Фирма «Счастливые люди»

Проектирование, расчет и моделирование типовых изделий

 

Проектирование изделий

Проектирование изделия – разработка комплекта документации, необходимой для его изготовления, наладки и эксплуатации в заданных условиях и в течение заданного срока.
Проектирование является одним из этапов так называемого жизненного цикла изделия, в который входят также этапы производства, эксплуатации и утилизации.
Проектирование представляет собой процесс решения многовариантной и в соответствии с многочисленными и разнообразными требованиями, которым каждый из возможных вариантов должен отвечать, еще и многокритериальной задачи.

Комплект технической документации, разработанный в результате проектирования, включает:

• Комплект конструкторской документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСКД).

• Комплект технологической документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСТД).

• Комплект эксплуатационной документации (регламентируется комплексом стандартов ЕСКД). Последний включает формуляры, технические описания, инструкции по эксплуатации, инструкции по техническому обслуживанию, плакаты, макеты и т.п.

• Комплект ремонтной документации - ремонтные карты, ремонтно-технологические документы и т.п.

При проектировании решаются следующие основные задачи:

• Обеспечение заданных параметров изделия для работы в заданных условиях.

• Обеспечение минимальных затрат на производство заданного количества изделий при сохранении заданных эксплуатационных параметров для каждого выпущенного изделия.

• Сведение к минимуму эксплуатационных затрат при сохранении заданных эксплуатационных параметров изделия.

 

При решении каждой из основных задач приходится находить решение целого ряда частных задач на разных этапах проектирования. При этом различные требования к изделию зачастую вступают в противоречие между собой. Искусство конструктора как раз и состоит в том, чтобы принять решение, позволяющее извлечь максимальный положительный эффект от разрабатываемого изделия.

Процесс проектирования изделия состоит из многих этапов (составление технического задания, расчет, конструирование, изготовление и испытание опытных образцов, разработка технологической документации, разработка эксплуатационной документации и т.п.), одними из главных среди которых являются расчет и конструирование.

В машиностроении основным является расчет деталей на прочность, который обычно выполняется в двух вариантах:

• проектный расчет;

• проверочный расчет.

 

Проектный расчет

Целью проектного расчета является установление необходимых размеров узлов и деталей, соответствующих заданным нагрузкам и условиям работы. В этом случае расчет выполняется исходя из основного условия прочности с учетом коэффициентов запаса прочности.

Для нормально работающей детали величина нормативного и фактического коэффициентов запаса обычно больше единицы, а фактический коэффициент запаса по величине больше нормативного.

Проектировочный расчет является предварительным и упрощенным. Он необходим для определения размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции.

 

Проверочный расчет

Целью проверочного расчета является определение фактических характеристик главного критерия работоспособности детали или определение наибольшей допустимой нагрузки на деталь по допускаемым значениям главного критерия работоспособности. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) напряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы наклона сечений, температуру, ресурс при заданной нагрузке или допустимую нагрузку при заданных размерах и т. п.

Проверочный расчет является утонченным, его проводят, когда размеры и форма детали определены в проектировочном расчете или приняты конструктивно, разработана технология изготовления (способ получения заготовки, вид термообработки, качество поверхности и т. д.).

Расчеты неразрывно связаны с конструированием.

 

Что такое конструирование?

Конструированием называют творческий процесс создания чертежей механизма или машины на основе проектировочных и проверочных расчетов. 
При разработке конструкции машины рассматривают различные варианты с целью получения оптимальной конструкции при наименьшей стоимости ее изготовления и эксплуатации. 
Конструирование требует всестороннего анализа статистического материала, отражающего опыт проектирования, изготовления и эксплуатации машин данного типа.

Современная проектно–конструкторская деятельность подразумевает системный образ мышления и комплексный подход к проектированию машин.

 

Моделирование деталей и узлов машин

Изделие машиностроения – не простая совокупность деталей. В собранном изделии детали находятся во взаимосвязи и взаимозависимости, которые и определяют качественные характеристики изделия. Образно говоря, не машина состоит из деталей, а детали образуют машину, являясь элементами системы и требуя системного подхода при расчете и разработке. Таким образом, проектирование должно быть системным.

Системное проектирование – это решение технической задачи для части с позиций целого.
Объединенные в производственном процессе отдельные единицы оборудования оказывают как непосредственное, так и косвенное влияние на работу друг друга и представляют собой технологические системы производств. Например, гибкие производственные системы (комплексы механообработки).

Комплексное моделирование – это процесс разработки оборудования с позиций технологической системы.

 

Основные этапы комплексного моделирования

Среди этапов комплексного моделирования можно выделить следующие:

Формулировка задачи на разработку изделия и обоснование его актуальности, исходя из той системы, элементом которой будет разрабатываемое изделие. Определение места изделия в технической системе. Задачу формулируют в общем виде, без излишней детализации. Нужно стараться сделать формулировку настолько общей, насколько позволяет важность задачи.

Анализ задачи: уточнение в деталях поставленной задачи, определение критериев, которыми будут пользоваться при нахождении лучшего варианта, определение ограничений решения, разработка комплексной модели качества и составление на ее основе комплекса критериев. Устанавливают качественные и количественные характеристики начального и конечного состояний, в том числе вариации входа и выхода.

Устанавливают ограничения, отражающие существующие условия физической или технологической реализуемости того или иного параметра путем назначения его минимально и максимально допустимых значений. Например, ограничения по габаритам, массе, быстроходности или ограничения по критериям работоспособности и надежности. Часто используют понятие – конструктивные ограничения.

Ограничения решения сводят в систему неравенств и равенств и вводят в математическую модель. 
Математическая модель – совокупность формул, уравнений, соотношений, алгоритмов или программ, отражающая свойства моделируемого объекта или имитирующая реальный процесс.

Поиск возможных решений. Центральный этап проектирования. 
Для решения задач курса "Детали машин" наиболее часто используют структурное или параметрическое моделирование.

При структурном моделировании варианты приводов получают как возможные комбинации различных типов редукторов, муфт, открытых передач.

При параметрическом моделировании разные варианты заданной структуры привода получают путем применения разных материалов или видов термообработки, различного распределения передаточных чисел между отдельными передачами, применения различных исполнений той или иной передачи (для ременной, например, с плоским, клиновым, поликлиновым или зубчатым ремнем).

Выбор оптимального варианта по результатам сравнительного анализа возможных решений. Это главный среди этапов, предшествующих конструированию, – этап принятия решения.

Формирование коплекса критериев. Разрабатываемое изделие характеризуют определенными свойствами. Свойства, по которым ведут оценку при выборе лучшего решения, называют критериями. В соответствии с комплексной моделью качества формируют комплекс критериев.

Завершают комплексное проектирование конструктивной разработкой оптимального варианта и последующим уточнением принятого решения на основе экспериментальных исследований или опытной эксплуатации.

Общие правила проектирования и конструирования

Среди общих правил проектирования и конструирования можно отметить следующие три.

Первое. При проектировании рассчитывают на нормальные условия эксплуатации. Так, если рассчитывать детали велосипеда из условий их стойкости к повреждению при наезде на непреодолимое препятствие, то получится перетяжеленная конструкция, которая будет трудна в эксплуатации.

Второе. Конструирование есть поиск оптимального компромиссного решения. Часто при проектировании должны быть удовлетворены противоречивые требования. Так, у боевого самолета должно быть обеспечено и достаточное бронирование кабины пилота (что требует увеличения массы) и необходимая дальность и скорость полета (что требует снижения массы).

Третье. При конструировании должно быть выполнено условие равнопрочности. Очевидно, что нецелесообразно конструировать отдельные элементы машины с излишними запасами несущей способности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с отказом конструкции из–за разрушения или повреждения других элементов.