Чемпионский САПР для композитов

В Москве прошел форум «Развитие», его организатор — одноименный консорциум разработчиков инженерного программного обеспечения. Участник консорциума компания — национальный чемпион АСКОН впервые представила на этом форуме новый программный продукт для проектирования изделий из композитных материалов

В состав консорциума «Развитие» входят компании АСКОН, НТЦ «АПМ», ADEM, ТЕСИС, ЭРЕМЕКС и IOSO — вместе они создают отечественный программный комплекс тяжелого класса для проектирования и управления жизненным циклом изделия. На форуме консорциум ежегодно показывает, насколько приросла функциональность систем, входящих в PLM-комплекс, какие новые интеграционные связи появились. Компания — национальный чемпион АСКОН в этом году впервые представила новый программный продукт для проектирования изделий из композиционных (или композитных) материалов.

«КОМПАС-3D: Композиты» — система проектирования и подготовки производства изделий из композитных материалов — работает в среде КОМПАС-3D. Разработка продукта ведется компанией АСКОН при участии Индустриального центра компетенций «Двигателестроение» в рамках реализации особо значимого проекта в АО «ОДК-Авиадвигатель». Система будет выпущена в 2025 году. Цель амбициозная: заместить зарубежное ПО Fibersim (принадлежит Siemens).

Отметим, что применение специализированной САПР полимерных композитных материалов (ПКМ) дает множество преимуществ. За счет автоматизации сложных и рутинных задач ускоряется конструкторско-технологическая подготовка производства. Повышается качество изделия и снижается количество брака, так как можно заранее спрогнозировать, как материал слоя поведет себя при укладке. Кроме того, при использовании связки «ПО + оборудование» можно уменьшить количество отходов, увеличить эффективность производства и обеспечить высокую «повторяемость» деталей.

Нужна полная оцифровка

Изделия из ПКМ превосходят большинство металлов и сплавов по прочности, легкости, коррозионной стойкости, износоустойчивости и относительной простоте формования. Ключевые отрасли применения — двигателе-, авиа-, судостроение, автопром, космос и некоторые другие.

О преимуществах композитных материалов и их потенциале в авиационной отрасли «Стимулу» рассказал Дмитрий Суслаков, главный конструктор самарского НПО «АэроВолга» (производит самолеты-амфибии).

«Ответ на вопрос о преимуществах применения ПКМ в авиастроении достаточно банален и практически одинаков уже около пятидесяти лет, — говорит эксперт. — Это коррозионная стойкость, высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности), высокое сопротивление циклическим нагрузкам. Но мне хотелось бы дополнить этот славный перечень некоторыми дополнительными особенностями ПКМ, обычно остающимися в тени и характерными для нашего предприятия.

Во-первых, эти материалы позволяют создавать авиационные конструкции с минимальным количеством соединительных элементов, что принципиально упрощает создание герметичных конструкций, например фюзеляжей гидросамолетов или баков-отсеков для топлива.

Во-вторых, ПКМ по сравнению с металлической конструкцией позволяют создавать изделия, максимально соответствующие требованиям аэро- и гидродинамики, без оглядки на технологичность сложного формообразования поверхностей двойной кривизны. Это, в свою очередь, позволяет получать самолеты с очень высокими летными характеристиками при относительно небольших мощностях двигателей.

В-третьих, специфика производства самолетов из ПКМ, особенно легких самолетов, позволяет организовать рентабельное серийное производство при относительно небольших затратах на его подготовку, что делает возможным экономически эффективное производство при малой серийности».

 Изделия из ПКМ превосходят большинство металлов и сплавов по прочности, легкости, коррозионной стойкости, износоустойчивости и относительной простоте формования. Ключевые отрасли применения — двигателе-, авиа-, судостроение, автопром, космос и некоторые другие

По мнению Дмитрия Суслакова, применение ПКМ в авиастроении будет расширяться. Дело в том, что до последнего времени одной из серьезных проблем широкого применения композитов был и остается большой объем ручного труда, а значит, значительное влияние «человеческого фактора» на качество продукции, а также относительно высокая стоимость изделий. Однако развитие электроники и робототехники позволяет уже сейчас существенно увеличить автоматизацию производственных процессов и вывести ее на уровень, как минимум не уступающий автоматизации при изготовлении металлических изделий. Примером может служить процесс изготовления крыла самолета МС-21.

«Соответственно, чтобы применение ПКМ в авиастроении стало еще более эффективным, необходима полная оцифровка жизненного цикла изделий — от проектирования до производства и эксплуатации», — отмечает Дмитрий Суслаков.

Однако для проектирования изделий из композитов недостаточно универсальной САПР. Необходимо специальное программное обеспечение, поскольку структура изделий из ПКМ имеет несколько особенностей. Традиционные технологические процессы машиностроения основаны либо на удалении готового материала (механическая обработка), либо на деформации готового материала (штамповка, гибка). Исключением является литье, но и в этом случае речь идет о распределении материала с заданными свойствами в объеме.

При изготовлении же изделий из ПКМ получение материала с заданными свойствами совмещено с процессом формообразования. Кроме того, в большинстве своем эти конструкции являются слоистыми структурами, часто выполненными из разнородных материалов. В качестве примеров можно привести комбинированные структуры из стеклопластиков, арамидных композитов или панели с сотовым заполнителем, так называемые сэндвичи.

«При попытке описать форму и структуру изделий из ПКМ традиционным аппаратом “машиностроительных” САПР мы сталкиваемся либо с неприемлемой сложностью моделей, либо вообще с невозможностью построения моделей, достоверно воспроизводящих структуру композита. В лучшем случае приходится довольствоваться некими габаритными моделями, которые потом приходится “вручную” расписывать по слоям в технологической документации», — поясняет Дмитрий Суслаков.

Следовательно, по его мнению, сейчас актуально появление программного обеспечения, позволяющего:

— адекватно описать форму и структуру ПКМ на этапе разработки конструктором модели изделия;

— обеспечить пригодность разработанной модели для анализа прочности ПКМ в CAE-системах;

— выполнить быструю и автоматизированную подготовку производства: создание раскроев для препрегов или управляющих программ для укладочных станков.

Почти идеальная драпировка

В основе программного продукта «КОМПАС-3D: Композиты» лежит подход послойного моделирования. Продукт ориентирован на изделия из слоистых пластиков (ламинатов), где в качестве усиления могут применяться армирующие волокна, а полимерным связующим чаще всего является смола. Программное приложение функционирует в интерфейсе САПР КОМПАС-3D.

Расскажем немного об этапах проектирования в новом приложении. Перед началом работы с композитами необходимо подготовить исходную поверхность базовыми средствами КОМПАС-3D. Затем уже в «КОМПАС-3D: Композиты» необходимо создать пакет, в котором позднее будут сгруппированы слои, относящиеся к проектируемой композитной детали.

Приложение позволяет выбирать материал, который будет назначаться всем новым слоям пакета. Выбор осуществляется из нормативно-справочной системы ПОЛИНОМ: MDM разработки АСКОН — это обширная база материалов, сортаментов, покрытий и не только. Специально для работы с новым продуктом добавлены некоторые композитные материалы: армирующие, вакуумные и препреги. Недостающие материалы пользователь может внести в базу самостоятельно.

 «При попытке описать форму и структуру изделий из ПКМ традиционным аппаратом “машиностроительных” САПР мы сталкиваемся либо с неприемлемой сложностью моделей, либо вообще с невозможностью построения моделей, достоверно воспроизводящих структуру композита»

При создании слоев задается направление волокон в процессе укладки ткани. Большую помощь конструктору оказывает инструмент визуального контроля выкладки слоев в конкретных местах или сечениях. Ориентация нити указывается цветом: синий — 0 градусов, зеленый — 45, желтый — 90. Навигатор структуры позволяет управлять слоями — создавать новые, сортировать, удалять и копировать.

После работы с конструкторскими слоями изделие надо готовить к раскрою и выкладке. Это происходит на основе технологических слоев. Композитная заготовка, как правило, имеет припуск под обрезку, и поверхность с припуском называется «технологической». На данном этапе технолог назначает материалу технологический припуск. В приложении этот процесс автоматизирован.

Очень важный инструмент — анализ драпируемости. Драпируемость — свойство материала принимать требуемую форму. Необходимо еще до производства понимать, как композитный материал поведет себя при выкладке, и спрогнозировать возможные дефекты — складки и растяжения. В приложении «КОМПАС-3D: Композиты» реализовано представление в виде сетки, которую можно масштабировать. Красный цвет сетки указывает на область появления дефектов, синий — дефектов нет, желтый — пограничное состояние, на которое тоже нужно обращать внимание. Специальная команда позволяет создавать надрезы или вырезы для устранения дефектов.

«Наша компания, НПО “АэроВолга” использует САПР КОМПАС-3D с 2007 года, — говорит Дмитрий Суслаков. — В 2018-м нами был полностью разработан в 3D-моделях самолет Borey. Насколько мне известно, это первый самолет, вся конструкторская документация на который — от теоретической модели до рабочих чертежей — была выпущена в САПР КОМПАС-3D. Самолет содержит большое количество композитных деталей и составных частей собственного производства. И в связи с этим разрабатываемый в настоящее время нашим многолетним партнером — компанией АСКОН — модуль для моделирования конструкций из ПКМ является долгожданным и очень актуальным проектом».