;
- газораспределительных механизмов;
- гидравлических приводов;
- строительной техники;
- экскаваторов;
- лесозаготовительной техники;
- сельскохозяйственных машин;
- робототехнических комплексов;
- авиационных механизмов;
- промышленного оборудования;
- исполнительных механизмов;
- многотельных динамических систем.