В презентации приведены примеры использования программного комплекса Универсальный Механизм для расчета PBS анализа.
Модуль UM Flexible Railway Track является дополнением к модулю UM Loco (модуль моделирования динамики рельсовых экипажей) и позволяет исследовать взаимодействие подвижного состава с путевой структурой при описании последней детальными пространственными моделями. Для моделирования контакта «колесо-рельс» используется специальная модель контактных сил, основанная на виртуальном взаимопроникновении профилей колеса и рельса. Для описания основания пути (мост, эстакада, туннель и т.п) могут быть использованы конечноэлементные модели, импортированные из МКЭ пакетов (ANSYS, MSC.NASTRAN).
Представлена методика компьютерного моделирования взаимодействия железнодорожного моста и поезда.
Для произвольной механической системы вводится формальное символическое описание.
В презентации описывается безитерационная модель расчёта нормальной силы в контакте колесо-рельс, основанная на условии непроникновения начальной точки контакта. Представленные алгоритмы реализованы в программном комплексе моделирования динамики систем тел «Универсальны механизм».
В презентации рассмотрены алгоритмы совместного компьютерного моделирования процессов износа и накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах железнодорожного подвижного состава, реализованные в программном комплексе «Универсальный механизм».
Описывается подход к моделированию динамики упругого железнодорожного пути. Подход предполагает моделирование рельсов балкой Тимошенко, а шпал - твердыми телами или балками Эйлера-Бернулли.
Разработана безынерционная модель гусеницы, которая позволяет моделировать динамику гусеничных машин в реальном времени. Модель разработана с учетом возможного движения гусеничной машины по сильно негладкой поверхности, например, индустриальный или городской пейзаж.
О программе UM Lite
Universal Mechanism Lite - отдельный продукт Лаборатории вычислительной механики. Представляет собой упрощенный вариант основной программы и рассчитан на широкий круг пользователей: студентов, аспирантов и преподавателей ВУЗов, инженеров-конструкторов, а также просто любителей механики. Подробнее о линейке программ Лаборатории см. .
Программа предназначена для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических систем. Схема работы программы такова. Сначала исследователь описывает механическую систему как систему тел, соединенных шарнирами и силовыми элементами. Далее программа автоматически строит уравнения движения системы и численно их решает либо во временной либо в частотной области.
В процессе численного решения поддерживается непосредственная анимация движения модели. В процессе расчета для анализа доступны практически все необходимые величины: координаты, скорости, ускорения, силы реакций в шарнирах, усилия в пружинах и т.д.
Поддерживается импорт данных из следующих CAD-программ: КОМПАС-3D, SolidWorks и Autodesk Inventor. Таким образом UM Lite можно рассматривать как недорогое приложение для анализа кинематики и динамики систем, спроектированных в упомянутых выше CAD-программах. Подробнее об импорте данных из внешних программ см. .
Программа UM Lite предоставляет пользователю набор инструментов для создания динамического объекта - системы тел - и последующего анализа его динамических, кинематических и статических свойств.
В настоящее время разработано большое число программных продуктов, предоставляющие пользователю широкие возможности в данной области. Понимая важность и сложность проблем, связанных с моделированием динамики систем тел, создатели UM Lite преследовали следующие цели.
- Упростить процесс создания динамических моделей и их численного анализа, сделав доступным моделирование динамики систем тел широкому кругу инженеров-исследователей и конструкторов.
Максимально снизить стоимость разработки, что позволит превратить ее в массовый программный продукт.
Подготовить массового пользователя к использованию более сложных и функционально полных программ, в том числе программы UM.
Детальное сравнение функциональности UM и UM Lite рассмотрено
Программа имеет интерфейс и руководство пользователя на русском и английском языках.
* Персональная и ВУЗовская лицензии предназначены для только некоммерческого использования и предусматривают использование программы в научных и образовательных целях. Эти лицензии запрещают использование программы в целях получения прибыли.
Сергей Афонин, Наталья Григорьева, Александр Иноземцев, Дмитрий Троицкий
Если верить журналу CADalyst, 74% пользователей САПР работают с AutoCAD различных версий. Поэтому вопрос о назначении и, главное, о промышленном применении «автокадовского» трехмерного моделирования касается очень и очень многих. А вопрос этот, честно говоря, весьма неоднозначный.
Общение с заинтересованными лицами - конструкторами и разработчиками САПР - позволило выявить две большие группы претензий, предъявляемых к 3D-моделированию AutoCAD в его исходном, без дополнительных модулей, варианте (версии 14 и 2000).
Конструктор, работающий на обычном машиностроительном заводе: «А зачем мне все это нужно? Создание 3D-модели гораздо более хлопотно, чем вычерчивание ее проекций, и у меня просто нет на это времени. Визуализация? Но я и так прекрасно себе представляю, как выглядит моя конструкция. Расчет объема и массоинерционных характеристик? Для серьезных приложений он не годится, а объем подавляющего большинства деталей ни мне, ни технологу знать не нужно».
Разработчик САПР: «3D-моделирование в AutoCAD неполноценное, модели практически невозможно модифицировать, отсутствует ряд важных функций. Или ставьте Mechanical Desktop, или переходите на тяжелые САПР».
Сразу надо заметить, что установка того же Mechanical Desktop не снимает претензий конструктора, так как они относятся к 3D-моделированию вообще. Вот почему на одном из предприятий мы наблюдали следующую картину: MD был с помпой установлен, а ровно через две недели тихо снесен - не понравился по вышеназванным причинам.
Что же получается? Несмотря на все усилия разработчиков, 3D-моделирование, похоже, остается очень специфическим средством для решения действительно сложных задач, а средний конструктор как рисовал в AutoCAD версии 10 проекции, так и рисует их до сих пор, только теперь уже в AutoCAD 2000. Для такого положения дел есть как минимум одна объективная причина. При широком применении оборудования с ЧПУ создание трехмерной модели становится неотъемлемым этапом подготовки производства - ведь по ней разрабатывается управляющая программа. Увы, в условиях российской действительности автоматизированное оборудование, потихоньку стареющее и выходящее из строя, редко применяется в основном производстве, а выпуск новых станков с ЧПУ упал чуть ли не до нуля. Отсутствие полноценной интеграции подготовки производства и самого производственного процесса - главный сдерживающий фактор в массовом переходе от проекционных чертежей к трехмерным моделям изделий.
Итак, зачем же нам в нынешних условиях «автокадовская» трехмерка? Обидно осознавать, что столь мощное средство пока не нашло должного применения в промышленности, тем более что оно встроено в систему и по умолчанию доступно всем пользователям AutoCAD начиная с 12-й версии. Размышления на эту тему привели к формулировке класса конструкторских задач, которые, с одной стороны, постоянно встречаются в общем машиностроении, а с другой - прекрасно решаются 3D-средствами AutoCAD. Речь идет о проектировании механизмов с самоустанавливающимися элементами (МСЭ).
МСЭ присутствуют, пожалуй, в любой мало-мальски сложной машине независимо от ее назначения. В таких механизмах подвижные детали и узлы не имеют собственного привода, а перемещаются под действием сопряженных деталей или упругой силы пружин. Сюда относятся замки, защелки, захваты, фиксаторы - словом, все те наборы подпружиненных железок, которые должны что-то схватить и удержать. Мы видим их каждый день - на двери автомобиля, в замке квартиры, в приводе раздвижных дверей лифта, - не задумываясь о том, чего стоит проектирование каждого такого механизма.
Задача проектирования МСЭ нелюбима конструкторами в первую очередь в силу своей неопределенности. Геометрию деталей можно менять в широких пределах, но как узнать заранее, будет ли конструкция выполнять все задуманные движения и защелкивания? Увы, по сей день наиболее часто применяющийся способ проверки - ручная прорисовка (!) положений деталей с заданным шагом и затем анализ полученных кадров.
Вид конструктора Тульского патронного завода, который в течение недели в масштабе 10:1 отрисовывал 50 кадров, потряс нас до глубины души. Проектировался типичнейший МСЭ - захват автоматической роторной линии по производству спортивно-охотничьих пуль (рис. 1). Захват состоит из двух подпружиненных губок и толкателя, установленного на роторе в подпружиненном гнезде. При его вращении круглая заготовка, находящаяся на другом роторе, нажимает на губку сбоку, отжимает толкатель с губками, проходит мертвую точку, затем, отжимая губку в сторону, заходит внутрь и защелкивается второй губкой. Если заготовку перекосит и захват заклинит, последствия могут быть самыми печальными - усилие на роторе доходит до двух тонн (в цехе мы видели вал ротора в руку толщиной, скрученный в спираль в результате заклинивания).
Поскольку частая смена выпускаемых изделий даже в таком массовом производстве стала насущной необходимостью, мы поставили перед собой задачу автоматизировать проектирование МСЭ при помощи того средства автоматизации, которое есть на каждом предприятии, - AutoCAD 14. Разумеется, первой идеей было блеснуть эрудицией и предложить вырезать шаблоны из картона и обводить их (более продвинутый вариант - перемещать проекции контуров деталей в графическом редакторе AutoCAD). Идея была отвергнута по ряду причин: во-первых, не удавалось добиться нужной точности (захваты промышленного оборудования проектируются с точностью до 0,01 мм), во-вторых, трудоемкость снижается ненамного, в-третьих, реальные детали имеют сложный профиль по толщине, а плоский шаблон часто не позволяет смоделировать их перемещение, и, наконец, никак не автоматизируется ответ на главный вопрос: «заклинит - не заклинит?» Отметим, что вопрос «удержит - не удержит?» в данном случае оказался неактуальным из-за малой массы заготовок - усилия пружин с запасом хватало для их удержания.
Построение математической модели захвата и расчет траектории деталей методами аналитической геометрии и теоретической механики были отвергнуты сразу же: существует слишком много вариантов конструкции захвата с совершенно разной геометрией губок, каждый из которых потребовал бы отдельной модели. Да и сложность такой модели, связанная со сложностью геометрии захвата (рис. 2), даже для плоского случая превышала разумные пределы. Задача оставалась нерешенной, а конструкторы продолжали заниматься поистине сизифовым трудом, чертя кадрики.
Вот тут-то и пригодилась «автокадовская» трехмерка! Возникла следующая идея: по определению в самоустанавливающемся механизме детали принимают то или иное положение в результате соприкосновения с другими деталями. Таким образом, если 3D-модель перемещать, подбирая такое ее положение, в котором она касается сопряженных поверхностей, и делать это с заданным шагом, то можно с любой требуемой точностью промоделировать работу МСЭ. Сразу же решилась и задача «заклинит - не заклинит»: на каждом шаге нужно проверять, по скольким поверхностям базируется заготовка и какова суммарная величина пятна контакта (и губки, и заготовка могут иметь сложный профиль в вертикальной плоскости, поэтому высота пятна контакта вовсе не равна высоте губки). Зная массу заготовки, шероховатость поверхности и коэффициент трения, легко найти минимально необходимую площадь ее соприкосновения с зажимом, гарантирующую отсутствие перекосов. Дополнительным условием можно ввести требование базирования заготовки либо по двум поверхностям достаточной высоты, либо по трем поверхностям, которое также легко проверяется.
Собственно процедура отслеживания касания двух твердотельных моделей основывается на операции их пересечения (команда INTERSECT). Если в результате такой операции образуется новое тело, то выполняется откат, детали перемещаются с некоторым шагом и процесс повторяется. При этом шаг перемещения можно, например, каждый раз делить пополам, что позволяет достигать любой заданной точности позиционирования. Используя язык математики, можно сказать, что решается задача минимизации объема тела, являющегося пересечением двух других тел.
Разумеется, вся процедура выполняется программным путем. Мы использовали AutoLISP, но подойдет и Visual Basic, и ActiveX. Для любопытных приводим текст функции, проверяющей два трехмерных объекта на пересечение:
(DEFUN checkint (e1 e2 / obj ret)
; Проверка пересечения трехмерных объектов e1 и e2
; Возвращаемое значение: T или NIL
(COMMAND “UNDO” “MARK” “INTERSECT” e1 e2 “”)
(SETQ obj (SSGET “X”))
(IF (/= obj NIL)
(SETQ ret (NOT (AND (= (SSMEMB e1 obj) NIL)
(= (SSMEMB e2 obj) NIL))))
(COMMAND “UNDO” “BACK”)
Volodya писал(а):
Пытался скачать триальную версию Matlab/Simulink + SimMechanics, но на сайте разработчиков, после заполнения форм, сообщили, что позволят скачать в случае, если у них самих возникнет желание, тогда они сами свяжутся.
Да. Они, как правило, дают скачивать SimMechanics, если у Вас уже имеется лицензия Матлаба...
Если Вы с мех-мата, то очень вероятно, что там имеются студенческие лицензии Матлаба. Дело в том, что Матлаб, беру смелость это заявить, наиболее распространенный и универсальный на сегодняшний день пакет программ прикладной математики, как в академической среде, так и на производстве (например, на нашем заводе). SimMechanics это, так называемый, тулбокс - расширение ядра по определенной тематике. Кроме механики существуют штук 20 тулбоксов, например, обработка сигналов, статистика, оптимизация и тд. Каждый тулбокс снабжен стандартным графическим интерфейсом, позволяющим создавать модель нужной архитектуры, работая мышью. Именно, нужно перетягивать нужные иконки используемых обьектов в рабочеее поле и определять "входы" и "выходы" обьектов. Каждый из тулбоксов может приобретаться опционально, в зависимости от конкретных потребностей.
Справедливости ради, замечу, что SimMechanics - относительно свежий тулбокс (впервые появился года 3 назад), т.е., скорее всего, не обладает такой стабильностью, как, например, Simulink, существующий уже целую "вечность".
Лично я использую Матлаб в 2-х ситуациях. Во-первых, если нужно проверить новый алгоритм или метод, то Матлаб позволяет без лишней суеты программировать в С стиле. Плюс к этому в пакет встроены оптимизированные векторные операции (BLAS), линейная алгебра (LAPACK) и очень продвинутый интерфейс визуализации 2-3D диаграмм. Во-вторых, когда возникает необходимость использовать в нашей программе разнообразные математические функции, то компиллятор (это своего рода тулбокс Matlab Compiler) позволяет скомпилировать файлы программы Матлаб (m-files) в DLLину. Mathworks разрешает 3-м лицам пользоваться такой DLLиной бесплатно (не нужна дополнительная лицензия).
Если программа Матлаб с тулбоксами нужна не в коммерческих целях, то могу заметить, что этот софт очень распространен среди частных пользователей в России, т.е. его относительно несложно приобрести.
Volodya писал(а):
На сайте разработчиков ITI-SIM + SimulationX 2.0 я не нашёл ссылок для скачивания триальной версии.
Я намеренно дал ссылку, т.к. это более дешевая альтернатива ADAMS. Впрочем, если нужно, как было написано вначале, расчитывать соударения тел сложной формы, то не уверен, что ITI-SIM или Матлаб помогут. Сама по себе 3-D модель удара - это целая отдельная сложная наука.
Volodya писал(а):
Например, задан массив частиц, в виде точек в 3-х мерном пространстве, твёрдого тела. Каждая частица обладает массой, вектором скорости. Верно ли, что вектора скоростей всех частиц одного абсолютно твёрдого тела параллельны?
Нет, т.к. тело может вращаться, мгновеннная ось вращения...
Весьма занимательная программка, позволяющая моделировать всевозможные механические системы и ситуации в двухмерном пространстве, простыми движениями мыши.
Шекспир когда-то сказал: "Весь мир - театр, а люди в нем - актеры". Это если исходить с позиции художественного образа мышления. Если же посмотреть на мир с научной точки зрения, то можно перефразировать великого драматурга: "Весь мир - природа, а люди в ней объекты":). А при чем тут природа? Да при том, что по-гречески "природа" будет "физис", а отсюда и название главной науки обо всем сущем - "физика".
Физические явления окружают нас с самого раннего детства, и у каждого ребенка рано или поздно возникают разнообразные вопросы: "Почему светит солнце? Почему идет дождь? Почему бутерброд всегда падает на пол, а не зависает в воздухе? :)". И по мере взросления ребенок, пытаясь получить ответы на эти вопросы, методом "научного тыка" познает окружающий его мир и законы его существования. Но не всегда такие эксперименты заканчиваются безболезненно.
Именно для того, чтобы можно было безопасно, для ребенка и для окружающего его мира:), смоделировать любой физический процесс, я рекомендовал бы использовать программу Phun .
Доступная на сегодняшний день версия 5.28 - это довольно симпатично оформленная среда для механического моделирования. Несмотря на кажущуюся несерьезность (программа оформлена в виде детского рисунка), Phun - довольно правдоподобно имитирует реальные физические условия (можно моделировать ситуации в условиях антигравитации, в воздушном и безвоздушном пространстве и т. д.).
Но обо всем в свою очередь. Сейчас мы установим и попробуем разобраться с программой. Для этого скачиваем установочный дистрибутив Phun, запускаем инсталлятор и ждем, когда все установится:).
Сразу оговорюсь, если у Вас старый компьютер с довольно слабенькой видеокартой, то Phun в таком случае будет заметно притормаживать. Хотя заявлена поддержка (правда более ранней 4-ой версии) видеокарт с 32 МБ памяти, на моем компьютере со 128 МБ программа иногда подвисала довольно ощутимо. Я думаю, что оптимальный вариант будет около 256 МБ.
Пока мы с Вами говорили, Phun уже установилась и жаждет запуска. Не знаю, баг ли это в программе или косяк с моей системой в частности, но когда я согласился на запуск программы сразу после установки, то она на меня ругнулась и отказалась запускаться. Пришлось запускать ее вручную (стартовала без проблем:)).
Перед нами окно программы с приветственным проектом:
Программа по умолчанию - английская, но в пятой версии появилась и русская локализация. Чтобы русифицировать Phun, заходим в меню "File" и в пункте "Change language" выбираем опцию "Russian". Готово!
Теперь, когда мы имеем дело с русской версией, рассмотрим элементы управления программой.
В самом верху Вы видите немного стилизированную, но привычную по другим приложениям строку меню.
Меню "Файл" позволяет настроить сцену под проект (сохранить, очистить), загрузить или создать новую сцену, сменить язык, переключить вид, проверить обновления, скачать дополнительные сцены или купить полную версию (хотя зачем, если и бесплатной хватает с головой).
Меню "Инструменты", "Управление" и "Контекстное меню" позволяют скрыть или отобразить соответствующие вкладки программы.
Меню "Инструменты":
Здесь собраны все те приспособления, при помощи которых мы будем создавать нужные нам для эксперимента объекты. Вся панель разделена на три зоны: в первой зоне инструменты для перемещения объектов, во второй - для рисования, а в третьей - для вставки механизмов. Рассмотрим их по порядку.
Первую панель открывает инструмент "Перемещение", который позволяет нам перемещать любые объекты в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Инструмент "Рука" также служит для перемещения, однако может выполнять свою функцию в уже запущенном эксперименте.
Инструмент "Вращение" нужен для вращения объектов вокруг их центра тяжести или крепления. Инструмент "Масштаб" позволяет изменять размеры любых объектов. "Нож" - предназначен для разделения любого предмета на части, причем работает он и в режиме подготовки эксперимента и в режиме проигрывания.
В панели рисования первый инструмент - "Полигон". С его помощью Вы сможете нарисовать любую фигуру "от руки" или ровный многоугольник (для этого зажмите и удерживайте клавишу Shift, чтобы нарисовать ровную линию). Инструмент "Кисть" позволяет рисовать любые линии, фигуры и объекты вручную.
"Прямоугольник" помогает нам нарисовать четкий прямоугольник или квадрат (также зажав Shift), а с инструментом "Круг" Вы всегда сможете начертить ровный круг. Далее идут три специализированных инструмента "Шестерня", "Плоскость" и "Цепь". Все они соответственно создают свои объекты.
Третья панель также предназначена для создания специальных объектов со своими физическими характеристиками. Здесь находятся инструменты "Пружина", "Крепление", "Ось" и "След". Назначение первых троих, я думаю, объяснять не надо, а последний служит для отображения инерционного следа от движения какого-либо объекта, к которому прикреплен инструмент (см. пример Cycloid).
Меню "Управление":
Здесь мы видим нечто похожее на пульт управления стандартным плеером. Здесь есть кнопки реверса (отменить/повторить) и "плей" (соответственно, запустить эксперимент).
Далее находится ползунок масштаба и две кнопки навигации. Масштаб в Phun можно изменять тремя способами: передвигая ползунок, зажав левую кнопку мыши на кнопке (+/-) или колесом мыши, когда она находится над полем эксперимента. Кнопка со стрелками служит для перемещения по рабочему полю. Зажмите ее и, удерживая, перемещайте мышь. Хотя, по-моему, удобнее делать то же самое, зажав кнопку мыши в любом месте на рабочем поле.
Две последние кнопки панели управления служат для создания невесомости и безвоздушного пространства. По умолчанию гравитация соответствует настоящему значению в 9,8 м/с 2 , а сила сопротивления воздуха - 1. Но эти значения легко можно изменить в "Настройках" в подменю "Симулятор". Там же можно установить скорость симуляции (по умолчанию - 1).
Перед тем, как приступать к созданию собственных сцен, следует рассмотреть еще одну немаловажную деталь управления - контекстное меню.
В Phun контекстное меню у Вас всегда на виду, и Вы легко можете изменять свойства любого объекта в реальном времени. В самом общем виде контекстное меню отображается для рабочей области. Здесь мы можем настроить вид сцены, добавить один из готовых объектов на выбор и изменить цвет фона.
Для каждого нового объекта функции будут расширяться, дополняясь такими как клонирование, действия, выбор материала, настройка контуров и т. д.
Теперь мы готовы к работе с Phun, и для начала предлагаю провести небольшой эксперимент, чтобы проверить срабатывает ли в программе закон всемирного тяготения.
Для этого в меню "Файл" выберем "Новая сцена" и нарисуем горизонтальную плоскость (0°). Теперь на одинаковой высоте подвесим два тела побольше и поменьше (для интереса маленький шарик я сделал из метала, а большой из стекла).
Все готово для эксперимента, осталось только нажать "Пуск!". Как видим, оба тела с одинаковой скоростью полетели вниз. Единственным минусом оказалось то, что стеклянный шар не разбился:((ненатурально получилось). В остальном же тела повели себя так, как и должны были бы настоящие их аналоги.
Усложним эксперимент, добавив вместо твердой поверхности, на которую приземляются тела, воду.
Поставим два столба (прямоугольника) и жестко их закрепим. Это будет емкость для нашей воды. Теперь "нальем" в нее саму воду. Чтобы создать воду, достаточно нарисовать между столбами большой предмет, а затем в его контекстном меню выбрать в "Действиях" пункт "Превратить в воду".
Готово! Можно запускать эксперимент.
Обзор программы был бы неполным, если бы я не упомянул, что для Phun существует множество готовых сцен. Несколько из них доступно, если нажать в меню "Файл" кнопку "Открыть сцену". Если же Вам и этого мало, Вы всегда можете скачать из Интернета тысячи других. Достаточно в том же меню "Файл" выбрать пункт "Скачать еще сцены".
Желаю Вам творческих успехов и всегда удачных экспериментов:)!
И традиционно, флеш-игра, также основанная на некоторой доле физики. Здесь мы управляем магнитным погрузчиком, основная задача которого - погрузить в машину все ящики. Но чем дальше, тем сложнее это сделать.
P.S. Разрешается свободно копировать и цитировать данную статью при условии указания открытой активной ссылки на источник и сохранения авторства Руслана Тертышного.
P.P.S. Если Вам понравилась эта программа, то советую обратить внимание на еще одну не менее интересную. Программа Начала Электроники позволит Вам моделировать реальные процессы в разнообразных электрических схемах, которые Вы же и создаете!
