Заключительная часть цикла статей, посвященных новому типу кривых и поверхностей, разработанному в компании C3D Labs в качестве нового функционала поверхностного моделирования для геометрического ядра C3D Modeler.
В этой части приводятся примеры практического применения C3D FairCurveModeler при моделировании различных изделий.
В первой части освещены основные моменты, необходимые для понимания читателем главных преимуществ рассматриваемого класса кривых и его назначения в инженерной геометрии.
Во второй части описана реализация методов F-кривых в C3D Modeler.
Практическое применение С3D FairCurveModeler
Немного о сфере применения
В заключительной части цикла статей приведены примеры практического применения C3D FairCurveModeler при моделировании различных изделий. Применение данного раздела C3D в области моделирования изделий — это быстрый и недорогой способ улучшения проектных характеристик, поскольку качество проектируемого изделия можно существенно повысить только за счет улучшения плавности его геометрии.
Обычно при оптимизации конструкции берется некоторый приоритетный параметр, который минимизируется/максимизируется, при этом остальные параметры ухудшаются. Грамотная оптимизация заключается в том, чтобы остальные параметры остались в пределах некоторых ограничений.
Опыт практического использования С3D FairCurveModeler
Моделирование плуга
При оптимизации конструкции плуга для повышения качества вспашки на плуг монтируются так называемые «акульи плавники», которые способствуют более качественному рыхлению почвы, но при этом неминуемо растет сопротивление плуга и, соответственно, растут расходы на горючее для трактора.
Для проведения опыта по оптимизации использовалась стандартная конструкция плуга, а изменениям подвергалась только его геометрия, при этом был получен парадоксальный положительный результат. По критериям плавности была улучшена направляющая кривая плуга и оптимизирована схема построения беззадирной поверхности плуга [22].
Конструкция плуга прошла тщательное тестирование в CFD-системе FlowVision компании ТЕСИС, а затем и тестирование на почвенном канале и полевые испытания, которые показали положительный результат: одновременно было и улучшено качество вспашки, и сэкономлено топливо [23]!
Моделирование кулачков
При моделировании профилей плоских кулачков необходимо решить две проблемы:
- кривые выстоя толкателя должны геометрически точно совпадать с окружностями;
- переходные кривые подъема и опускания должны спрягаться с кривыми выстоя с порядком гладкости не менее 3-го, во избежание так называемого рывка («Jerk»).
Методы C3D FairCurveModeler решают эти проблемы, т.е. обеспечивают построение кривых, геометрически точно моделирующих конические кривые, а также возможность построения переходных для 9-го порядка гладкости.
Конструктору остается только правильно построить эти кривые надлежащей формы, обеспечивающей необходимую функцию газораспределения.
Моделирование профиля лопатки
В C3D Labs был проведен небольшой эксперимент, в ходе которого удалось установить, какие преимущества дают функциональные кривые при моделировании промышленных изделий на примере профиля лопатки паровой турбины. В ходе эксперимента геометрия лопатки была улучшена, и исправленная модель испытана в CFD-приложении KompasFlow для CAD-системы КОМПАС-3D. При оптимизации лопатки была применена та же схема, что и при оптимизации конструкции плуга.
Все профили лопаток стандартизованы и объединены в базу данных отрасли. Стандартные профили являются результатом колоссальной работы по оптимизации макропараметров лопатки и входят в золотой фонд паротурбиностроения.
Тот же подход был применен к оптимизации геометрии изделия. В рамках заданных макропараметров улучшалась только геометрия лопатки.
Профиль лопатки представляет собой сложную кривую, составленную из дуг окружностей (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Чертеж профиля лопатки
Рис. 3.2. Чертеж профиля лопатки в CAD-системе
На основе данного контура была подготовлена модель для обдува в KompasFlow. Направление входного потока совпадает с биссектрисой угла входного клина лопатки (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Входной клин лопатки
Поскольку в венце работает не отдельная лопатка, то в модель включены зазоры между лопатками и контуры смежных лопаток. Шаг между лопатками принят 20 мм.
Рис. 3.4. 3D-модель для симуляции обдува лопаток. Грань для входа жидкости (синего цвета)
Рис. 3.5. Грань для выхода потока жидкости (красного цвета)
Рис. 3.6. Расчетная сетка с адаптацией
Рис. 3.7. Расчетные параметры
В результате работы KompasFlow были получены следующие значения параметров:
- средняя скорость на выходе 2,80226 м/с;
- общее давление на выходе 3455,98 Па.
Можно предположить, что улучшение плавности контура лопатки при сохранении исходных макропараметров улучшит и проектные параметры контура.
Перестроим кривые спинки и корыта с использованием функций построения кривых высокого качества по критериям плавности геометрического ядра C3D (раздел FairCurveModeler) (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Касательные ломаные синего цвета и построенные кривые синего цвета на касательных ломаных. Исходные кривые черного цвета
В точках стыка дуг были построены касательные и перестроены кривые профилей с помощью команды построения V-кривой на касательной ломаной. Профили имеют плавные графики кривизны (рис. 3.9, 3.10).
Рис. 3.9. График кривизны «корыта» лопатки
Рис. 3.10. График кривизны «спинки» лопатки
Для испытаний была использована та же 3D-модель. В эскизе кривые спинки лопатки и корыта лопатки были заменены на новые кривые. Параметры расчета остались те же.
Рис. 3.11. Результаты испытания контура лопатки с улучшенными кривыми
Пространство лопатки в венце с улучшенными кривыми обеспечивает лучшие параметры. Разгоняет поток до скорости 2,83322 м/с с общим давлением 3574,07 Па.
Эти параметры превышают параметры исходного контура (средняя скорость на выходе 2.80226 м/с, общее давление на выходе 3455,98 Па).
Подводя итоги эксперимента, необходимо отметить, что сравнительные испытания в системе KompasFlow показали ощутимое улучшение проектных характеристик венца турбины, благодаря реализации схемы улучшения плавности контура лопатки с помощью методов геометрического ядра C3D (раздел FairCurveModeler). Указанное обстоятельство, как и рассмотренные выше иные примеры моделирования геометрии изделий, свидетельствует о том, что принцип улучшения проектных характеристик изделия за счет улучшения геометрии функциональных кривых имеет огромный потенциал.
Окончательные итоги
Функционал нового раздела C3D Modeler C3D FairCurveModeler позволяет моделировать плавные кривые, которые являются кривыми высокого качества и отвечают жестким требованиям гладкости и эстетики, предъявляемым к инженерным кривым.
На основании примеров, демонстрирующих практическое применение функционала ядра, можно с уверенностью сказать, что C3D FairCurveModeler обладает большим потенциалом применения в области моделирования промышленных изделий, так как позволяет существенно повысить их проектные характеристики достаточно недорогим и простым способом – улучшением геометрии.
Библиографический список
В списке литературы используется сквозная нумерация по трем частям, см. начало и продолжение.
22. Мударисов С.Г., Муфтеев В.Г., Фархутдинов И.М. Оптимизация геометрии лемешно-отвальной поверхности плуга / Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2009, №4. С.17-19.
23. Фархутдинов И.М. Совершенствование лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга на основе моделирования технологического процесса вспашки. 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Научный руководитель доктор технических наук профессор С.Г. Мударисов. Уфа – 2012.