Разработка электронных 3 D -моделей тепловых устройств

Электронные модели в ЕСКД

Современные технологии проектирования основаны на использовании электронных 3D-моделей технических объектов. Работая с электронными моделями, можно проводить расчетные исследования и оптимизацию конструкций, разрабатывать режимы технологических процессов, создавать программы для обработки на станках с числовым программным управлением, решать задачи логистики и т. д.

Для удобства использования в практике проектирования далее будем отдельно рассматривать электронные модели изделий и имитационные электронные модели, заменяющие реальные объекты при проведении расчетных исследований. На рис. 3.18 показан пример электронной модели изделия [5], то есть модели конкретной детали, по которой в соответствующей CAM-программе могут создаваться траектории движения инструментов в станках ЧПУ, задаваться параметры режимов резания и др. Очевидно, что рисунок показывает не саму модель, а пример ее визуализации. Имитационные электронные модели объектов предназначены для испытания и изучения вариантов поведения

объекта путем варьирования параметров и отражают представления о геометрии объектов, на которых строится их математическая расчетная модель.

Рис. 3.18. Пример электронной 3D-модели детали

Особенности электронного конструкторского документооборота, ориентированного на производство реальных изделий, отражены в ряде ГОСТов Единой системы конструкторской документации (ЕСКД):

- ГОСТ 2.051-2006 «ЕСКД. Электронные документы. Общие положения».

- ГОСТ 2.052-2006 «ЕСКД. Электронная модель изделия. Общие положения».

- ГОСТ 2.053-2006 «ЕСКД. Электронная структура изделия. Общие положения».

- ГОСТ 2.511-2011 «ЕСКД. Правила передачи электронных конструкторских документов. Общие положения».

- ГОСТ 2.512-2011 «ЕСКД. Правила выполнения пакета данных для передачи электронных конструкторских документов. Общие положения».

- ГОСТ 2.611-2011 «ЕСКД. Электронный каталог изделий. Общие положения».

- ГОСТ 2.612-2011 ЕСКД «Электронный формуляр. Общие положения».

В частности, ГОСТ 2.051-2006 «ЕСКД. Электронные документы. Общие положения» устанавливает понятие электронного конструкторского документа (ДЭ), определяемого как конструкторский документ, выполненный в электронной форме и представляющий собой структурированный набор данных. Помимо других реквизитов, набор данных включает еще и электронную цифровую подпись. Установлено понятие твердой копии, то есть копии, полученной на устройствах вывода ЭВМ на бумажном или ином аналогичном носителе, определен ряд терминов: электронный документ, статус версии документа, электронный носитель и др.

В ГОСТ 2.052-2006 «ЕСКД. Электронная модель изделия. Общие положения» установлено понятие электронной геометрической модели, которая представляет собой описание формы, размеров и иных свойств изделия. Электронная модель изделия определяется как набор данных, которые вместе определяют геометрию изделия и иные свойства, необходимые для изготовления, контроля, приемки, эксплуатации, ремонта и утилизации изделия.

В стандарте определен ряд терминов: геометрический элемент, модельное пространство, виды моделей (твердотельная, поверхностная, каркасная), файл модели, атрибут модели и др. Кроме того, ГОСТ 2.052-2006 устанавливает правила визуализации моделей на электронных устройствах. Некоторые правила относятся к электронным моделям сборочной единицы (ЭМСЕ), а ряд правил являются общими и для ЭМСЕ и для электронных моделей отдельных деталей (ЭМД).

3.5.2. Электронные «чертежи» в ЕСКД

Из сказанного выше следует, что в настоящее время происходит переход от традиционной формы конструкторской документации (КД) к электронной форме. Пока установлено равноправие старой и новой формы, в будущем, вероятно, ожидается уход от старой формы КД.

Из ГОСТ 2.052-2006 следует, что по электронным моделям деталей для использования в проектных, производственных и иных операциях делают «визуальные отображения конструкций изделия». Для визуализаций отдельный термин не предусмотрен, и это может создавать неудобства, так как электронными моделями приходится называть и наборы данных, с которыми работают компьютеры, и визуализации, с которыми работает производственный персонал.

Терминологию «уточняет» ГОСТ 2.102-68, по которому к основным конструкторским документам отнесены: электронная модель детали – документ, содержащий геометрическую модель детали и требования к ее изготовлению и контролю (включая предельные отклонения размеров, шероховатости поверхностей и т. д.); чертеж детали – документ, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для изготовления и контроля. ГОСТ устанавливает коды документа, которые указываются в конце обозначения документов: ЭСБ – электронная модель сборочной единицы; ВДЭ – ведомость электронных документов и др. (см. раздел2.3).

На близость понятий визуального отображения моделей и чертежа указывает словарь Ожегова[6], по которому чертеж – это изображение чего-либо чертами, линиями на плоскости. Поэтому, возможно, визуализации-отображения можно считать еще и «электронными чертежами», которые выполняются в электронном или бумажном виде.

Рис. 3.19. Пример визуализации электронной модели изделия

Содержание «электронного чертежа детали» (визуализации электронной модели) определяется теми целями, для которых он выпущен. Объект в нем представляется 3D-моделью, которая на «чертеже» может иметь любую ориентацию в пространстве, в частности, положение модели может соответствовать основным видам традиционного чертежа (спереди, слева и т. д.). «Электронный чертеж» изделия может выпускаться без формата, без основной надписи, без осевых линий и без штриховки в сечениях. Но на чертеже должны размещаться оси координат модели, а модель должна иметь каркасное, поверхностное или твердотельное отображение формы.

Плоскости чертежа, в которых ставятся обозначения, должны быть параллельны основным плоскостям проекций модели и должны соответствовать поверхностям модели. Простановка обозначений, знаков, материалов выполняется в соответствии с ЕСКД. Пример электронной модели изделия, взятый из учебных материалов фирмы «АСКОН», показан на рис. 3.19. Для сравнения на рис. 3.20 показан пример электронной модели листовой детали, выполненный в САПР Solid Edge в одной из западных систем конструкторской документации.

ГОСТ 2.052-2006 устанавливает правила выполнения электронных моделей сборочной единицы (ЭМСЕ), которые должны содержать номера позиций составных частей. Номера позиций должны быть указаны в

Рис. 3.20. Пример «иностранной» электронной модели

спецификации или электронной структуре сборки. ЭМСЕ должна содержать установочные, присоединительные и иные необходимые справочные размеры, необходимо указывать наличие неразъемных соединений (сварка, пайка и др.). В обязательном порядке габаритные размеры сборки не ставятся. При необходимости можно указывать техническую характеристику сборочной единицы и положение соседних деталей (обстановку). Процесс построения ЭМСЕ показан на примере из учебных материалов фирмы «АСКОН» (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Визуализация электронной модели сборочной единицы в процессе разработки

В РФ нет значительного опыта работы с электронными моделями, поэтому на рис. 3.22 для сравнения показаны зарубежные аналоги ЭМСЕ (примеры взяты из рекламных публикаций в открытом доступе в Интернете). К сожалению, материалы не дают представления о способах построения и визуализации электронных моделей для изделий сложной формы, имеющих сложную конфигурацию внутренних полостей.

Рис. 3.22. Примеры «иностранных» электронных моделей сборочных единиц: а – сборка с номерами позиций деталей и спецификацией; б – пример работы с каталогом электронных моделей единиц сборки в САПР Solid Edge

Далее процесс разработки электронных 3D-моделей тепловых устройств рассматривается на примере имитационной модели технического объекта и на примере модели изделия.

3.5.3. Электронная имитационная модель огневой камеры
для контрольного испытания газовой горелки ДВБ-250

В примере считается, что на некотором объекте проводятся предпроектные исследования технологического агрегата. В ходе работы появилась необходимость провести контрольные испытания газовой горелки ДВБ-250 при ее использовании для отопления агрегата. Технологический агрегат состоит из цилиндрической огневой камеры, футерованной огнеупорным кирпичом, и горелки (рис. 3.23). Торцовые стенки камеры имеют отверстия для установки горелки – с одной стороны, и для отвода продуктов горения – с другой стороны.

Рис. 3.23. Схематическое изображение теплового устройства, полученное на основе его электронной модели

Часто экспериментальные исследования характеристик и работы горелок на конкретных технологических агрегатах затруднены отсутствием соответствующих стендов. Поэтому в рассматриваемом примере влияние конструкции агрегата на работу горелки предполагается учесть посредством вычислительных экспериментов. Для агрегата должна быть разработана электронная имитационная модель, на которой будут изучены процессы тепло- и массообмена в камере и определены характеристики горелки.

В расчете наиболее важны процессы внешнего теплообмена в газовом объеме камеры, поэтому границы модели камеры совпадают с границами ее внутреннего объема, по которому движутся газ, воздух и продукты горения. Иначе говоря, модель на рис. 3.23 – это изображение поверхностей, ограничивающих газовые объемы внутри камеры и внутри горелки. Влияние конструкции кладки камеры и стенок на процессы горения и переноса учитывается заданием условий на границах газового объема.

Рис. 3.24. Использование реальной геометрии горелки ДВБ-250 (а) для определения параметров ее электронной геометрической модели (б)

При построении модели наиболее подробно геометрия описывается у элементов, формирующих движение газов в камере (в районе сужений, сопел, преград). На рис. 3.24, а показана схема реальной горелки. В модели геометрия горелки может быть менее детальной, в ней нет стенок, имеются только полости. На рис. 3.24, б показана геометрия горелки, принятая для разработки ее электронной геометрической модели в соответствии с планируемыми целями расчетного исследования.