Проектування зварних конструкцій в SolidWorks
Введення
За минулі кілька десятиліть зварювання стала одним із основних видів нероз'ємних з'єднань, використовуваних в більшості галузей вітчизняної промисловості. Різноманіття способів зварювання, великий практичний досвід її застосування, високі експлуатаційні характеристики зварних швів — все це аргументи на користь вибору цього виду з'єднання при проектуванні нових виробів.
Сучасні тенденції розвитку зварювання в машинобудуванні і будівництві пред'являють нові, підвищені вимоги не тільки до зварювальним матеріалам і технологіям, але і до методології проектування та якості опрацювання елементів зварних конструкцій. Тому сьогодні неможливо обійтися без сучасних технологій автоматизованого проектування використання САПР дозволяє ще на етапі робочого проектування оцінити ті чи інші конструктивні рішення з точки зору найбільш важливих споживчих якостей майбутнього виробу. У цій статті ми розповімо про те, які технології проектування зварних з'єднань пропонує SolidWorks і яким чином слід використовувати цей функціонал, щоб виконувати роботу з мінімальними трудовитратами і максимальною якістю.
Автоматизація проектування зварних з'єднань
Зварне з'єднання являє собою ділянку конструкції або виробу, на якому з'єднані зварюванням його елементи, виконані з однорідного або різнорідних матеріалів. Зварювання відноситься до нерухомих нероз'ємним з'єднань жорсткої механічної зв'язком, що забезпечує незмінність взаємного положення елементів конструкції під навантаженням. Застосування того чи іншого виду зварювання обумовлено вимогами виготовлення, складання, експлуатації машин або споруд, а також економічними міркуваннями.
По взаємному розташуванню елементів, що з'єднуються розрізняють стикові, таврові, нахлесточные і кутові зварні з'єднання. Кожне з них має свої специфічні ознаки в залежності від обраного способу зварювання — дугового, роликової і т. д.
Зварний шов — це ділянка зварного з'єднання, безпосередньо зв'язує зварювані елементи і утворився в результаті кристалізації розплавленого металу або пластичної деформації при зварюванні тиском або в результаті поєднання кристалізації і деформації. Основні види зварних з'єднань, конструктивні елементи кромок та швів, граничні відхилення і раціональні діапазони товщин елементів, що з'єднуються для швів всіх типів регламентовані державними стандартами і галузевими нормативами: для ручного електродугового зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей — ГОСТ 5264-80, для дугового зварювання в захисному газі — ГОСТ 14771-76; для дугового зварювання алюмінію і алюмінієвих сплавів в інертних газах — ГОСТ 14806-80; для зварних з'єднань сталевих трубопроводів — ГОСТ 1607-80 і т. д.
Саме тому, перш ніж приступати до створення моделі зварного з'єднання в SolidWorks, проектувальнику необхідно в повній мірі володіти теоретичними основами зварювання, чітко уявляти собі класифікацію зварних швів та з'єднань і керуватися вимогами стандартів, що регламентують правила проектування зварних деталей і оформлення конструкторської документації.
В SolidWorks зварні шви можуть створюватися як у контексті збірки, так і в деталях, причому проектувати зварні з'єднання можна як мінімум трьома різними способами. Технології проектування розрізняються в залежності від того, проектується зварна конструкція (наприклад, ферменних) або просто деталь. Конструктору також необхідно знати, для чого буде використовуватися створювана їм D-модель: якщо вона потрібна тільки для оформлення креслення, зварні шви в твердому тілі створювати не потрібно — в цьому випадку достатньо буде нанести на креслення їх умовні позначення. Якщо ж модель буде брати участь у розрахунку масово-інерційних характеристик або в прочностном аналізі, потрібно створювати зварні шви у вигляді твердотільної геометрії. Розглянемо можливі способи проектування зварних з'єднань в SolidWorks більш докладно.
Зварні шви в контексті збірки
Проектування зварних з'єднань в контексті збірки є однією з класичних функцій SolidWorks, з'явилися ще в 1995 році. Безумовно, з тих пір ця функція зазнала цілий ряд змін і доповнень, проте загальна методологія проектування зварювання в збірці залишилася незмінною. Використовуючи цю функцію, можна створювати різні типи зварних швів в збірці, кожен з яких формується як новий компонент збірки з прив'язкою до навколишнього геометрії (зварюваних деталей). Розглянемо процес проектування зварної деталі в контексті збірки SolidWorks на прикладі створення моделі кронштейна.
Створимо нову збірку і помістимо в неї зварювані деталі, з яких буде складатися проектований кронштейн. Оскільки форму оброблення крайок і їх збирання під зварювання характеризують такі конструктивні елементи, як зазор, притуплення кромок і кут скосу кромки, значення цих параметрів необхідно задати в SolidWorks на етапі створення зварюваних деталей. Тип і кут оброблення крайок визначають кількість необхідного електродного металу для заповнення оброблення, а значить, і продуктивність зварювання. Наприклад, X-подібна оброблення крайок, в порівнянні з V-подібною, дозволяє зменшити обсяг наплавленого металу в півтора рази. У нашому випадку кронштейн буде зварюватися з семи пластин, виконаних з листової сталі товщиною 5 мм, три з яких мають оброблення кромок під стикового V-подібний шов, а чотири приварюються внахлестку.
У меню складання виберемо команду Вставка->Елемент збірки-> Зварювання, викликає спеціальний інтерактивний Майстер зварних швів. Майстер дозволяє: вибрати потрібний тип зварного шва зі списку, задати параметри поперечного перерізу шва, вказати зварювані межі. Крім того, Майстер зварних швів дозволяє редагувати раніше створені шви. В таблиці показані види швів, які пропонує нам SolidWorks в контексті збірки, і необхідна форма оброблення кромок з'єднуваних елементів для забезпечення якісного з'єднання при автоматизованому та ручному зварюванні.
Шов зварного з'єднання може бути звичайним, посиленим або полегшеним і характеризується наступними основними конструктивними елементами відповідно до ГОСТ 2601-84: ширина (або радіус), опуклість, глибина проплавлення (для стикового шва) і катет для кутового шва. Значення цих параметрів для різних видів зварних швів також можна задати в Майстрі зварних швів SolidWorks. При створенні нового елемента «Зварний шов» SolidWorks автоматично наносить на нього позначення зварного шва, а від проектувальника потрібно скорегувати це позначення (вписати необхідний текст) згідно з вимогою стандарту. Позначення зварного шва також буде відображено на кресленні.
Створивши таким чином всі необхідні зварні шви, ми отримали збірку, яка складається із сукупності деталей і зварних швів, пов'язаних між собою параметричними взаємозв'язками. Однак нашою кінцевою метою є проектування не збірки, а деталі. Тому скористаємося функцією об'єднання, дає змогу злити воєдино всі компоненти збірки і отримати деталь, що складається з одного твердого тіла.
Важливою властивістю деталі, створеної таким чином, є її стовідсоткова асоціативний зв'язок з усіма компонентами збірки, на основі яких вона створювалася. Тобто при модифікації будь-якого з компонентів збірки зміни автоматично позначаться і на деталі. У той же час отриману в результаті об'єднання деталь можна доопрацювати, додавши відсутні отвори. В результаті ми отримаємо готовий кронштейн.
Оскільки в результаті об'єднання ми отримали твердотільну деталь, її можна проаналізувати на міцність за допомогою функції COSMOSXpress, що входить в базову поставку SolidWorks і призначеної для проведення експрес-аналізу міцності (отримання якісної картини результатів навантаження). В інженерній практиці застосовують два методу розрахунку зварних з'єднань на міцність при статичному навантаженні: за типовим напруги (в машинобудуванні) і по граничному стану (в будівельних конструкціях). Для зварних з'єднань сталей різної міцності розрахункові опору на розтяг, стиск, зріз у стикових і кутових швах, а також допустимі напруження на розтяг, стиск і зріз встановлені галузевими правилами та нормами проектування конструкцій.
Проведемо статичний експрес-аналіз міцності створеного нами кронштейна з типовим напруженням. Перш ніж приступити до розрахунків, необхідно Майстра COSMOSXpress задати граничні умови (закріпити кронштейн) і додати розрахункове навантаження до проушинам. Фізичні властивості матеріалу (модуль пружності, коефіцієнт Пуассона і т. д.) ставити не потрібно, так як вони беруться з твердотільної моделі. Це можливо завдяки використанню єдиної бібліотеки матеріалів, застосовуваної в SolidWorks і COSMOSXpress. Після того як всі вихідні дані введені, залишається тільки запустити розрахунок на виконання, дочекатися її закінчення і переглянути результати (рис. 5).
Якщо результати аналізу покажуть, що за характеристиками міцності зварна деталь не задовольняє заданим вимогам, необхідно буде змінити (підсилити або ослабити) відповідні конструктивні елементи і повторити розрахунок. Більш точний прозорого аналіз можна виконати за допомогою спеціального модуля COSMOSWorks.
Проведені розрахунки і практичний досвід показують, що при статичних навантаженнях краще працюють сполуки, утворені опуклими швами. Однак надмірний наплив призводить до зайвої витрати електродного металу, і тому опуклі шви неекономічні. Плоскі і увігнуті шви краще працюють при динамічних і знакозмінних навантаженнях, так як немає різкого переходу від основного металу до зварному шву. В іншому випадку створюється концентрація напружень, від яких може початися руйнування зварного з'єднання.
Зварні шви в контексті деталі
Починаючи з версії SolidWorks 2004, яка була випущена у вересні минулого року, з'явилася можливість проектувати зварні шви не тільки в збірці, але і в контексті многотельной деталі, де кожен шов формується як окрема тверде тіло з прив'язкою до навколишнього геометрії. Розглянемо процес проектування зварної деталі в контексті деталі SolidWorks на прикладі створення такого ж кронштейна, як і той, що ми розглядали в попередній главі.
На цей раз ми створимо нову деталь, використовуючи стандартні прийоми твердотільного моделювання: побудова бобышек і вирізів, які базуються на 2D-ескізах, дзеркальне відображення. В результаті ми отримаємо 3D-модель, що складається з одного твердого тіла.
Перш ніж приступити до створення зварних швів, необхідно розділити тверде тіло на кілька частин, які будуть символізувати зварювані конструктивні елементи. Скористаємося для цього спеціальною командою Розділити, яка доступна в контексті деталі У результаті поділу модель буде складатися з семи твердих тіл, між якими тепер можна буде накладати зварні шви.
Додавання зварних швів в контексті деталі виконується за допомогою команд меню SolidWorks або спеціальної панелі інструментів Зварні деталі. Процес створення зварних швів в контексті деталі буде детально розглянуто в наступному розділі.
По закінченні проектування в D-просторі створюється креслення на зварену деталь, причому вирішується ця задача стандартними засобами креслярського редактора SolidWorks. Позначення зварних швів автоматично відображаються на кресленні. Зварний шов на кресленні умовно зображують суцільною основною лінією по ГОСТ 2.12-72.
Проектування рамних і фермових зварних конструкцій
Рамні і фермові зварні конструкції знаходять широке застосування у середньому та важкому машинобудуванні, аерокосмічній промисловості, автомобілебудуванні, а також в промисловому і цивільному будівництві. Зварні ферми використовуються в конструкціях силових підйомно-транспортної техніки, радіобашень і щогл, в перекриттях цехів і ангарів і т. п. Ферми, порівняно з суцільними балками, економічні по витраті металу, їм можна легко надати будь-які обриси, необхідні за умовами технології, роботи під навантаженням або архітектури; вони відносно прості у виготовленні. Ферми застосовують при різноманітних навантаженнях і, в залежності від призначення, надають різну конструктивну форму — від легких конструкцій пруткових до важких, стрижні яких можуть компонуватися з декількох елементів великих профілів або аркушів. Приміром, у будівництві найбільше поширення мають розрізні балкові ферми як найбільш прості у виготовленні і монтажі.
Постійне зростання вимог до якості виконання проектно-конструкторських робіт, а також необхідність точного розрахунку масових та міцності зварних конструкцій на етапі проектування є важливими факторами, що змушують проектувальників застосовувати в повсякденній практиці різні засоби автоматизації. Це питання є особливо актуальним, наприклад, для високонавантажених авіаційних конструкцій, для ферм рухомих кранових установок і покриттів великих прольотів будівельних споруд, де зменшення ваги дає великий економічний ефект.
Всі ці чинники зумовили появу в 200 році в базовій конфігурації САПР SolidWorks спеціальної функціональності по роботі зі зварними конструкціями. Використовуючи панель інструментів Зварні деталі, можна швидко створити практично будь-яку рамну або ферменную конструкцію. Створення зварної конструкції проводиться за будь-якого набору плоских або об'ємних ескізів у файлі деталі. Такий підхід дозволяє використовувати для детального проектування компонувальні ескізи без складної промальовування конструктивно-силової схеми. Будь профіль визначається параметрами Стандарт (ГОСТ, ISO або ANSI), Тип і Розмір. Кожен тип профілю включає кілька типорозмірів. Вказавши в графічній області той чи інший ескіз і вибравши потрібний профіль зі списку, можна декількома рухами миші сформувати основу рами .
До зварних елементів в SolidWorks відносяться: сортамент (куточки, швелери, двотаври, труби круглого, квадратного, прямокутного перерізів і т. д.), елементи оброблення під зварювання, кінцеві заглушки, косинки і елементи зварного шва. База даних профілів налаштовується під конкретний набір типорозмірів профілів, що використовуються у виробництві, і може бути поповнена користувачем. В даний час компанія SolidWorks-Russia поставляє ліцензійним користувачам SolidWorks 2004 номенклатуру сортаменту за ГОСТ, наведену нижче:
Чорні метали
• Двотаври ГОСТ 829-89
• Коритне профілі ГОСТ 828-77 кипляча і полуспокойная сталь
• Коритне профілі ГОСТ 828-77 спокійна сталь
• Профілі З-образні ГОСТ 8282-8
• Профілі сталеві гнуті коритне равнопрочний ГОСТ 828-77 з вуглецевої киплячої і напівспокійної сталі вуглецевої якісної сталі ув<460 Н/мм2
• Профілі сталеві гнуті коритне равнопрочний ГОСТ 828-77 з вуглецевої спокійної сталі вуглецевої якісної сталі ув>460 Н/мм2
• Куточки ГОСТ 19771-74 кипляча і полуспокойная сталь
• Куточки ГОСТ 19771-74 спокійна сталь
• Куточки ГОСТ 19772-74 кипляча і полуспокойная сталь
• Куточки ГОСТ 19772-74 спокійна сталь
• Куточки ГОСТ 8509-86
• Куточки ГОСТ 8510-86
• Рівнополочні кутники ГОСТ 19771-74
• Швелери ГОСТ 8240-89
• Швелери ГОСТ 8240-89 без ухилу
• Швелери ГОСТ 8240-89 з ухилом
• Швелери ГОСТ 8278-8 кипляча і полуспокойная сталь
• Швелери ГОСТ 8278-8 спокійна сталь
• Швелери ГОСТ 8281-80 кипляча і полуспокойная сталь
• Швелери ГОСТ 8281-80 спокійна сталь
• Швелери сталеві рівнополочні ГОСТ 8278-8
• Швелери сталеві рівнополочні ГОСТ 8278-8 з вуглецевої киплячої і напівспокійної сталі
• Швелери сталеві рівнополочні ГОСТ 8278-8 з вуглецевої спокійній з низьколегованої сталі
• Куточок нерівнобічний
• Куточок равнобокий
Кольорові метали
• Двотаври Al і Mg ГОСТ 1621-90
• Зет Al і Mg ГОСТ 1620-90
• Зет рівнополочний з Al і Mg ГОСТ 1620-90
• Профілі прямокутні отбортованные Al і Mg ГОСТ 1624-90
• Таври Al і Mg ГОСТ 1622-91
• Куточки Al і Mg ГОСТ 1618-81
• Куточки Al і Mg ГОСТ 177-90
• Куточки Al і Mg ГОСТ 178-91
• Швелери Al і Mg ГОСТ 1624-90
• Швелери Al і Mg ГОСТ 162-90
При вставці в зварну конструкцію з бібліотеки чергового профілю користувач може вибрати будь-яку характерну точку поперечного перерізу профілю для базування щодо лінії каркаса (ескізу) зварної конструкції. При формуванні конструкції користувач може вибрати той чи інший тип спільної оброблення елементів конструкції для зварювання або, іншими словами, різні варіанти стикування профілів. Можна вибрати Т-подібне з'єднання, кутове з'єднання або залишити вибір на розсуд системи .
Зварна конструкція може складатися як з окремих профілів, так і з набору ,що робить роботу з моделлю більш зручною. Новостворювані профілі прив'язуються до ліній каркаса зварної конструкції і до вже існуючих елементів рами, причому можливі різні варіанти взаємного сполучення (обрізки або подовження) профілів. Існують як мінімум два варіанти обрізки профілю: за допомогою плоских граней і з допомогою твердих тіл — і необмежену кількість способів подовження: за допомогою витягування, елемента по траєкторії і т.п. Таким чином, режим проектування зварної конструкції не виключає інших, стандартних для SolidWorks побудов. Це дозволяє добудовувати зварну конструкцію з допомогою всіх існуючих в SolidWorks твердотільних і поверхневих елементів.
До розширеним можливостям SolidWorks по роботі зі зварними з'єднаннями можна віднести додавання додаткових конструктивних елементів, таких як заглушки (торцеві пробки ) і косинки .Кожен з цих елементів має свій набір параметрів, що настроюються відповідно з видом зварної конструкції. Наприклад, можна використовувати два типи косинок: з трикутним і багатокутним профілем .
Завершальним етапом створення 3D-моделі зварної конструкції є додавання зварних швів. Шви можуть бути робітниками або сполучними, суцільними чи перервними. Зварному шву для поліпшення зорового сприйняття автоматично присвоюється текстура.
При оформленні креслення на спроектовану зварну конструкцію SolidWorks дозволяє проставляти позиції на складові елементи (незважаючи на те, що проектування йде у файлі деталі) і формувати специфікацію на складові конструкції.
Крім того, в креслення може бути додана спеціальна таблиця вирізів із зазначенням найменування та довжини обрезаемых профілів. Елементи таблиці вирізів успадковують властивості користувача від ескізу профілю і елемента зварної конструкції. Можна призначати нові властивості або змінювати існуючі. Наприклад, можна додати властивість Маса і пов'язати його з масовими характеристиками моделі. Створення зв'язку між цими двома властивостями дозволить програмі SolidWorks розрахувати масу твердого тіла і відобразити її в таблиці вирізів. Система автоматично виконає розрахунок властивості Довжина і відображає його в таблиці вирізів.
Таким чином, ми створили 3D-модель зварної рамної конструкції і оформили на неї конструкторську документацію.
висновок
Сучасні тенденції розвитку зварювання висувають нові, підвищені вимоги до методології проектування зварних з'єднань у виробах машинобудування і будівельних конструкціях. У цій статті було розглянуто кілька способів проектування зварних виробів, які пропонує своїм користувачам САПР SolidWorks. Природно, в рамках статті неможливо розповісти про них у всіх подробицях, однак сподіватимемося, що і цього короткого опису цілком достатньо для того, щоб скласти загальне уявлення про проектування зварних виробів в SolidWorks.