В настояще время на рынке композитных материалов появилось много новых изделий и он достаточно активно расширяется. Сейчас сложные детали из композитов находят свое применение в авиационной, космической отраслях, а также в различных архитектурных, энергетических направлениях, автомобильной промышленности и судостроении. Помимо этого, композиты находят применение и других отраслях промышленности. Применение полимерных композиционных материалов (КМ) дает значительные экономические эффекты, которые позволяют улучшать характеристики изделий. Слоистые КМ на основе длинных волокон имеют ряд преимуществ над металлами, в связи с чем, начиная с середины прошлого столетия, доля их использования в высокоинтеллектуальных продуктах мирового машиностроения постоянно растет.

На данный момент максимальный эффект от использования композиционных материалов достигается в авиационно-космической, двигателестроительной и судостроительной отраслях, а также в ветроэнергетике. В России крупными производителями изделий из ПКМ являются предприятия ПАО «ОАК», АО «ОДК», ОАО «Вертолеты России», АО «ОСК» и Госкорпорация «Росатом».

Вместе с тем, при применении традиционных подходов, проектирование и производство изделий из КМ обходится значительно дороже проектирования и производства из металлов, что затрудняет переход на новые материалы. Типовые проблемы, с которыми сталкиваются компании при разработке и производстве изделий из КМ:

• Сложное описание изделия с большим количеством дополнительных параметров;
• Высокая трудоемкость и стоимость подготовки данных для оборудования промышленной автоматизации;
• Низкая степень повторяемости производства;
• Низкая скорость производства.

Для решения описанных выше проблем ведущими мировыми производителями используется специализированное промышленное оборудование (раскройные станки — раскрой плоского материала и маркировка слоев, лазерные проекторы — позиционирование слоев ткани на оснастке, оборудование автоматизированной выкладки волокна и ленты — серийное производство изделий из КМ). Такое оборудование требует разработки управляющих программ. В качестве входных данных используется описание изделия и его элементов в цифровом формате.

Для решения проблем конструкторской и технологической подготовки изделий из КМ в 1990-х годах появились специализированные решения, САПР КМ. Были разработаны новые методы проектирования, которые позволяли учитывать конструкторские и технологические особенности изделий из композиционных материалов и разрабатывать цифровое описание изделия для создания управляющих программ.

Ключевой частью, сердцем любой САПР КМ, позволяющей решать все перечисленные проблемы, является алгоритм моделирования драпировки ткани на сложных криволинейных поверхностях. К примеру, одна из самых распространенных задач — получение контура плоской развертки слоя для тонкостенных оболочек — решается методом обратного моделирования:

1. В CAD системе создается геометрия формообразующей поверхности изделия;
2. На созданной поверхности моделируется драпировка ткани слоя с заданным направлением и деформационными характеристиками;
3. Модель ткани, или сетка, разворачивается на плоскость, образуя контур плоской развертки, на основе которой делается раскрой материала, а развертка при выкладке на поверхность оснастки с высокой точностью совпадает с контуром изделия.

В результате моделирования драпировки с применением САПР КМ производитель сокращает риски неопределенности и добивается высокой степени повторяемости технологических операций, что отражается как на качестве продукта, так и на времени и стоимости его создания.

В более широком смысле САПР КМ используются для решения следующих задач:

• формирование описания изделия, являющееся основным источником информации о нем для всех служб предприятия;
• исключение дублирования/рассинхронизации данных в информационных системах предприятия;
• обеспечение автоматизированного и визуального контроля при разработке изделия;
• автоматизация процесса выпуска конструкторской документации и создание производственных данных;
• сокращение сроков и расходов на запуск продукции в серийное производство;
• обеспечение сокращения расхода материала, высокую степень повторяемости и качества конечной продукции.

На данный момент на отечественных предприятиях доминирующим ПО для проектирования и технологической подготовки изделий из композиционных материалов является Fibersim от компании-разработчика Siemens DI Software. Fibersim совместим со всеми ведущими CAD-системами — NX от Siemens DI Software, CATIA от Dassault Systems, Creo от PTC.

Основным конкурентом Fibersim на мировом рынке ПО для проектирования и ТПП КМ, обеспечивающим сравнимый уровень функционала, является модуль CATIA Composite Product Design. Однако данный модуль совместим только с CATIA, в то время как доминирующими САПР на ведущих российских предприятиях являются NX (авиационная промышленность) и Creo (космическая промышленность). Аналогов специализированных систем/модулей для разработки изделий из композиционных материалов у российских разработчиков инженерного ПО («АСКОН», «Топ Системы» и др.) на данный момент нет.

ООО «НКК» (Национальная компьютерная корпорация) является одним из ведущих системных интеграторов PLM в России. В 2023 г. специалистами компании была решена задача моделирования деформации ткани при укладке на криволинейные поверхности. Ниже приведены результаты работы алгоритма моделирования деформации ткани в ПО Siemens Fibersim (слева) и в прототипе, разработанном специалистами ООО «НКК» (справа).

Таким образом, была успешно решена ключевая задача разработки САПР КМ: разработан алгоритм, позволяющий моделировать процесс укладки, учитывать производственные особенности композиционных материалов и получать точные контуры плоских разверток. На текущем этапе решается задача разработки инструментов пользователя и модели данных для КМ в отечественных САПР.

На данный момент отечественный рынок PLM представлен тремя основными вендорами — ЗАО «Топ Системы», ООО «АСКОН» и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» — с собственными CAD системами T-FLEX CAD, КОМПАС и САРУС.CAD соответственно. С точки зрения разработки модуля САПР КМ каждая из этих систем обладает своими плюсами и минусами в отношении уровня сложности обрабатываемой геометрии, наличия достаточного набора инструментов по работе с ней, уровнем поддержки со стороны вендора, полнотой открытых программных интерфейсов (API), поддерживаемыми операционными системами и пр.

В рамках исследования возможности реализации и оценки трудоемкости разработки САПР КМ совместно со специалистами ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», разработчиком платформы «Сарус», одна из версий прототипа ООО «НКК» была перенесена на САРУС.CAD, что подтвердило выполнение базовых требований для реализации модуля и наличие ключевых функций для дальнейшего развития САПР КМ на базе этой платформы.

Автор: Константин Куликов
Источник: https://isicad.ru/