UM Expert для КОМПАС-3D

istory Общие сведения и функциональное назначение


Инструмент UM Expert для КОМПАС-3D представляет собой приложение, созданное для расширения стандартных возможностей САПР КОМПАС-3D и работающее в его среде. КОМПАС-3D – это система трехмерного проектирования, позволяющая выполнить полный цикл подготовки конструкторской документации. Модель изделия, созданная в КОМПАС-3D, представляет собой набор геометрических объектов, описание которых включает инерционные параметры – массу, моменты инерции, положение центра масс. Инструмент UM Expert позволяет сделать следующий шаг – исследовать кинематику и динамику движения изделия, если оно является механизмом.

Описание работы с UM Expert описано в следующем файле: https://universalmechanism.com/downloads/umexpert/manual/um_expert.pdf

Презентацию по возможностям UM Expert можно скачать по следующей ссылке: https://universalmechanism.com/downloads/umexpert/umexpert2026.zip

istory Получение пробной лицензии


Скачать инсталляцию плагина можно по ссылке: https://universalmechanism.com/downloads/umexpert/umexpert1.10.7.exe
Как получить пробную лицензию описано следующем файле: https://universalmechanism.com/downloads/umexpert/manual/um_expert_licensing.pdf

istory Графики


В результате моделирования динамики системы пользователь получает возможность исследовать анимацию процесса, траектории точек, вектора кинематических (скорости, ускорения точек, угловые скорости и ускорения тел…) и силовых (силы и их составляющие) величин, строить графики их зависимости от времени и между собой.

istory Статистика


Далее с помощью инструмента «Статистика» пользователь может исследовать графики выходных величин в частотной области, определить основные частоты в механической системе. Пример использования инструмента «Статистика» – модель одноцилиндрового двигателя (видео 4).

istory Контактное взаимодействие


Контактное взаимодействие в UM Expert реализуется в виде модели податливого контакта, при котором допускается внедрение контактирующих элементов одного тела в поверхность, связанной с другим телом. При возникновении внедрения считается, что произошёл факт контакта. В этом случае между телами появляются контактные силы: нормальная реакция – упругодиссипативно зависящая от глубины и скорости внедрения, и сила трения, лежащая в касательной плоскости контакта. Пример моделирования контактного взаимодействия – модель маятника (видео 2).

istory Упругие тела, раскраска


UM Expert позволяет включать в состав модели механической системы упругие тела, совершающие произвольные пространственные перемещения. Конечноэлементная модель упругого тела строится с использованием внешних программ МКЭ (FIDESYS, ANSYS, NASTRAN, ABAQUS). После создания конечно-элементной модели и выполнения необходимых расчетов, данные импортируются вдинамическую модель. UM Expert позволяет исследовать напряжённо-деформированное состояние (НДС) элементов и узлов упругого тела. Для исследования НДС есть возможность построения графиков напряжений и деформаций от времени, а также отображение упругого тела с раскраской, соответствующей тому или иному параметру НДС. Примеры моделирования динамики с учётом упругости отдельных тел – одноцилиндрового двигателя (видео 4), модель четырёхцилиндрового двигателя (видео 5).

istory Зубчатые передачи


Зубчатое зацепление реализовано в UM Expert в виде упрощенной модели контактного взаимодействия шестеренок в зацеплении. С помощью силового элемента данного типа можно моделировать цилиндрические передачи (как внешнего, так и внутреннего зацепления), конические передачи, реечные передачи. Все передачи моделируются с учетом возможного люфта, зазора между зубьями и податливости самой передачи, приведенной к контактной точке. Пример моделирования зубчатых передач – модель редуктора (видео 1).

istory Линейный анализ


Помимо моделирования динамики системы во временной области UM Expert позволяет исследовать поведение объекта в частотной области. Для этого предназначен инструмент «Линейный анализ». В инструменте реализованы алгоритмы поиска собственных частот и форм колебаний модели, поиск положения равновесия, построения амплитудно-частотных характеристик и корневых годографов и т.д. Пример использования иструмента «Линейный анализ» – модель одноцилиндрового двигателя (видео 3).

istory Примеры

 

  1. Редуктор
    Объект расчёта: тестовый пример – двухступенчатый цилиндрический редуктор.
    Цель расчёта: демонстрация моделирования динамики зубчатого зацепления. Режим старта двигателя.
    Исследуемые величины: угловые скорости входного, промежуточного и выходного валов редутора.
  2. Маятник
    Объект расчёта: тестовый пример – маятник с двумя сателлитами.
    Цель расчёта: демонстрация моделирования контактного взаимодействия.
    Исследуемые величины: векторы контактных сил, вектор минимального расстояния между сателлитом и основанием, график факта контакта сателлитов с основанием.
  3. Одноцилиндровый двигатель – линейный анализ
    Объект расчёта: тестовый пример – одноцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего сгорания.
    Цель расчёта: демонстрация моделирования в частотной области.
    Исследуемые величины: частоты и формы двигателя.
  4. Одноцилиндровый двигатель – моделирование динамики.
    Объект расчёта: тестовый пример – одноцилиндровый двигатель.
    Цель расчёта: демонстрация моделирования динамики двигателя с учётом упругости шатуна. Режим старта двигателя.
    Исследуемые величины: угловая скорость коленчатого вала, линейная скорость поршня, напряжённо-деформированное состояние шатуна, эквивалентные напряжения по критерию Мизеса в контрольных точках шатуна.
  5. Четырёхцилиндровый двигатель
    Объект расчёта: тестовый пример – четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.
    Цель расчёта: демонстрация моделирования динамики двигателя с учётом упругости коленчатого вала. Демонстрация работы пружин клапанов.
    Исследуемые величины: угловые скорости валов, линейные скорости поршней и клапанов, напряжённо-деформированное состояние коленчатого вала.
  6. Захватное устройство
    Объект расчёта: тестовый пример – захватное устройство.
    Цель расчёта: демонстрация моделирования динамики захватного устройства.
    Исследуемые величины: перемещение толкателя, угол поворота вала двигателя.
  7. Модель тележки грузового железнодорожного вагона
    В моделе реализована система клинового гашения вертикальных колебаний. Надрессорная балка тележки нагружается периодической вертикальной силой. На графике отображается зависимость силы в контакте клина и рамы тележки от вертикального перемещения надрессороной балки. Хорошо виден гистерезис, возникающий при таком нагружении. Площадь фигуры на графике равна рассеянной энергии в клиновой системе за один цикл нагружения.
    Объект расчёта: тестовый пример - тележка грузового железнодорожного вагона.
    Цель расчёта: демонстрация работы системы клинового гашения вертикальных колебаний. Надрессорная балка тележки нагружается периодической вертикальной силой.
    Исследуемые величины: зависимость силы в контакте клина и рамы тележки от вертикального перемещения надрессороной балки.
    Хорошо виден гистерезис, возникающий при таком нагружении. Площадь фигуры на графике равна рассеянной энергии в клиновой системе за один цикл нагружения.
  8. Модель кулачкового механизма
    Модель предназначена для демонстрации работы кулачкового механизма. Ручка механизма вращается с постоянной заданной угловой скоростью. Контакт кулачка и толкателя в модели выполнены двумя различными способами: 1) с помощью контакта по графическому образу (силовой элемент "Кулачок ГО") и 2) с помощью специальной силы типа "Кулачок" (одноимённый силовой элемент). На графике предсталена контактная сила в зависимости от времени. Первая половина моделирования (примерно до 9 с) проводится с включённой силой "Кулачок" (синий график и вектор силы). Затем сила "Кулачок" отключается и включается "Кулачок ГО" (красный график и вектор силы). Как видно из графика, результат моделиорования практически не зависит от выбора модели контактной силы. Использование силового контактного элемента по графическому образу приводит к появлению "мелкой пилы" на графике силы и уменьшению скорости расчёта.
    Объект расчёта: тестовый пример - кулачковый механизм.
    Цель расчёта: демонстрация работы кулачкового механизма. Ручка механизма вращается с постоянной заданной угловой скоростью. Контакт кулачка и толкателя в модели выполнены двумя различными способами:
    1) с помощью контакта по графическому образу (силовой элемент "Кулачок ГО").
    2) с помощью специальной силы типа "Кулачок" (одноимённый силовой элемент).
    Исследуемые величины: контактная сила в зависимости от времени. Первая половина моделирования (примерно до 9 с) проводится с включённой силой "Кулачок" (синий график и вектор силы). Затем сила "Кулачок" отключается и включается "Кулачок ГО" (красный график и вектор силы). Как видно из графика, результат моделиорования практически не зависит от выбора модели контактной силы. Использование силового контактного элемента по графическому образу приводит к появлению "мелкой пилы" на графике силы и уменьшению скорости расчёта.
  9. Клапан и распределительный вал
    Модель демонстритует работу клапана двигателя внутреннего сгорания под действием вращения распределительного вала. Вал вращается с заданной постоянной угловой скоростью, заданной параметром omega. Клапан движется поступательно вдоль своей оси. Клапан предварительно поджат пружиной. В данно модели пружина моделируется двумя альтернативными силовыми элементами: биполярным (bFrc Пружина) и специальным типа "Пружина" (Пружина). Между клапаном и распределительным валом есть кулачковое контактное взаимодействие. Оно моделируется двумя альтернативными силовыми элементами: специальной силой типа "Кулачок" (Кулачок) и контактной силой по графическому образу (CFrc Поршень_Распредвал). На графиках представлены зависимости силы прижатия пружины (Н) и контактной силы (Н) от времени моделирования (с). В первой части моделиорования пружину моделирует биполярная сила (bFrc Пружина), а контакт специальная сила (Кулачок). Далее эти силы выключаются и включаются: специальная сила (Пружина) и контактная сила по графическому образу (CFrc Поршень_Распредвал). Из графиков видно, что при замене сил на альтернативные, моделирование не изменяется ни качественно ни количественно, за исключением появление высокочастотных составляющих в контактной силе по графическому образу. Стоит отметить, что сила по графическому образу в большинстве задач может применяться исключительно для анализа движения в целом, и не для исследования величин контактных сил.
    Объект расчёта: тестовый пример - клапан и распределительный вал.
    Цель расчёта: демонстрация работы клапана двигателя внутреннего сгорания под действием вращения распределительного вала. Вал вращается с заданной постоянной угловой скоростью, заданной параметром omega. Клапан движется поступательно вдоль своей оси. Клапан предварительно поджат пружиной. В данно модели пружина моделируется двумя альтернативными силовыми элементами: биполярным (bFrc Пружина) и специальным типа "Пружина" (Пружина). Между клапаном и распределительным валом есть кулачковое контактное взаимодействие. Оно моделируется двумя альтернативными силовыми элементами: специальной силой типа "Кулачок" (Кулачок) и контактной силой по графическому образу (CFrc Поршень_Распредвал).
    Исследуемые величины: зависимости силы прижатия пружины (Н) и контактной силы (Н) от времени моделирования (с). В первой части моделиорования пружину моделирует биполярная сила (bFrc Пружина), а контакт специальная сила (Кулачок). Далее эти силы выключаются и включаются: специальная сила (Пружина) и контактная сила по графическому образу (CFrc Поршень_Распредвал). Из графиков видно, что при замене сил на альтернативные, моделирование не изменяется ни качественно ни количественно, за исключением появление высокочастотных составляющих в контактной силе по графическому образу. Стоит отметить, что сила по графическому образу в большинстве задач может применяться исключительно для анализа движения в целом, и не для исследования величин контактных сил.
  10. Модель карданного вала
    Модель презназначена для демонстрации передачи вращения с входного вала на выходной через карданный. Входному валу задана начальная скорость 10 рад/с. На графике виды зависимости угловых скоростей входного (пурпурный цвет), карданного (синий цвет) и выходного (красный) валов. Угловые скорости входного и выходного валов накладываются друг на друга. Из графика также видно, что угловая скорость карданного вала изменяется более неравномерно во времени, чем у входного и выходного валов. Это происходит из-за геометрических особенностей карданной передачи.
    Объект расчёта: тестовый пример - система валов с карданным валом.
    Цель расчёта: демонстрация передачи вращения с входного вала на выходной через карданный. Входному валу задана начальная скорость 10 рад/с.
    Исследуемые величины: зависимости угловых скоростей входного (пурпурный цвет), карданного (синий цвет) и выходного (красный) валов от времени. Угловые скорости входного и выходного валов накладываются друг на друга. Из графика также видно, что угловая скорость карданного вала изменяется более неравномерно во времени, чем у входного и выходного валов. Это происходит из-за геометрических особенностей карданной передачи.
  11. Захват робота манипулятора
    Модель создана как пример использования полигональных контактных силовых элементов. Модель состоит из 5 деталей: приводного вала, двух шестерёнок и двух пальцев. Ведущий вал совершает гармонические вращательные колебания с заданными параметрами. Вращательное движение приводного вала передаётся на шестерёнки с помощью червяных передач. Далее вращательное движение шестерёнок передаётся на пальцы через соответствующие реечные передачи. Все передачи моделируются с помощью полигональных контактных силовых элементов.
    Объект расчёта: тестовый пример - захват робота манипулятора.
    Цель расчёта: демонстрация использования полигональных контактных силовых элементов. Модель состоит из 5 деталей: приводного вала, двух шестерёнок и двух пальцев. Ведущий вал совершает гармонические вращательные колебания с заданными параметрами. Вращательное движение приводного вала передаётся на шестерёнки с помощью червяных передач. Далее вращательное движение шестерёнок передаётся на пальцы через соответствующие реечные передачи. Все передачи моделируются с помощью полигональных контактных силовых элементов.
  12. Реечная прередача
    Модель состоит из одной зубчатой пары. Вращательное движение шестерёнки задано гармонической функцией времени. На графике представлены: угловая скорость шестерни (рад/с) и линейная скорость рейки (м/с). Цвет графика совпадает с цветом соответствующей детали.
    Объект расчёта: тестовый пример - реечная прередача.
    Цель расчёта: демонстрация работы зубчатой передачи. Модель состоит из одной зубчатой пары. Вращательное движение шестерёнки задано гармонической функцией времени.
    Исследуемые величины: угловая скорость шестерни (рад/с) и линейная скорость рейки (м/с). Цвет графика совпадает с цветом соответствующей детали.
  13. Коническая прямозубая зубчатая передача
    Модель состоит из одной зубчатой пары. На шестерню действует постоянный момент сил, заданный параметром torque = 1 Н*м. На колесо действует момент сил вязкого трения с заданным коеффициентом d_resistance = 0,5 Н*м*с/рад. На графике представлены зависимости угловых скоростей шестерни и колеса в рад/с от времени моделирования, с. Цвет каждого графика соответствует цвету зубчатого колеса. Отрицательная угловая скорость соответствует вращению шестерёнки по часовой стрелке относительно её оси.
    Объект расчёта: тестовый пример - коническая прямозубая зубчатая передача.
    Цель расчёта: демонстрация работы зубчатой передачи. Модель состоит из одной зубчатой пары. На шестерню действует постоянный момент сил, заданный параметром torque = 1 Н*м. На колесо действует момент сил вязкого трения с заданным коеффициентом d_resistance = 0,5 Н*м*с/рад.
    Исследуемые величины: зависимости угловых скоростей шестерни и колеса в рад/с от времени моделирования, с. Цвет каждого графика соответствует цвету зубчатого колеса. Отрицательная угловая скорость соответствует вращению шестерёнки по часовой стрелке относительно её оси.