ГК CompMechLab® и Altair Engineering провели вебинар по применению KISSsoft и Altair nanoFluidX в проектировании коробок передач и расчетах поведения масла и смазок в механических передачах

19 Ноября 2021 года

9 ноября 2021 года ГК CompMechLab^® совместно со своим американским партнером Altair Engineering, Inc. провела вебинар «Разработка механических передач и моделирование смазки механизмов в программном обеспечении KISSsoft/KISSsys и Altair nanoFluidX». Вебинар был посвящен проектированию коробки передач в современном программном комплексе KISSsoft и оценке распределения и нагрева масла и его влияния на поведение передаточного механизма в специализированном решении nanoFluidX.

Вебинар посетили свыше 40 инженеров и конструкторов, представлявших крупнейшие российские промышленные предприятия, в том числе АО «ОДК», ПАО «ОАК», ГК «Росатом», отрасли тяжелого машиностроения и автомобилестроения. 

В первой части вебинара инженеры ГК CompMechLab^® рассказали о возможностях и преимуществах программного продукта.

• KISSsoft/KISSsys – разработка швейцарской компании KISSsoft AG – программный комплекс, состоящий из широкого ряда специализированных модулей и предназначенный для проектирования, параметризации, анализа и оптимизации отдельных деталей машин (зубчатых передач, валов, подшипников, соединительных элементов, ременных и цепных передач), моделирования редукторов, трансмиссий коробок передач в сборе. Данная программная система обеспечивает быстрый и достоверный расчет прочности изделия аналитическими методами с обширными возможностями документирования, включая коэффициенты надежности, а также сроки службы.

С помощью KISSsoft конструктор может быстро создать детализированную 3D-модель отдельного узла, коробки передач или редуктор и экспортировать ее в любую современную коммерческую CAD/CAE-систему.

KISSsoft активно используется в таких отраслях промышленности, как автомобиле- и тракторостроение, авиадвигателестроение, вертолетостроение, судостроение, горнодобывающая и тяжелая промышленность. В России программные продукты KISSsoft широко применяются множеством предприятий из различных промышленных секторов, в том числе предприятиями ГК «Ростех», ГК «Росатом», АО «ОДК», ПАО «КАМАЗ», а также рядом научных центров и технических вузов.

Специалисты ГК CompMechLab^® продемонстрировали в режиме реального времени построение кинематической схемы двухступенчатой коробки передач в KISSsys. В ходе вебинара было выполнено проектирование зубчатых пар, начиная от определения макрогеометрии колеса. Также были рассмотрены вопросы оптимизации по массе и повышения КПД передач. Далее был выполнен анализ общей деформации системы и смещения пятна контакта зубьев. Для компенсации прогиба валов, люфта подшипников и влияния корпуса были подобраны оптимальные модификации боковой поверхности профиля зубчатых колес. После этого для оптимизации уровня шума и вибраций в передаче была подобрана наиболее выгодная микрогеометрия зуба.

Однако даже при детальном проектировании коробки передач и расчете ее прочностных характеристик и ресурса необходимо учитывать также влияние масел и смазки на поведение изделия, а также на его износостойкость.

Этой цели служит передовой программный продукт, разрабатываемый компанией Altair Engineering и входящий в платформу мультидисциплинарного анализа Altair HyperWorks, – nanoFluidX. Д-р Милош Станич, сотрудник Altair и старший менеджер продукта, рассказал об особенностях и преимуществах применения программного обеспечения Altair nanoFluidX.

Из-за крайней сложности геометрии коробок передач создание адекватной гексагональной КЭ-сетки – чрезвычайно трудоемкий процесс. В связи с этим в nanoFluidX используется SPH-метод, при котором каждый элемент конструкции и лубриканта рассматривается как частица с определенной траекторией

Основанная на методе сглаженных частиц (SPH – smoothed particle hydrodynamics), лучшая в классе система nanoFluidX позволяет учитывать влияние движения всех частей механизмов (зубчатых пар, коробок передач, редукторов) на поведение потоков многофазной жидкости высокой вязкости, таких как масло, смазка, воздушно-водяная и воздушно-топливная смеси, моделировать слошинг (колебание жидкости в замкнутом пространстве), учитывать свободный поток масла, смазок, воды и прочих жидкостей в открытой среде.

В начале выступления представитель Altair подчеркнул, что порядка 60% повреждений в коробках передач связаны с разрушением подшипников из-за недостаточного количества смазки. При недостаточном количестве лубриканта высока вероятность чрезмерного нагрева подшипника, который, расширяясь, оказывает избыточное давление на корпус и разрушает его. Также возможно явление микропиттинга – выкрашивания зубьев в зубчатой паре, что также приводит к быстрому износу и порче механизма.

Так, при проектировании автомобильных коробок передач или авиационных редукторов очень важно понимать поведение смазки внутри коробки передач, так как тем самым возможно повысить эффективность работы деталей, улучшить охлаждение самой коробки, уменьшить количество выбросов CO₂ в атмосферу, а также снизить стоимость прототипирования (изготовления партии реальных изделий для проведения натурного эксперимента).

Классический конечно-элементный (КЭ) подход – «Эйлерова гидродинамика» – является достаточно точным способом анализа поведения вязких жидкостей, но с учетом всей сложности геометрии коробки передач построение качественной твердотельной КЭ-модели с преобладанием гексагональных элементов даже в современных препроцессорах может занять дни и даже недели. Более того, созданию качественной сетки препятствуют нелинейности геометрии, зачастую инженеры-расчетчики сталкиваются с проблемой в сходимости решений, к тому же подобные расчеты крайне ресурсоемки и также могут требовать значимых временных ресурсов даже на мощных кластерах.

Численный метод, позволяющий значительно быстрее моделировать динамику жидкости и газов, – метод сглаженных частиц (SPH) – основан на подходе Лагранжа. С помощью SPH-метода подготовка расчетной модели, в которой каждый элемент конструкции описывается поведением соответствующей частицы, а также сам расчет осуществляются значительно быстрее. Более того, данный численный метод изначально программировался таким образом, чтобы эффективно работать на графических ускорителях (GPU), значимо ускоряя расчеты по сравнению с традиционным распараллеливанием задачи на ядра процессора (CPU).

Altair nanoFluidX – эффективный инструмент для моделирования преодоления брода транспортным средством

Д-р Станич выделил два основных направления применения nanoFluidX:

• анализ поведения масел внутри трансмиссий – ПО позволяет проанализировать, каким образом происходит распределение масла внутри корпуса трансмиссии, рассчитать силы и моменты, возникающие от давления лубриканта, вращения масла внутри коробки, проанализировать распределение тепла внутри потока лубриканта и внутри твердотельных компонентов самой коробки передач
• моделирование преодоления брода транспортным средством – в nanoFluidX доступна возможность использования SPH-метода для двухфазной жидкости, позволяющая моделировать поведение автомобиля при преодолении брода, а также загрязнение транспортного средства в водяном потоке частицами взвеси и грязи.

Стоит отметить, что до сих пор во многих компаниях применяется традиционный подход к проектированию коробок передач – создание реальных прототипов и проведение натурных экспериментов.
Однако этот подход чреват высокими финансовыми затратами на изготовление прототипов, работу инженера по аналитическому расчету макета и, разумеется, имеет ограничения по проведению самого анализа. Например, частота вращения коленчатого вала двигателя дорожного автомобиля (достигающая 6000 об/мин для турбодвигателей и 8000 об/мин и более для атмосферных) ни в одном эксперименте не позволит воочию увидеть и проанализировать поведение и распределение масла.
И тем более такой подход неприменим при проектировании более дорогостоящих двигателей, таких как, например, моторы болидов гоночной серии «Формула 1», где обороты двигателя нередко превышают значение 15 000 об/мин.
При этом анализ поведения, распределения масел, прочих лубрикантов, анализ образования масляных вихрей и их влияние на работу, охлаждение и скорость зубчатых пар в nanoFluidX – это очевидная экономия времени и средств при разработке дорогостоящего изделия.

Постпроцессинг в Altair nanoFluidX дает широкие возможности визуализации результатов анализа, в том числе визуально оценивать распределение плотности масла в коробке передач, траектории и скорости частиц лубриканта

Актуальный тренд современной промышленности – переход автомобильной индустрии на производство электромобилей. Несмотря на обычно меньшее число передач, коробки электромобилей требуют детального анализа, в том числе с точки зрения отведения излишнего тепла. На прошедшем вебинаре Милош Станич продемонстрировал реальный кейс использования nanoFluidX для моделирования поведения масла внутри коробки передач электромобиля.

В конце вебинара на примерах расчетов реальных задач промышленности было продемонстрировано, что SPH-метод, реализованный в nanoFluidX, позволяет сократить время расчета задачи в 20–30 раз при использовании графических ускорителей по сравнению с традиционным подходом к распараллеливанию задач на ядрах кластера, а также то, что nanoFluidX в 2–3 раза быстрее аналогов решает задачи на одном и том же аппаратном обеспечении.
Также представитель Altair ответил на многочисленные вопросы пользователей, в том числе дал утвердительный ответ на актуальный запрос относительно возможности расчета масляного тумана при помощи nanoFluidX.

Программное обеспечение nanoFluidX входит в Altair HyperWorks – программную платформу мультидисциплинарного анализа, оптимизации, моделирования производственных технологий, 1D-моделирования и анализа больших данных. Стоит отметить, что nanoFluidX имеет прямую интеграцию (coupling) практически с большинством решателей, входящих в Altair HyperWorks и необходимых для расчета мультидисциплинарной задачи с учетом анализа гидродинамики.

Запись прошедшего вебинара доступна по ссылке.

Также напоминаем о том, что на программные продукты Altair nanoFluidX и KISSsoft/KISSsys доступны ограниченные по времени бесплатные тестовые лицензии, которые позволят инженерам ознакомиться с функциональными возможностями систем.