Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

“ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ”»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

ДЕПАРТАМЕНТ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИНЖЕНЕРИИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту (работе)

«Создание программного модуля определения критических элементов на базе пакета SolidWorks»

Москва 2015

Аннотация

В данной дипломной работе представлен процесс создания 3D-модели изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста тягового, моторвагонного, специального подвижного состава и путевых самоходных машин железных дорог (ИОВЭ), разработки программного модуля-конвертора для передачи расчетных данных из рабочей среды программных пакетов SolidWorks и SolidWorks Simulation в программу Microsoft Excel для дальнейшего анализа в программном комплексе АСОНИКА-К.

Приведены общие теоретические сведения о программных продуктах SolidWorks, а так же общие положения по методам расчета надежности изделия. Показаны результаты расчётов показателей надежности ИОВЭ и даны рекомендации, направленные на обеспечение и повышение его надёжности.

Описан интерфейс рабочей среды программного пакета SolidWorks, произведен анализ чертежей ИОВЭ, дана характеристика методам проектирования и создания визуальной 3D-модели изделия, произведен расчет необходимых данных для проведения исследования на механическое моделирование для изделия. Описана работа дополнительного программного пакета SolidWorks Simulation.

Подробно приведены этапы проектирования 3D-модели изделия и разработки программного модуля-конвертора, рассмотрены способы взаимодействия с другими программными продуктами - Microsoft Excel и АСОНИКА-К.

Предоставлена информация по рабочим модулям и функциям созданного программного конвертора данных. Так же предоставлен отчет о работоспособности программы.

Annotation

This graduation work represents the process of creating a high-strength electrically heated transparency 3D-model for traction, motor-unit, rolling stock cabins and track mechanical railway vehicles. The development of software convertor-module to transfer calculated data from desktop environment desktop software package SolidWorks and SolidWorks Simulation to Microsoft Excel for further analysis in the software package ASONIKA-K.

The work touches upon SolidWorks software products theory, background information on methods of calculating reliability of the product. Calculation data of IOVE reliability index are shown and recommendations aimed on providing and increasing its reliability are given.

Operating environment interface of SolidWorks software package is described, IOVE sketches are analyzed, methods of designing and creating a visual 3D-model of the product are characterized, necessary data for the study of the mechanical modeling for the product is calculated. The operation of an additional software package SolidWorks Simulation is described.

The stages of a product 3D model design and the development of convertor-module software are given in details. Ways of interaction with other software products of Microsoft Excel and ASONIKA-K are discussed.

Information on working modules and functions of created software database converter is provided. A report on program performance is provided.

Оглавление

• 1. Специальная часть
• 1.1 Введение
• 1.2 Общие сведения и положения
• 1.3 Постановка задачи и принципы разработки
• 1.4 Общие сведения о программном пакете SolidWorks и SolidWorks Simulation
• 1.5 Разработка технического задания в соответствии с требованиями ГОСТ 34.602-89
• 1.5.1 Общие сведения по ГОСТ 34.602-89
• 1.5.2 Назначение и цели создания (развития) проекта
• 1.5.3 Требования к документированию
• 1.6 Проектирование изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста (ИОВЭ) в программном пакете SolidWorks
• 1.6.1 Интерфейс рабочей среды SolidWorks
• 1.6.2 Анализ спецификации и сборочных чертежей ИОВЭ
• 1.6.3 Дерево построения проектируемого изделия
• 1.6.4 Порядок построения проектируемого изделия
• 1.7 Анализ полученных результатов в SolidWorks Simulation
• 1.8 Создание программного модуля для определения перечня критических элементов полученной 3D-модели по механическому моделированию
• 1.8.1 Конвертация данных и выбор среды разработки
• 1.8.2 Описание работы конвертора
• 1.9 Тесты работы созданного программного модуля и оценка его эффективности
• 1.10 Конвертирование результатов в программный комплекс АСОНИКА-К
• 1.10.1 Расчет показателей надежности ИОВЭ
• 1.10.2 Описание структурной схемы надежности ИОВЭ
• 1.10.3 Расчет показателей безотказности
• 1.10.4 Расчет показателей долговечности
• 1.10.5 Анализ результатов надежности изделия
• 1.11 Подведение итогов, оценка возможных доработок и улучшений модуля конвертирования для ИОВЭ
• 2. Конструкторско-технологическая часть
• 2.1 Технология создания 3D-модели ИОВЭ в программном комплексе SolidWorks
• 2.1.1 Создание деталей «Остекления»
• 2.1.2 Создание детали «Бобышка»
• 2.1.3 Создание детали «Винт В.М3х10.58.016 ГОСТ 17473-80»
• 2.1.4 Создание деталей «Датчик температуры»
• 2.1.5 Создание детали «Профиль резиновый»
• 2.1.6 Создание общей сборки ИОВЭ
• 2.2 Методика разработки программного модуля-конвертора с использованием стандартных техник программирования
• 2.3 Создание функциональной модели прогнозирования ИОВЭ с учетом механического моделирования
• 2.3.1 Создание статического анализа для исследования механического воздействия на ИОВЭ в дополнительном программном пакете SolidWorks Simulation
• 2.2.3 Тесты работы программного модуля
• 3. Экология и охрана труда
• 3.1 Общие требования охраны труда к организации рабочих мест
• 3.2 Вредные факторы, действующие на пользователя ЭВМ Анализ таких факторов как шум, электромагнитные поля, вибрации, микроклимат, электробезопасность
• 3.3 Определение оптимальной освещенности при работе с ЭВМ
• 3.4 Обеспечение пожарной безопасности при работе оператора ЭВМ
• 3.5 Ожидаемые болезни и вредные воздействия на человека в ближайшем будущем
• Заключение
• Список литературы
• Приложение 1
• Приложение 2
• 1. Специальная часть

1.1 Введение

Данная квалификационная работа посвящена созданию 3D-модели изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста тягового, моторвагонного, специального подвижного состава и путевых самоходных машин железных дорог и разработке программного модуля для конвертирования расчетов из рабочей среды пакета SolidWorks и SolidWorks Simulation в программу Microsoft Excel, анализ полученных данных в программном комплексе АСОНИКА-К.

1.2 Общие сведения и положения

Развитие современной аппаратуры характеризуется значительным увеличением ее сложности. Усложнение обуславливает повышение гарантии своевременности и правильности решения различных задач.

Проблема надежности различных изделий возникла в 50-х годах двадцатого века, когда начался процесс быстрого усложнения систем производства и стали вводиться в действие новые. В это время появились первые работы, определяющие понятия и определения, относящиеся к надежности. Была создана методика оценки и расчета надежности устройств вероятностно-статистическими методами. Исследование поведения объекта во время эксплуатации и оценка качества определяет его надежность.

Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. проектирование модуль solidworks остекление

Для количественного выражения надежности объекта и для планирования эксплуатации используются специальные характеристики - показатели надежности. Они позволяют оценивать надежность объекта или его элементов в различных условиях и на разных этапах эксплуатации.

На основе анализа существующих подходов к оценке надежности стареющего оборудования и конструкций, сложившихся в различных отраслях промышленности, выявлены общие проблемы традиционных расчетных методов, обусловленные несовершенством поверочных расчетов на прочность. Исходя из этого, рассматривается новая методология оценки надежности конструкций с применением компьютерного моделирования на базе пакета SolidWorks & SolidWorks Simulation.

В настоящее время метод определения критических элементов является одним из самых эффективных методов решения многочисленных инженерных задач с помощью ЭВМ. Программные комплексы построенные на базе метода критических элементов, позволяют в естественной и физически наглядной форме учитывать сложность геометрии и граничных условий, реальные нагрузки, свойства материала и другие параметры проектируемого объекта.

Различные виды анализа, выполняемые с применением систем инженерного анализа, основаны на классических инженерных подходах к разработке математических моделей поведения изделия при различных воздействиях. При оценке надежности конструкций необходимо учитывать механические свойства материалов конструкции, случайность геометрических характеристик, нагрузки вероятностного характера. В качестве системы инженерного анализа был выбран пакет SolidWorks, SolidWorks Simulation и программный комплекс АСОНИКА-К.

1.3 Постановка задачи и принципы разработки

Основной задачей является создание 3D-модели изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста тягового, моторвагонного, специального подвижного состава и путевых самоходных машин железных дорог (ИОВЭ) и разработка программного модуля для конвертирования расчетных данных из рабочей среды пакета SolidWorks и SolidWorks Simulation в Microsoft Excel,s анализ данных в программном комплексе АСОНИКА-К.

Актуальность проектирования и разработки программного модуля обусловлена тем, что в настоящее время отсутствует готовый продукт для конвертации данных из среды SolidWorks в Microsoft Excel. Имеющиеся решения не предоставляют достаточной гибкости, функционала и удобства для быстрого и качественного решения поставленной задачи по конвертированию данных между программными комплексами.

Расчеты надежности используются для количественного показателя надежности системы и применяются на каждом этапе разработки, производства и эксплуатации объекта. При проектировании и производстве того или иного элемента системы возникает необходимость предсказать его ожидаемую надежность чтобы подсчитать вероятные риски и решить ряд технических аспектов. Под ними подразумевается выбор структуры объекта, методов контроля, количества запасных элементов и вычисление жизненного цикла всей системы.

Основными целями расчета надежности объекта являются:

- анализ и утверждение количественных требований по надежности к объекту или его частям;

- анализ надежности схемно-конструктивного построения;

- определение ожидаемого уровня надежности

- проверка соответствия полученного уровня надежности заявленным требованиям ( контроль надежности ).

На сегодняшний день методы расчета надежности определяют по составу рассчитываемых показателей надежности и по основным принципам расчета.

По составу рассчитываемых показателей надежности различают методы безотказности, ремонтопригодности, долговечности, устойчивости и эффективности.

По основным принципам расчета различают методы прогнозирования, структурного расчета и физического расчета.

При расчете надежности объекта можно применять различные методы, использовать полученные результаты в качестве исходных данных для расчета надежности объекта в целом или его составных частей различными структурными методами.

Полученные результаты расчетов дают понять, какой надежностью обладали объекты, прошедшие испытания, и каким требованиям они должны соответствовать. На основании этих расчетов разрабатываются меры по повышению надежности, определяются прочные и слабые места объекта, оценивается уровень надежности и рассматривается влияние на него отдельных факторов. [5]

1.4 Общие сведения о программном пакете SolidWorks и SolidWorks Simulation

В настоящее время существует большое количество систем автоматизированного проектирования с различным набором инструментов и подключаемых дополнительных модулей. Одним из лидеров в данном направлении является программный пакет SolidWorks. Данный продукт является конструкторской системой твердотельного параметрического моделирования машиностроительных конструкций, служит для автоматизации работ промышленного предприятия на всех этапах подготовки производства. В данной системе может быть разработан объект любой сложности и направленности.

Спектр решаемых задач:

Конструкторская подготовка производства (КПП)

3D-построение изделий в виде отдельных деталей или совмещение их в одну сборку, создание необходимой документации и надлежащих инструкций в соответствии с требованиями ГОСТ, работа в направлении промышленного дизайна, реверсивного инжиниринга, проектирование трубопроводов, газопроводов и иных коммуникаций, инженерный анализ на давление, динамику механизмов, применение силы, устойчивость, термоустойчивость, взаимодействие между деталями и пр.

Технологическая подготовка производства (ТПП)

Анализ технологичности конструкции изделия, разработка и проектирование средств технологического оснащения, анализ технологичности процессов изготовления, разработка управляющих программ для станков с ЧП, управление данными и процессами на этапе ТПП.

Управление данными и процессами

Работа с единой цифровой моделью изделия (может выполняться как параллельно, так и коллективно), электронный документооборот, ведение единого архива документации по ГОСТ, управление проектом, защита получаемых данных на всех стадиях разработки, отладки, внедрения и эксплуатации.

SolidWorks используется крупными промышленными компаниями по всему миру, позволяет оперативно решать вопросы конструкторской и технологической подготовки изделий вне зависимости от их сложности, имеет ряд преимуществ над другими CAD-системами, а именно:

· Интуитивно понятный и русскоязычный интерфейс;

· Гибкие системные настройки, позволяющие настроить меню взаимодействия;

· Построение 3D-модели изделия, которая в дальнейшем выступает в роли основного источника информации на последующих этапах разработки;

· Система имеет ряд встроенных модулей и компонентов, которые значительно облегчают работу над изделием и сокращают время производства конечного продукта;

· Документация и необходимые чертежи создаются на основе построенной 3D-модели в полуавтоматическом режиме, вследствие чего всегда можно отредактировать 3D-модель и данные изменения отразятся в чертеже;

· Полная интеграция с другими CAD-системами, возможность подключения и взаимодействия со сторонними программами Windows.

· Детализация модели зависит только от количества входных данных - чем больше технических характеристик имеется, тем более детализированное и реальное изделие можно спроектировать. Контроль ошибок и диагностика изделия позволяет получать необходимую информацию на ранней стадии проектирования, вследствие чего можно учесть все необходимые изменения и внести их в модель. [1-3]

SolidWorks Simulation представляет собой дополнительный расчетный модуль, который входит в расширенное издание программного пакета SolidWorks и служит для решения задач механики деформируемого твёрдого тела. SolidWorks Simulation позволяет проводить оптимизацию конструкции по критериям минимизации/максимизации массы, объёма, собственных частот и критической силы, позволяет провести комплексный динамический и кинематический анализ механизмов, поможет определить скорости, ускорения и взаимные воздействия элементов системы.. Имитировать деформацию конструкции с учётом нелинейности, моделировать эффект падения конструкции и проводить усталостный расчёт.

Основными функциональными особенностями SolidWorks Simulation являются:

· расчет сборок;

· расчет сварных конструкций;

· прогнозирование усталостного разрушения;

· параметрическая оптимизация;

· расчет резонансных форм и частот;

· тепловой расчет;

· имитация падения и удара решение задач теории упругости и теплопроводности.

Опираясь на результаты можно сделать конструкцию изделия более прочной, легкой, изящной, а значит экономически выгодной и более практичной.[4]

1.5 Разработка технического задания в соответствии с требованиями ГОСТ 34.602-89

1.5.1 Общие сведения по ГОСТ 34.602-89

Данный стандарт служит для определения основных требований на разрабатываемые автоматизированные системы (АС) для автоматизации различных видов деятельности, которые включают в себя управление, проектирование, исследование. ГОСТ 34.602-89[16] описывает состав, содержание, правила оформления документа «Техническое задание на создание (развитие или модернизацию) автоматизированной системы».

1.5.2 Назначение и цели создания (развития) проекта

Цель проекта: создание 3D-модели изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста тягового, моторвагонного, специального подвижного состава и путевых самоходных машин железных дорог и разработка программного модуля для конвертирования расчетных данных из рабочей среды пакета SolidWorks и SolidWorks Simulation анализ в программный комплекс АСОНИКА-К.

Назначение: автоматизация получения данных о нагрузках деталей 3D-модели после проведения исследования на механическое моделирование из программного пакета SolidWorks и SolidWorks Simulations.

1.5.3 Требования к документированию

Основными требованиями к документированию создаваемой 3D-модели и написанию программного модуля-конвертора являются следующие пункты:

1) Процесс документирования должен вестись на каждом этапе проектирования и разработки программного обеспечения. Допускается ведение документирования параллельно разработке.

2) Необходимо разделить документирование по категориям задач и целей.

3) Необходимо обеспечить управляемость процесса документирования. Разработка программного обеспечения и сопутствующей документации должно выполняться строго по установленным графикам.

1.6 Проектирование изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста (ИОВЭ) в программном пакете SolidWorks

Для разработки и проектирования ИОВЭ в данной дипломной работе был выбран пакет SolidWorks 2014.

Программный пакет SolidWorks 2014 является мощной системой автоматизированного проектирования, предназначен для выполнения работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства и работает на ПК под управлением операционной системы Microsoft Windows.

Главным достоинством SolidWorks 2014 является то, что в нём используется принцип трехмерного твердотельного и поверхностного параметрического проектирования. Это позволяет проектироваться объемные и максимально детализированные изделия как в виде единой модели, так и в виде скомпонованной из разных частей сборки трехмерной модели, по которой в дальнейшем можно создать чертежи и спецификации.[1-5]

1.6.1 Интерфейс рабочей среды SolidWorks

Рис. 1 Интерфейс программы

1. Строка меню

2. В строке меню содержатся наиболее часто используемые кнопки инструментов из панели инструментов.

3. Панели инструментов

4. Для большинства инструментов SolidWorks и дополнительных продуктов имеются свои панели инструментов, с помощью которых можно взаимодействовать с 3D-моделью.

5. Диспетчер команд

6. Это контекстная панель инструментов, которая обновляется автоматически в зависимости от панели инструментов, к которой требуется доступ. По умолчанию она содержит встроенные панели инструментов в зависимости от типа документа.

7. Менеджер конфигурации

8. Служит для создания, выбора и просмотра многочисленных конфигураций деталей и сборок в документе.

9. Менеджер команд

Предназначен для настройки свойств и других параметров для многих команд SolidWorks.

10. Фильтр дерева конструирования

11. Позволяет проводить поиск определенных деталей или компонентов сборок.

12. Дерево конструирования

13. В дереве конструирования в левой части окна SolidWorks отображается контурный вид активной детали, сборки или чертежа. С его помощью можно легко увидеть построение модели или сборки, просмотреть разные листы и виды чертежа. Основное окно взаимодействия между деталями сборки.

14. Строка состояния

Отображает информацию о текущих выполняемых задачах.



Рис. 2 Интерфейс программы

1. Панель инструментов управляемого просмотра

2. Прозрачная панель инструментов в каждом окне просмотра предоставляет все часто используемые инструменты для манипулирования видами модели.

3. Строка поиска

4. Используется для нахождения информации в документации. Можно находить файлы и модели, а также найти и запустить команду SolidWorks с помощью всего нескольких нажатий клавиш.

5. Справка

6. Отображается онлайновая версия документации в веб-браузере.

7. Панель задач

Панель задач обеспечивает доступ к ресурсам, библиотекам повторно используемых элементов проектирования SolidWorks, видам, которые можно перетаскивать на чертежные листы, и другим полезным объектам и сведениям.

8. Графическая область

9. Основная рабочая “площадка” для взаимодействия с моделью или сборкой.

1.6.2 Анализ спецификации и сборочных чертежей ИОВЭ

В данной дипломной работе объектом разработки, проектирования и исследования было выбрано изделие остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста тягового, моторвагонного, специального подвижного состава и путевых самоходных машин железных дорог. На рисунке 3 предоставлен подробный чертеж будущей модели остекления, а на рисунке 4 представлен чертеж стекла в разрезе.

Рис.3 Подробный чертеж ИОВЭ



Рис.4 Чертеж ИОВЭ в разрезе.

Более подробное описание компонентов чертежа представлено в Таблице 1.

Таблица 1. Состав ИОВЭ.

№ п/п	Наименование	Кол-во	Примечание
1	2	3	4
1	ЧС7-1074.01.000.010 Стекло внутреннее	1
2	ЧС7-1074.01.000.020 Стекло среднее	1
3	ЧС7-1074.01.000.030 Стекло наружное	1
4	2М62-1031.01.00.040 Бобышка	1
5	ЧС7-1074.01.000.001 Логотип	1	Не учитывается
6	Винт В.М3х10.58.016 ГОСТ 17473-80[15]	4
7	Датчик температуры	2
8	Полимерная фотоотверждаемая композиция	2,892	см3х103
9	Профиль резиновый	3,5	м

1.6.3 Дерево построения проектируемого изделия

Перед началом создания 3D-модели в программном пакете SolidWorks важно проанализировать имеющиеся чертежи и составить план построения.

Так как данное изделие имеет множество компонентов, которые необходимо детально проработать, целесообразно создать каждую деталь изделия по отдельности и впоследствии объединить их в одну сборку. Данное решение является самым оптимальным для выполнения поставленной задачи и соблюдению необходимых требований. Дерево построения изделия изображено ниже на рисунке 4.

Дерево построения проектируемого изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста

1.6.4 Порядок построения проектируемого изделия

1. Остекление ( 1 шт. );

2. 1.1. ЧС7-1074.01.000.010 Стекло внутреннее;

3. 1.2. ЧС7-1074.01.000.020 Стекло среднее;

4. 1.3. ЧС7-1074.01.000.030 Стекло наружное;

5. Полимерная фотоотверждаемая композиция ( 2 шт. );

6. Бобышка ( 1 шт. );

7. 2.1. Корпус бобышки;

8. 2.2. Крышка бобышки;

9. 2.3. Втулка бобышки;

10. Винт В.М3х10.58.016 ГОСТ 17473-80 ( 4 шт. );

11. Датчик температуры ( 2 шт. );

12. Профиль резиновый ( 1шт. ).

Первым этапом будет построение остекления изделия. Внутреннее и среднее стекло имеют одинаковую толщину, однако, у них разная высота и ширина. Внешнее стекло имеет толщину почти в 2 раза превышающую толщину внутреннего и среднего стекла, поэтому все три модели стекла будут строиться отдельно. Важно заметить, что полимерная фотоотверждаемая композиция находится по обе стороны от среднего стекла и представляет собой метакрилатную олигомермономерную смесь, предназначенную для изготовления безопасных многослойных стёкол (триплекс).

Вторым этапом следует создание бобышки, которая была также разделена на сборку из корпуса, крышки и втулки. Бобышка служит для соединения с блоком регулирования температуры, который является частью электрооборудования локомотива и не входит в состав изделия.

Четыре винта служат для крепления частей бобышки между собой. Чтобы не создавать четыре одинаковых модели винта, необходимо создать модель одного винта и воспользоваться встроенной функцией «Местный круговой массив» для дублирования оставшихся трех экземпляров.

Завершающим этапом проектирования будет создание двух датчиков температуры и резинового облицовочного профиля, который соединяет всю конструкцию воедино.

1.7 Анализ полученных результатов в SolidWorks Simulation

Дополнительный расчетный модуль SolidWorks Simulation позволит произвести необходимые расчеты механического воздействия на проектируемое изделие.

По техническому заданию изделия остекления для лобовых окон подвижного состава по динамической прочности должны выдерживать удар бутылкой тип I по ГОСТ 10117-91[17] ( ёмкостью 0.7 литра ) массой до 0.5±0.01 кг, летящей со скоростью, равной удвоенной конструкционной скорости подвижного состава. При этом не должно быть сквозного пробоя изделия остекления. Допускается растрескивание стёкол и осыпание осколков внутрь кабины.

Для моделирования лобового удара бутылкой в окно подвижного состава в SolidWorks Simulation необходимо взять все три стекла ( наружное, среднее и внутреннее ) как цельный элемент - сборки. Диаметр контакта равняется 60 мм, так как это диаметр бутылки по типу I по ГОСТ 10117-91.

Определяем ускорение:

Допустим, время от момента броска до контакта с остеклением подвижного состава составляет 4 с. Скорость известна и составляет от 0 км\ч до 160 км\ч, что равняется 44 м\с.

Ускорение, в данном случае, высчитывается по формуле, приведенной выше:

Далее, воспользуемся вторым законом Ньютона:

Масса брошенного тела нам известна и составляет 0.5 кг. Вычисляем необходимую величину:

Сила, которую необходимо будет применить при моделировании удара бутылкой в остекление подвижного состава, составляет 5.5 Ньютонов.

Для моделирования удара область нагрузки будет выбрана в центре остекления для наилучшего отображения деформации. Из-за особенностей моделирования механических нагрузок на материалы остекления в дополнительном расчетном модуле SolidWorks Simulation нам не удастся просмотреть, как трескается и осыпается стекло. Программный пакет не учитывает хрупкость остекления. Однако, нам будет видна анимация удара, а также можно получить информацию о том, какую силу удара сможет выдержать изделие остекления подвижного состава.

1.8 Создание программного модуля для определения перечня критических элементов полученной 3D-модели по механическому моделированию

1.8.1 Конвертация данных и выбор среды разработки

Для конвертации данных из одной рабочей среды в другую готовых решений на базе программного пакета SolidWorks представлено не было. Учесть все пожелания и потребности всех пользователей, снабдить программу необходимым функционалом и сохранить её быстродействие и работоспособность в настоящее время не представляется возможным. Для решения этого вопроса необходимо было создать средство взаимодействия между пользователем и программой, некую «песочницу», где каждый пользователь мог бы расширять функционал программного пакета «под себя».

Результатом долгих разработок стал встроенный интерфейс взаимодействия - SolidWorks Application Programming Interface (API). Он позволяет создавать и программировать собственные приложения для применения их в среде моделирования и расчетов.

Стоит отметить, что API взаимодействует с такими средствами разработки программного обеспечения как Visual Basic, Visual C++, Visual Studio, VBA (Microsoft Excel, Word, Access и т.д.) и позволяет выполнять различные задачи:

· Объединение программного пакета SolidWorks со смежными пакетами разработки и моделирования;

· Создание дополнительных модулей, позволяющих расширять возможности стандартных функций;

· С помощью API-программы можно получать данные о проектируемой детали или сборки в целом, что является наглядным средством автоматизации процесса получения перечня данных.

Разработка программ на SolidWorks API осуществляется путём написания так называемых «макросов» - программных алгоритмов действий, заданных пользователем системы. Либо возможна разработка стороннего отдельного приложения на языках программирования C# или VisualBasic. Все требуемые файлы и библиотеки для API идут вместе с программным пакетом SolidWorks и их не требуется устанавливать дополнительно. Важной особенностью SolidWorks API является его интеграция с другими Windows CAD/CAM/CAE-приложениями, Microsoft Office, Windows API.

Так как целью данной дипломной работы является написание программного модуля конвертирования, было решено взять язык программирования Microsoft Visual Basic. Выбранная среда разработки, в свою очередь, включает нужный упрощенный язык программирования для написания сторонних приложений и макросов - Visual Basic for Applications (VBA). Соответственно, выбор языка Microsoft VBA обусловлен наличием одинаковой среды разработки для программного пакета SolidWorks и для программы Microsoft Excel, куда будут передаваться полученные данные моделирования.

1.8.2 Описание работы конвертора

Поэтапная система конвертации данных с помощью программного модуля:

Этап 1

Созданная в программном пакете SolidWorks 3D-модель изделия остекления подвижного состава в виде сборки проходит анализ на механические воздействия в SolidWorks Simulation.

Этап 2

Выполняется конвертирование результатов механического воздействия на 3D-модель из рабочей среды SolidWorks в программу Microsoft Excel.

Этап 3

Создается файл-таблица Microsoft Excel, автоматически запускается программа, выводится информация о названии деталей и полученных нагрузках.

Этап 4

Данные, сконвертированные в файл-таблицу, используются в программном комплексе АСОНИКА-К для дальнейших расчетов надежности изделия остекления подвижного состава.

1.9 Тесты работы созданного программного модуля и оценка его эффективности

Любая написанная программа, вне зависимости от качества выдаваемых результатов, должна проходить обязательную стадию тестирования и отладки.

Тестирование программы является неотъемлемой частью реализации готового продукта. Только с помощью тестов можно определить некорректную работу модуля, той или иной функции, представленной в программе, упростить или усовершенствовать определенный процесс работы всей программы или её части. Устраняя имеющиеся ошибки, повышается качество, надежность и ценность программы. Ведь в современном мире тратятся огромные средства на программное обеспечение, каждый пользователь хочет получить готовый продукт - без сбоев, ошибок, «тормозов» и прочих непредвиденных ситуаций. Поэтому тестирование подразумевает повышение надежности программы на этапе разработки. Однако после успешных тестов нельзя гарантировать полную работоспособность программы, так как невозможно учесть всех факторов, а именно - как будет работать программа на различных конфигурациях ПК, операционных системах и при наличии стороннего программного обеспечения системы у конечного пользователя.

Качество реализуемого программного обеспечения можно охарактеризовать как совокупность следующих составляющих:

· Функциональность;

· Эффективность;

· Надежность;

· Мобильность;

· Поддерживаемость;

· Практичность.

Существует единый стандарт тестирования ISO 9126, разработанный Международной организацией по стандартизации ПО. Состав и содержание документации, учитывающийся при процессе тестирования, определяется стандартом IEEE 829-1998.

Основные виды тестирования выделяют следующие:

По объекту тестирования:

· Функциональное тестирование;

· Тестирование производительности;

· Тестирование стабильности;

· Тестирование совместимости;

· Тест на нагрузку.

По степени автоматизированности:

· Ручное тестирование;

· Автоматизированное тестирование;

· Полуавтоматизированное тестирование.

По степени изолированности:

· Модульное тестирование;

· Интеграционное тестирование;

· Системное тестирование.

Тестирование программного модуля будет производиться в рабочей среде SolidWorks, так как создаваемый модуль является программируемым «макросом» для этого программного пакета.

Для исправной работы программного модуля необходимы следующие входные данные:

1) Созданная 3D-модель изделия остекления подвижного состава;

2) Проведенные исследования механического моделирования на 3D-модель изделия остекления подвижного состава в виде статического анализа в дополнительном расчетном модуле SolidWorks Simulation.

На выходе программный модуль должен выполнять:

1) Открытие программы Microsoft Excel

2) Создание файла-таблицы

3) Перенос данных о названии деталей

4) Получение данных о нагрузках и сортировка их списком в порядке убывания

5) Вывод всех данных на экран

Оценку эффективности программного конвертора можно будет дать после прохождения тестов. Успешное прохождение тестов будет считаться выполненным, когда программный модуль выполнит конвертацию результатов и выведет в файл-таблицу Microsoft Excel данные о названии каждой детали сборки и полученных нагрузках при исследовании на механическое моделирование.

1.10 Конвертирование результатов в программный комплекс АСОНИКА-К

1.10.1 Расчет показателей надежности ИОВЭ

Расчет показателей безотказности в рамках выполнения обязательных мероприятий на проведение первичной обязательной сертификации проведен с помощью ПК АСОНИКА-К [11] на основании информации о количестве составных частей ИОВЭ.

Использование ПК АСОНИКА-К позволяет достигнуть требуемого уровня надежности за счет визуального представления результатов, что облегчает анализ полученных данных, повышая обоснованность и эффективность мероприятий [11].

1.10.2 Описание структурной схемы надежности ИОВЭ

Критерием отказа изделия остекления является отказ любого его элемента (см. таблицу 1). Структурная схема надежности (ССН) ИОВЭ, соответствующая этому критерию отказа, представляет собой «последовательное соединение» 8 составных частей и приведена на рисунке 5.

Рис.5. Схема расчета надежности ИОВЭ

Обозначения составных на рисунке 5 совпадают с обозначениями компонентов, приведенными в Приложении 1.

Кроме того, составная часть 5 и составная часть 6 состоят из 4 и 2 элементов. Соответственно, ССН составной части 6 представляет собой «последовательное соединение» элементов - это термопара (2 шт.) и провод ПВ-1 сечения 1 кв.мм. 4-х жильный общей длиной 200 мм. Отказ любого из этих элементов приведет к отказу составной части 6 и всего ИОВЭ в целом.

1.10.3 Расчет показателей безотказности

Расчет эксплуатационной интенсивности отказов ИОВЭ проводился на основании режимов эксплуатации, геометрических и физических параметров элементов, предоставленных заказчиком [12].

При расчете интенсивностей отказов (ИО) составных частей ИОВЭ учтен полный набор элементов, комплектующих изделие.

Расчет интенсивностей отказов ЭРИ выполнен на основе данных, приведенных в [8,9,10], содержащихся в базе данных программного комплекса АСОНИКА-К [11].

В соответствии с [12] при расчетах интенсивностей отказов элементов температура окружающей среды принята равной +60 [^оС] (повышенный уровень температуры, рассматривается возможный наихудший случай).

Таким образом, конечный результат расчета среднего времени наработки до отказа будет представлять собой нижнюю оценку.

Расчет интенсивностей отказов элементов проведен с учетом того, что в ИОВЭ применяются элементы прошедшие входной контроль в соответствии с принятой нормативной документации.

Поправочный коэффициент К_а при расчетах ИО элементов учитывается в следующем виде:

,

где: л_{экспл.,i} - эксплуатационная интенсивность отказов, 1/ч; К_а - коэффициент качества разработки и изготовления ИОВЭ.

Разработка и изготовление ИОВЭ осуществлялись в соответствии с положением по обеспечению требуемого качества, что учтено в расчете суммарной ИО. При этом коэффициент К_а принят равным 1 [9].

Протокол работы ПК АСОНИКА-К, содержащий результаты расчета ИОВЭ, составных частей и элементов приведен в Приложении 1.

На рисунке 6 показано окно ПК АСОНИКА-К с результатами расчетов ИОВЭ.

Рис. 6. ПК АСОНИКА-К: результаты расчетов ИОВЭ

Как видно из рисунка 6, полученное в результате расчета значение средней наработки до отказа составляет не менее 84,4 тыс. ч.

Полученное значение показателя безотказности полученным расчетным путем по методике, приведенной в [25] и не противоречащий требованиям ГОСТ 27.301 [14].

1.10.4 Расчет показателей долговечности

Расчет показателей долговечности проведен в рамках выполнения обязательных мероприятий для подтверждения требований, приведенных в ТУ [12] на основании информации о номенклатуре и количестве элементов ИОВЭ.

При анализе надежности необходимо различать «ранние» отказы ИОВЭ, когда проявляется влияние дефектов, не обнаруженных в процессе изготовления, испытаний и приемного контроля, и «поздние» отказы, когда вследствие естественных процессов старения, изнашивания и т.п. состояние изделия приближается к предельному, которое определяется деградацией (уходом) определяющих параметров за допустимые пределы [7,8].

«Ранние» отказы происходят в процессе эксплуатации изделия в течение всего срока эксплуатации и представляют собой внезапные и постепенные отказы с постоянной во времени интенсивностью отказов. Они учитываются при оценке характеристики безотказности изделия - его средней наработки до отказа на основе данных по интенсивности отказов, указанных в справочниках по надежности ЭРИ [26, 27].

«Поздние» отказы происходят на заключительной стадии эксплуатации изделия и представляют собой деградационные (ресурсные) отказы с интенсивностью отказов возрастающей с течением времени. Они учитываются при оценке характеристик долговечности изделия - его ресурса, срока службы. Вероятность не наступления деградационных (ресурсных) отказов, которую необходимо учитывать в общей вероятности отказов изделия, должна быть очень близкой к единице, т.к. деградационные (ресурсные) отказы основного изделия, вызывающие наступление предельного состояния, являются критическими и недопустимыми для обеспечения заданного срока эксплуатации в целом.

Толерантным значением (в процентах) для вероятности наступления деградационных (ресурсных) отказов на основании документа [6] является значение г=99,0 %, при котором определяются значения минимальной наработки элемента [13].

Для подтверждения ресурса ИОВЭ необходимо провести анализ достаточности минимальных (гарантированных) наработок или гамма-процентных ресурсов элементов (при г = 99,0%), комплектующих изделие: минимальная наработка или гамма-процентный ресурс элементов с наименьшим значением должен быть не меньше общего срока службы рассматриваемого изделия, заданного в ТУ [12].

Приравнивая вероятность безотказной работы элементов к вероятности ненаступления деградационных отказов для элемента можно получить нижнюю границу оценки для гамма-процентного ресурса элемента Т_р.г как квантиль экспоненциального распределения из уравнения [13]:

,

где: - экспоненциальная функция для вероятности безотказной работы элемента; - эксплуатационная интенсивность отказов для i-го элемента СЧ, определяемая по справочникам [27, 26, 25-23] или предоставляемая фирмой-поставщиком.

Согласно приведённому уравнению Т_р.г равно:

или для г = 99,0%:

.

Расчет срока службы составных частей проводился на основе соотношения, приведенного в [13]:

,

где: ч_г - квантиль нормального распределения для вероятности г = 0,99; - коэффициент использования составных частей (принимаем равным 0,5); - коэффициент нагрузки по критическому параметру составных частей (принимаем равным 0,5).

Наименьшее из всех вычисленных значений должно быть не меньше общего ресурса рассматриваемого ИОВЭ, т.е.:

В этом случае обеспечивается срок службы ИОВЭ, заданный в ТУ [12], при г = 99,0%.

Результаты расчетов гамма-процентного ресурса (минимальной наработки) и срок службы элементов ИОВЭ приведены в таблице 2.

Таблица 2. Значения гамма-процентного ресурса и срока службы элементов

№ п/п	Наименование	Кол-во	Значение Tp.гi, тыс. ч.	Значение , лет
1	2	3	4	5
1	ЧС7-1074.01.000.010 Стекло внутреннее	1	207919,6	23,73511
2	ЧС7-1074.01.000.020 Стекло среднее	1	207919,6	23,73511
3	ЧС7-1074.01.000.030 Стекло наружное	1	207919,6	23,73511
4	2М62-1031.01.00.040 Бобышка	1	210691,8	24,05158
5	Винт В.М3х10.58.016 ГОСТ 17473-80	4	1123690	128,2751
6	Датчик температуры	2	412223,1	47,05744
7	Разъем 2РМ22БПН4Ш3В1 ГЕО.364.126 ТУ	1	245283	28,00034
8	Профиль резиновый	3,5 м.	359133,8	40,99701

Таким образом, получаем ресурс и срок службы ИОВЭ равным:

T_{Р ИОВЭ} ? 207,919 тыс. ч.

? 23,73 года.

Сопоставляя расчетные значения показателей долговечности с показателями из ТУ [12], что ИОВЭ требованию по показателям долговечности удовлетворяет.

1.10.5 Анализ результатов надежности изделия

Анализ результатов расчетов показателей надежности изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста на основании данных, приведенных в пунктах 1.10.3-1.10.4.

Анализ влияния характеристик надёжности конкретных составных частей на эксплуатационную интенсивность отказов изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста проводилась непосредственно в ходе проведения расчёта.

На рисунке 7 показан вклад каждой составной части в суммарную интенсивность отказов изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста.

Рис. 7. Вклады составных частей в суммарную интенсивность отказов

Как видно на рисунке 7, наиболее ненадежным элементами являются:

- стекло среднее;

- стекло наружное;

- стекло внутренне;

- бобышка.

Проведенный расчет надежности изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста показал, что:

- средняя наработка до отказа составляет не менее 84,4 тыс. часов;

- средний ресурс составляет не менее 208 тыс. часов;

- срок службы составляет не мене 23,5 лет.

Полученные в результате расчета значения показателей безотказности и долговечности имеют высокий уровень, что говорит о выполнении требований указанных в техническом условии на изделие остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста. При анализе надежности изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста были выявлены уязвимые составные части, в перспективе требующие детального рассмотрения и проведения мероприятий по повышению (обеспечению) надежности, а именно:

1. Наиболее ненадежным элементами являются: стекло среднее; стекло наружное; стекло внутренне; бобышка.

Для повышения их надежности можно рекомендовать следующие меры:

- проведение дополнительного входного контроля применяемых стекол в соответствии с принятой нормативной документацией, на предмет выявление пороков в соответствии с техническом условием;

- использование составных частей с более высоким уровнем качества за счёт проведения комплекса дополнительных мероприятий (испытаний и контроля), например, по руководящим материалом, которые включают в себя:

· предварительную термотренировку;

· испытания при предельных механических и экстремальных температурных режимах;

· контроль герметичности;

· контроль внешнего вида и др.

Повышению надежности изделия остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста будет содействовать его упрощение, облегчение климатических и механических воздействий, временных и иных условий функционирования изделия.

1.11 Подведение итогов, оценка возможных доработок и улучшений модуля конвертирования для ИОВЭ

В специальной части данной дипломной работы был подробно разобран принцип разработки 3D-модели изделия остекления кабины машиниста подвижного состава в программном пакете SolidWorks, проанализирована возможность проведения механического моделирования на данное изделие с помощью дополнительного пакета SolidWorks Simulation. Также приведена подробная информация по методам разработки, тестирования и отладки программного конвертора для определения критических элементов изделия на базе языка программирования Microsoft Visual Basic.

В настоящее время программный конвертор обладает не очень большим функционалом, но основную функцию конвертации данных из среды SolidWorks в программные комплексы Microsoft Excel и далее в АСОНИКА-К он выполняет.

2. Конструкторско-технологическая часть

2.1 Технология создания 3D-модели ИОВЭ в программном комплексе SolidWorks

Основой для создания 3D-модели в программном пакете SolidWorks послужило изделие остекления высокопрочного электрообогреваемого кабины машиниста подвижного состава.

После детального анализа имеющихся чертежей изделия, порядок построения модели был выбран следующий:

1. Остекление;

2. 1.1. Стекло внутреннее;

3. 1.2. Стекло среднее;

4. 1.3. Стекло наружное;

5. Полимерная фотоотверждаемая композиция для среднего стекла по обеим сторонам;

Стекло внутреннее, среднее, наружное и фотоотверждаемая композиция с обеих сторон дополнительно были созданы как одна модель.

6. Бобышка;

7. 3.1. Корпус бобышки;

8. 3.2 Крышка бобышки;

9. 3.3. Втулка бобышки;

10. Винт В.М3х10.58.016 ГОСТ 17473-80;

Винт был создан одной моделью с учетом дальнейшего применения функции «Местный круговой массив».

11. Датчики температуры;

12. Профиль резиновый.

2.1.1 Создание деталей «Остекления»

Для создания остекления в режиме «Создания эскиза» изначально была задана исходная точка в левом нижнем углу, от которой производилось построение всей модели внешнего остекления. Задавались размеры стекла, наклон относительно вертикали, радиус скругления ( рисунок 8 ). Далее, для придания объема, с помощью инструмента «Бобышка» стекло было “вытянуто” до необходимых размеров в высоту. После построения модели, к ней был применен материал «стекло» для придания ей реалистичности ( рисунок 9 ).

Рис. 8 Модель «Остекление внешнее», вид спереди.



Рис. 9 Модель «Внешнее остекление» с применением материала «Стекло», вид спереди.

Методика построения среднего и внутреннего остекления аналогична построению внешнего остекления, однако стоит заметить, что внутреннее стекло в высоту меньше на 30 мм с каждой стороны. Соответственно, при проектировании резинового профиля и слоя фотоотверждаемой поверхности необходимо учесть данные отличия. Остекление состоит из трёх слоёв стекла и двух слоёв фотоотверждаемой композиции, которая является связующим материалом и образует так называемый «триплекс».

Фотоотверждаемая композиция, представленная на рисунке 10, также была построена в двух экземплярах по аналогичным размерам изделий остекления.



Рис. 10 Модель «Фотоотверждаемая композиция», вид спереди.

Дополнительно была создана сборка (рисунок 11) из трех деталей остекления и двух слоёв фотоотверждаемой композиции.

Рис. 11 Сборка остекления, изометрия.

2.1.2 Создание детали «Бобышка»

Деталь «Бобышка» была разделена на три составляющие части: корпус, крышка и втулка.

По имеющимся чертежам, была построена 3D-модель корпуса бобышки ( рисунок 12 и 13 ). При создании данной модели использовались элементы «Повернутая бобышка». Для скругления углов бобышки применялся инструмент «Фаска». Отверстия крепления для винтов делались с помощью инструментов «Вытягивание» и «Вырез» с применением функции «Круговой массив».

Рис. 12 Модель «Крышка бобышки», вид спереди.

Рис. 13 Модель «Крышка бобышки», вид сверху.

Далее была создана 3D-модель корпуса бобышки, конечная модель представлена на рисунках 14 и 15. Методика создания почти не отличается от вышеописанных моделей, здесь использованы уже привычные инструменты «Повернутая бобышка» и функции «Круговой массив», «Вытягивание», «Фаска».

Рис. 14 Модель «Корпус бобышки», вид сбоку.

Последним элементом бобышки была создана втулка бобышки (рисунок 16), являющаяся сопрягаемой деталью.



Рис. 16 Модель «Втулка бобышки», вид сбоку

2.1.3 Создание детали «Винт В.М3х10.58.016 ГОСТ 17473-80»

При создании 3D-модели Винта В.М3х10.58.016 были использованы информационные материалы и чертеж из ГОСТ 17473-80[15] (рисунок 17).



Рис. 18 Построение резьбы болта с помощью функции «Спираль/ Плоская спираль»

Для моделирования резьбы винта была создана цилиндрическая форма, затем создан эскиз окружности с нужным диаметром. Через меню «Вставка», раздел «Кривые линии» к полученной была применена функция «Спираль/Плоская спираль». Результат построения можно посмотреть ниже на рисунке 18.

Окончательная 3D-модель Винта В.М3х10.58.016 показана на рисунке 19.

Стоит отметить, что три компонента детали «Бобышка» и модель детали «Винт» объединяются в сборку под названием «Сборка Бобышки». Данная сборка будет включена в окончательную сборку проектируемого изделия. Рабочая среда SolidWorks позволяет проектировать многоуровневые деревья сборок, что существенно сокращает время создания готовой модели.

2.1.4 Создание деталей «Датчик температуры»

Датчик температуры представляет собой две тонкие металлические пластины, которые должны контролировать заданную температуру остекления для исключения обледенения и для исключения запотевания стекла внутри кабины.

Особой сложности при создании 3D-модели датчика температуры не возникало, однако была необходимость создать две отдельные 3D-модели, так как датчик, который находится ближе к внешней закругленной поверхности изделия остекления, должен иметь такую же закруглённую нижнюю грань. Данное условие можно проследить на предоставленном чертеже изделия. Готовые модели датчика температуры №1 и датчика температуры №2 представлены на рисунках 20 и 21.

Рис. 21 Модель «Датчик температуры №1», вид спереди.

2.1.5 Создание детали «Профиль резиновый»

Завершающим этапом стало построение 3D-модели резинового профиля, который является основной конструкцией, которая удерживает все компоненты и детали вместе. При проектировании детали было учтено, что внутреннее стекло по высоте отличается от внешнего и среднего стекла на 30 мм с каждой стороны. Эскиз резинового профиля в разрезе показан на рисунке 22, а готовая модель на рисунке 23.

Рис. 23 Готовая модель детали «Профиль резиновый», изометрия.

...