1.3Обзор аналогов
1.3.1MSC/NASTRAN
MSC/NASTRAN для Windows – это система инженерных расчётов, основанная на методе конечных элементов. Пакет разработан специалистами фирмы MacNeal Schwendler Corporation (США) на базе широко известной одноимённой системы для UNIX.
Геометрические модели для MSC/NASTRAN можно как формировать с помощью внутреннего препроцессора системы, так и импортировать из любой другой CAD-системы. MSC/NASTRAN для Windows имеет прямой интерфейс с системой твёрдотельного параметрического моделирования SolidWorks. Кроме того, система может работать с готовыми конечно-элементными моделями, которые были созданы с помощью других систем инженерных расчётов и затем переданы в MSC/NASTRAN.
Система имеет модульную архитектуру, и конкретная конфигурация может быть определена отдельно для каждого пользователя. При этом, для работы с любым из дополнительных модулей необходимо иметь базовый модуль Basic Analysis, который позволяет проводить следующие виды расчётов:
-
Линейные статические расчёты. Анализ напряжений и перемещений под воздействием как физических, так и тепловых нагрузок;
-
Расчёт собственных частот и форм колебаний;
-
Определение продольного изгиба для центрально нагруженного стержня.
Модули Advanced Analysis расширяют возможности базового модуля и позволяют проводить нелинейный и динамический анализ, а также тепловой расчёт.
Модуль нелинейного анализа (Nonlinear Analysis) позволяет решать статические и динамические задачи с учётом физической и геометрической нелинейности.
Рассматриваются следующие виды физической нелинейности (нелинейные свойства материалов):
-
Пластичность (для малых деформаций);
-
Условия текучести по Мизесу и Треска;
-
Условия текучести Мора-Кулона и Друкера-Прагера;
-
Изотропное, кинематическое и комбинированное упрочнение;
-
Билинейный и многоточечный (табличный) методы задания кривых зависимости напряжений от деформаций.
-
Гиперупругие свойства (для больших деформаций);
-
Нелинейная упругость (для малых деформаций);
-
Термоупругость;
-
Вязкоупругость (ползучесть);
-
Вязкоупругость с учётом пластичности.
-
Геометрическая нелинейность:
-
Большие перемещения и большие углы поворота (модифицированный лагранжиан);
-
Большие деформации (полный лагранжиан для гиперупругих материалов);
-
Анализ потери устойчивости (прощёлкивание);
-
Следящие нагрузки.
-
Модуль расчёта теплопередачи (Heat Transfer) решает следующие задачи:
-
Линейное и/или нелинейное установившееся состояние;
-
Линейные и/или нелинейные переходные процессы;
-
Простой переход к расчёту температурных деформаций и напряжений.
Модуль динамического анализа (Dynamic Response) предназначен для решения задач исследования напряжённо-деформированного состояния конструкций, которые подвержены воздействию нагрузок, изменяющихся в зависимости от времени или частоты.
Полностью интегрированная в MSC/NASTRAN для Windows система CFDesign решает задачи гидрогазодинамики, включая ламинарные и турбулентные течения жидкости и газа с возможностью расчёта процессов теплопередачи.
В начале 1998 года фирма MacNeal Schwendler Corporation выпустила “облегченный” модуль MSC/InСheck, полностью интегрированный с пакетом SolidWorks (работающий как встроенное приложение) и предназначенный специально для конструкторов, работающих с SolidWorks, но не обладающих глубокими теоретическими знаниями в области расчетов методом конечных элементов.
1.3.2ANSYS
ANSYS входит в число лидирующих комплексов вот уже более 30 лет. Первоначально, являясь внутренней разработкой фирмы Westinchaus Electric, программа выросла до ведущего конечно-элементного пакета, проникнув из своей «материнской» области - ядерной энергетики - во все отрасли промышленности. Среди множества конечно-элементных программных комплексов, ANSYS первый разработанный и сертифицированный согласно международным стандартам качества ISO 9000 и ISO 9001. Отличительными особенностями ANSYS являются широчайший охват явлений различной физической природы и открытость, т.е. модифицируемость и дополняемость.
Ярким примером открытости могут служить разработанные испанской фирмой Ingiciber SA и шведской Anker-Zemer AB специализированные модули, расширяющие возможности стандартного пакета на задачи механики строительных конструкций и гидрогазодинамики в гранично-элементной постановке (акустика, флаттер и т.д.) соответственно.
Препроцессор ANSYS позволяет, как создавать геометрические модели собственными средствами, так и импортировать уже готовые. Надо отметить, что геометрическая модель в дальнейшем может быть модифицирована любым образом, поскольку при импорте осуществляется перетрансляция данных в геометрический формат ANSYS и деталь не подменяется «неприкасаемой» конечно-элементной сеткой. Пользователь может удалять несущественные мелкие детали, достраивать определенные детали, проводить сгущение-разрежение сетки и другие важнейшие операции, без которых, порой, дальнейшее решение будет совершенно некорректно или вообще не сможет быть достигнуто. Построение поверхностной, твердотельной и каркасной геометрий, и внесение изменений осуществляется средствами собственного геометрического модельера.
ANSYS позволяет решать задачи прочности, теплофизики, гидрогазодинамики, электромагнетизма совместно с расчетом усталостных характеристик и процедурами оптимизации. Единая система команд и единая база данных полностью исключает трудности интеграции и взаимного обмена между указанными сферами. Более того, путем использования в программе специализированных конечных элементов, имеющих помимо перемещений и поворотов в узлах, также степени свободы по температуре, напряжению и др. и переключения типа элемента (например, с электромагнитного на прочностной) реализованы большие возможности проведения связанного анализа.
ANSYS предоставляет уникальную по полноте и самую обширную (объемом более 130Мб текста и 45 Мб примеров) современную систему HELP на основе гипертекстового представления, доступ к которой осуществляется в интерактивном on-line режиме.
В результате многолетнего сотрудничества фирм ANSYS. и LSTC в программу включен модуль LS-DYNA - полностью интегрированная в среду ANSYS всемирно известная программа для высоконелинейных расчетов. Соединение в одной программной оболочке традиционных методов решения с обращением матриц и математического аппарата программы LS-DYNA, содержащей специализированные контактные алгоритмы, множество моделей материалов и использующей явный метод интегрирования, позволяет переходить с неявного на явный метод решения и наоборот.
Описанный подход объединяет преимущества обоих методов и позволяет численно моделировать процессы формования материалов, анализа аварийных столкновений (например, автомобилей) и ударов при конечных деформациях, нелинейном поведении материала и контактном взаимодействии большого числа тел. С использованием этой функции перехода могут быть решены задачи динамического поведения предварительно напряженных конструкций (попадание птицы в преднапряженную турбину двигателя, сейсмический анализ сооружений, нагруженных, например, собственным весом и т.д.) и задачи исследования разгрузки конструкций, подвергнутых большим деформациям (упругое пружинение тонкого штампованного листа и т.д.).
Согласно отзывам пользователей ANSYS, более 80% из них постоянно используют нелинейные возможности программы.
В состав ANSYS входят:
-
Мощный встроенный геометрический препроцессор, позволяющий создавать сложные расчетные модели (твердотельные, оболочечные и балочные) в самой среде ANSYS без использования CAD-систем, а также корректировать полученные из CAD-систем модели. Препроцессор выполняет булевы операции с геометрическими примитивами, находит пересечения сложных геометрических поверхностей и объемов, позволяет объединять, складывать, склеивать, модифицировать геометрические примитивы. Эта возможность существенно повышает производительность расчетчика, позволяя ему получать от конструктора модели в различных форматах и доводить их до требований расчетных моделей.
-
В распоряжении расчетчика имеется библиотека конечных элементов, самая обширная для систем этого класса и содержащая в своем составе более 100 элементов, предназначенных для решения статических и динамических задач прочности в линейной и нелинейной постановках, а также задач теплофизики, теории поля, гидрогазодинамики в различных постановках.
-
Набор мощных решателей, самых быстрых из имеющихся на рынке, с рекомендациями по применению. Этот набор позволяет охватить весь спектр встречающихся на практике случаев и сравнить результаты с использованием различных методов решения.
-
Средства визуализации и обработки результатов расчета, позволяющие не только просмотреть и оценить полученные результаты в виде цветных статических и анимационных изображений, но и создавать файлы формата *.avi, пригодные для показа в любой программе мультимедиа. Имеются отличные возможности для удобного создания отчетов.
-
Средства связи со всеми известными CAD-системами - AutoCAD, MicroStation, Unigraphics, Pro/Engineer и др. Эти возможности подразумевают не только обмен данными на уровне. Имеются версии ANSYS, встроенные в CAD-системы и позволяющие проводить расчет и оптимизацию непосредственно в среде CAD-систем самим конструктором.
-
Средства связи со всеми известными системами CAE (ADAMS и др.)
В состав ANSYS в качестве дополнительных могут включаться:
-
модули, ориентированные на строительные конструкции (CivilFEM),
-
LS-DYNA - всемирно признанный комплекс, предназначенный для расчета задач с существенными нелинейностями типа удара двух автомобилей, штамповки, пробития препятствий, расчета нелинейных колебаний систем, частично заполненных жидкостью и др.,
-
LinFLOW - модуль для решения задач газодинамики в гранично-элементной постановке - флаттер, акустика и др.
1.3.3SAMCEF
Многофункциональный CAE-продукт Samcef разработан международной компанией SAMTECH (Бельгия), основанной на базе Лаборатории аэрокосмических технологий Льежского университета. Собственная команда разработчиков SAMTECH насчитывает более 150 специалистов высокой квалификации. Это позволило создать уникальный программный комплекс, выполняющий множество самых сложных расчетов качественно, с минимальной погрешностью и точной визуализацией результатов.
Первоначально этот продукт разрабатывался для аэрокосмической промышленности. В настоящее время Samcef успешно применяется мировыми лидерами в этой области, а также крупнейшими предприятиями электротехнической промышленности, судостроения, атомного машиностроения, автомобильного и железнодорожного транспорта.
Типы расчетов, выполняемых продуктами SAMTECH
В числе пользователей Samcef — крупнейшие международные предприятия:
Авиакосмической промышленности — EADS-LV, EADS AIRBUS, EADS-CCR, EUROCOPTER, SNECMA, SNECMA-DMF, MESSIER DOWTY, MTU, HUREL DUBOIS, HISPANO, LATECOИRE, CRYOSPACE, ALTAL, SABCA, SONACA, TECHSPACE AERO, ESTEC, ASC, BOEING HELICOPTER, DASA, IBERESPACIO, BOMBARDIER AEROSPACE, FIAT AVIO, ALENIA AERO.
Автомобилестроения — PSA, RENAULT, FORD, VALEO, DAIMLER-CHRYSLER, AUDI, LOHR, VW, DELPHI AUTOMOTIVE SYSTEMS, FIAT AUTO, RENAULT SPORT, TUC RAIL, ALSTOM, ADTRANZ.
Энергетического машиностроения — EDF, ABB, ENEL, SCHNEIDER, GE ENERGY PRODUCT, ALSTOM, SEHV.
Общего машиностроения — PICANOL, MAK, SOLAC, PONT-а-MOUSSON, GLABERBEL, COMAU/RENAULT AUTOMATION.
Военно-промышленного комплекса — AEROSPATIALE MATRA MISSILE, FNNH, GIAT INDUSTRIES, CAP, DCN, DGA.
Научно-исследовательские центры — CNRS/IN2P3, ONERA, CEA DAPNIA.
Официальным партнером SAMTECH в России является компания «Диал Инжиниринг». Продукт Samcef используется на таких отечественных предприятиях, как ГУП «Завод им. В.Я.Климова», КБ «Арсенал» им. Фрунзе, «Мотовилихинские заводы» (г.Пермь).
Samcef имеет модульную структуру. Уникальность этого программного комплекса определяется возможностью решить максимально широкий спектр аналитических и расчетных задач, применяя один-единственный продукт. В итоге использование Samcef позволяет предприятию получить все расчеты, необходимые в процессе проектирования изделий.
Определение первой собственной частоты печатной платы
Кратко перечислим задачи, выполняемые Samcef (в скобках указано, какой модуль производит указанные вычисления):
-
статический линейный анализ (ASEF);
-
статический линейный анализ тел с циклической геометрией (HELIOS);
-
анализ композиционных материалов в задачах линейного и нелинейного статического анализа (COMPOSITES);
-
линейный статический анализ задач, решаемых в рядах Фурье (FOURIER);
-
оценка устойчивости конструкции, расчет критических нагрузок (STABI);
-
определение собственных частот конструкции (DYNAM). (Рассмотрим в качестве примера проверочный расчет собственной частоты печатной платы, выполненный специалистами «Диал Инжиниринг». На этой печатной плате расположено большое количество присоединенных масс, оказывающих влияние на величину собственной частоты. Расчет подтвердил возможность использования подобного конструктивного решения в рабочем диапазоне частот прибора.):
-
анализ динамических линейных задач теории упругости (REPDYN);
-
нелинейный статический и динамический анализ механики деформируемого твердого тела, анализ задач механики разрушения, учитывающий геометрические и физические нелинейности, в том числе анализ проблем для неклассических материалов (упругопластических, вязкоупругих, вязкопластических, ортотропных, высокоэластических и др.) (MECANO/STRUCTURE);
-
анализ кинематики и динамики механизмов с упругими звеньями (MECANO/MOTION);
-
анализ кабельных структур, подвергнутых электродинамическому воздействию (MECANO/CABLE);
-
анализ работы ротора, расчет критических скоростей, стационарных и переходных режимов для конструкций, содержащих вращающиеся части (ROTOR-T);
-
расчет случайных вибраций (SPECTRAL ANALYSIS);
-
анализ тепловых задач для двухмерных и осесимметричных тел в условиях протекания химических реакций и фазовых превращений с учетом изменения характеристик среды (AMARYLLIS);
-
расчет электростатических и электродинамических полей (ISABEL);
-
линейный и нелинейный анализ тепловых задач — как термостатики, так и термодинамики, включая анализ излучения (THERNL).
В программный комплекс Samcef также включены разработанные совместно с крупнейшими международными предприятиями приложения для решения специальных задач аэрокосмической промышленности:
Расчет эквивалентных напряжений по четвертой теории прочности
-
задачи механики усталостного разрушения и долговечности (SAFE, разработан при участии компании EADS Airbus);
-
воздействие молнии на вертолеты (FOUDRE, разработан совместно с EUROCOPTER);
-
анализ заклепочных соединений и композитных материалов для самолетов (BOLT, разработан совместно с BOEING);
-
проектирование и оптимизация турбинных лопаток (AUBAGE, разработан совместно со SNECMA);
-
конструирование подстанций (HVS, разработан при участии SCHNEIDER);
-
быстрый анализ параметризованных моделей (QUICKSIZER, совместно с EADS Airbus).
Все расчетные модули связаны с единым графическим пре- и постпроцессором BACON, задачей которого являются подготовка модели для расчетов и визуализация результатов расчетов. BACON считывает геометрические данные о конструкции из CAD-систем с помощью различных интерфейсов и позволяет создать сетку конечных элементов.
Особое внимание следует уделить продуктам, предназначенным для решения сложнейших расчетных задач. Это Mecano (широкий спектр нелинейных расчетов), Samcef Explicit (анализ динамических задач высочайшей степени сложности), а также Boos Quattro (оптимизация математических моделей из других систем) и замечательный пре/постпроцессор Samcef Field, который предельно упрощает обмен информацией с внешними CAD- и CAE-системами.
Mecano — нелинейный анализ. Мощный CAE-продукт Mecano предназначен для решения задач нелинейного анализа практически любой сложности. Это нелинейный анализ структур, механизмов с упругими звеньями, кабельных структур, подвергнутых электродинамическому воздействию, нелинейных материалов, больших деформаций, контактные задачи. Продукт имеет модульную структуру.
Mecano содержит полную библиотеку однослойных и многослойных элементов (балки, мембраны, оболочки, объемы) и позволяет моделировать все типы структур и сил. Эти элементы учитывают геометрические нелинейности и практически все разновидности поведения материала (упругий, высокоэластический, упругопластический, вязкоупругий, композитный). При этом пользователь может применять в работе с MECANO не только материалы и элементы, имеющиеся в библиотеке, но и вводить собственные.
Mecano предлагает широкий набор жестких и упругих кинематических соединений, а также более специфические элементы, которые позволяют моделировать все стандартные механизмы. Имеется набор специальных типов элементов.
Модель подвески Peugeot 406, подготовленная для расчета в Mecano/MOTION
Методики расчетов, применяемые в Mecano, дают уникальную возможность быстрого решения систем уравнений, наилучшим образом используя память машины и место на диске. Благодаря этому системе удается выполнить расчет очень сложных задач. Ряд алгоритмов Mecano автоматически формирует шаг вычисления по времени, освобождая от этой работы пользователя.
Принятая формулировка уравнений движения позволяет производить непрерывную последовательность расчетов (статический, кинематический, динамический), объединяя их в цепь.
Продукт может также выполнять анализ взаимодействия упругого тела с упругим или жестким. Существует возможность учета возникающего при этом трения.
Анализ больших премещений в MECANO/STRUCTURE
Mecano применяется не только как самостоятельный продукт, но и в качестве модуля Samcef, работая совместно с другими модулями (как линейными, так и нелинейными). Например, в сочетании с температурным модулем он позволяет учесть изменение температурного поля.
Фирмой Samtech разработан также специализированный продукт для анализа, оптимизации и улучшения математических моделей различными методами — Boss Quatro. Главная особенность этой системы — возможность анализировать модели, подготовленные в самых различных внешних системах, например в Excel.
Boss Quatro позволяет определять оптимальные параметры модели, применяя для этого несколько различных методов оптимизации (Монте-Карло, планирование эксперимента и др.). Благодаря этому пользователь может подобрать метод, наиболее подходящий для решения задачи.
Модуль имеет открытую архитектуру и создает дополнительные возможности для работы с приложениями.
Для решения проблемы обмена информацией с другими программами создан универсальный пре/постпроцессор Samcef Field, который способен также решать линейные статические задачи, механические и тепловые задачи. Модуль предоставляет пользователю возможность задания граничных условий и нагрузок непосредственно на геометрии тела. Модуль располагает широкими возможностями редактирования сетки.
Samcef Field предлагает создание или импортирование CAD-моделей, автоматическую генерацию сетки, возможность визуализации результатов расчетов, в том числе импортированных из других пакетов.
Этот модуль может импортировать из CAD-программ графические файлы в универсальных форматах STEP, IGES, BREP, а также в формате EUCLID 3 и CATIA. Он может импортировать сетки элементов в форматах ANSYS, NASTRAN и IDEAS. Рассмотрим модель, импортированную из CAD-системы thinkdesign (think3) в формате IGES. На ней можно задать граничные условия, нагрузки, затем построить сетку конечных элементов и отправить ее в любой другой модуль Samcef. Там выполняется решение задачи, а файл, содержащий результаты, импортируется обратно в Samcef Field, где происходит просмотр результатов.
Пример импорта геометрии из CAD-системы в Samcef
|
Просмотр импортированных результатов
|
Программный комплекс Samcef обладает редким сочетанием универсальности — за счет широкого спектра функциональных возможностей, с уникальностью решаемых задач, а также благодаря наличию специализированных продуктов-модулей. При этом качество и скорость производимых вычислений соответствуют самым строгим требованиям мировых лидеров промышленного производства. Компания SAMTECH сертифицирована по международной системе ISO 9000, и ее продукт также имеет сертификат. Опыт использования программного комплекса Samcef позволяет говорить об эффективности применения этого продукта.
1.3.4COSMOS
Рассмотрим семейство программных продуктов, разрабатываемых корпорацией SolidWorks и объединенных общим названием COSMOS.
Семейство COSMOS содержит большое количество модулей для решения различных инженерных задач. Классификация этих программ по их функциональным возможностям и целевому назначению:
Структура программного комплекса SolidWorks/COSMOS
Это решатели, необходимые для прочнистов и конструкторов; модули, применяемые специалистами в области гидрогазодинамики, и наконец, программы, позволяющие рассчитывать кинематику и динамику механизмов. Такие, казалось бы, разные задачи объединены единым информационным полем SolidWorks, который используется в качестве пре- и постпроцессора. Для решения расчетных задач нет необходимости транслировать данные, не нужно выходить из программной оболочки SolidWorks — достаточно подключить востребованный модуль и провести расчет.
Рассмотрим более подробно базовые возможности SolidWorks на примере специализированного модуля — COSMOSWorks.
Базовые возможности SolidWorks.
Начиная с 2002 года в базовый конструкторский пакет SolidWorks включена специальная функция экспресс-анализа прочности деталей — COSMOSXpress. Благодаря ей можно быстро и качественно оценить работоспособность конструкции, определить напряженно-деформированное состояние деталей, созданных в SolidWorks или импортированных из других систем. Функция COSMOSXpress прежде всего ориентирована на инженеров, не являющихся специалистами в области прочностных расчетов. Вследствие этого работа с программой организована с использованием Мастера проведения расчета, который помогает пользователю на всех этапах расчета и анализа результатов. При неправильном или неполном вводе исходных данных COSMOSXpress подскажет пользователю, где ошибка и как ее исправить.
Пример вывода результатов в COSMOSXpress
Мастер проведения расчета COSMOSXpress
Результатами проводимого линейного статического анализа являются эпюры эквивалентных напряжений, перемещений узлов и распределения запасов прочности. Полученные в COSMOSXpress результаты можно сохранить в видеофайл (*.avi) или в интерактивном формате eDrawings. Это позволяет передать данные, например, предметному специалисту для проверки или отослать их заказчику. При этом для просмотра данных достаточно иметь компьютер с установленной ОС Windows, а установка SolidWorks или COSMOS не требуется.
Результаты расчета, преданные из COSMOSXpress
в eDrawings, и пример создания комментариев
|
Дополнительные сопряжения SolidWorks расширяют возможности по проектированию механизмов
|
Данные (начальные условия и результаты) из COSMOSXpress в автоматическом режиме передаются в COSMOSWorks, где можно их отредактировать или провести более сложный расчет.
Наряду с функцией прочностного анализа в стандартную поставку SolidWorks входят опции, позволяющие провести качественный анализ работы механизмов. Помимо стандартных и хорошо известных условий сопряжения существует возможность определять специальные взаимосвязи. К ним можно отнести сопряжения типа «кулачок» и «передаточное отношение», указание минимальных и максимальных расстояний между объектами.
Для механизмов, в которых имеются сложные соприкасающиеся поверхности, можно использовать опцию физической динамики. С помощью этой функции можно также моделировать различные ударно-приводные механизмы.
Однако вышеперечисленные базовые возможности САПР SolidWorks, наряду с простотой использования, имеют и функциональные ограничения. Для решения более сложных задач возникает необходимость применения профессиональных расчетных комплексов. Рассмотрим программы семейства COSMOS и примеры решения с их помощью конкретных задач.
COSMOSWorks является одним из лучших решений в области прочностных расчетов, реализованных в интерфейсе SolidWorks. Поскольку работа осуществляется в едином информационном пространстве с SolidWorks, исключается необходимость использовать какие-либо трансляторы для экспорта геометрии. Это обеспечивает отсутствие ошибок в геометрии и, как следствие, в конечно-элементной модели. Изменение геометрической модели автоматически отслеживается в COSMOSWorks. Русификация интерфейса облегчает освоение системы пользователями. Большое количество справочных пособий, учебных примеров и документации также увеличивает эффективность работы с системой.
Модуль COSMOSWorks 2005 позволяет решать следующие задачи:
• линейный статический анализ;
• определение собственных форм и частот колебаний;
• расчет критических сил потери устойчивости;
• тепловой анализ;
• статический анализ в нелинейной постановке задачи;
• расчет долговечности конструкции;
• расчет падения конструкции на абсолютно жесткую поверхность;
• оптимизация параметров конструкции.
Рассмотрим эти задачи более подробно на конкретном примере. При определении напряженно-деформированного состояния системы наиболее часто используется линейная постановка при неизменных нагрузках (линейная статика). COSMOSWorks, в отличие от COSMOSXpress, позволяет работать как с деталями, так и со сборками. При этом для сборочных узлов существует возможность применять различные типы контактных условий, то обеспечивает проведение того или иного вида анализа с различной точностью.
Поддержка конфигураций SolidWorks позволяет более гибко подходить к процессу проведения численных испытаний. Дополнительно в 2005-й версии стало возможным сравнивать результаты, полученные в COSMOSWorks, и данные реального физического эксперимента. Таким образом, можно корректировать расчетную модель для увеличения достоверности результатов.
Широкий спектр граничных условий и нагрузок COSMOSWorks разрешает пользователю моделировать практически любую ситуацию.
Общий вид изделия
|
Пример указания граничных условий и нагрузок в COSMOSWorks
|
Стандартные действия по ограничению степеней свободы объединены в группы, описанные общетехническими терминами. Интеллектуальная система селектирования объектов автоматически предлагает пользователю наиболее рациональное граничное условие. В COSMOSWorks можно определить различные виды нагружения, начиная от стандартных для всех систем (силы, моменты, распределенные нагрузки, как постоянные, так и переменные)и заканчивая специальными. Ко второй группе можно отнести контактную нагрузку в паре «вал—отверстие»; учет осей, шпилек, болтов без их наличия в расчетной модели. Причем для болтового соединения можно учитывать усилие затяжки, что дает более точный результат.
В COSMOSWorks представлены различные типы конечных элементов, в том числе оболочечные и объемные элементы. Таким образом, для расчета тонкостенных конструкций можно использовать оболочечные элементы, что сократит вычислительные потребности при сохранении точности расчета. По умолчанию генерация конечно-элементной сетки идет в автоматическом режиме. К тому же пользователь может управлять не только настройками генератора, но и вручную указывать области, в которых необходимо достигнуть более высокого разрешения конечно-элементной сеткой.
Несколько слов о библиотеке материалов. Пользователь может применять как библиотеку материалов SolidWorks, так и свои собственные материалы COSMOSWorks. Если в детали или в сборке указаны физико-механические характеристики, то они будут автоматически добавлены в расчетную модель. Существует и возможность добавлять свои или редактировать существующие материалы с помощью специальной утилиты или на лету.
В библиотеке COSMOSWorks можно задать материалы с изотропными, анизотропными, гиперупругими и нелинейными упругими свойствами. Для решения задач в пластической зоне имеются соответствующие модели материалов. Особенностью библиотеки является то, что пользователь может также воспользоваться специальным Web-ресурсом MatWeb, который содержит характеристики более 50 тыс. различных материалов.
Результатом прочностного анализа являются напряжения (эквивалентные, главные, нормальные и касательные), деформации и перемещения, реакции, запасы прочности. Любую из характеристик можно оценить в виде цветовых полей, построить эпюры или создать отчет.
Эквивалентные напряжения, перемещения и запасы прочности
Еще одной важной задачей, которую необходимо решить, является определение критических сил потери устойчивости системы, работающей на сжатие. Часто, особенно в тонкостенных конструкциях, данный вид расчета является определяющим при выборе геометрических размеров. COSMOSWorks позволяет рассчитать как общую, так и местную потерю устойчивости. В результате пользователь получает суммарный коэффициент запаса по потере устойчивости и ее форму.
Форма потери устойчивости стойки шасси
Снижение веса конструкции, увеличение критических сил потери устойчивости и т.д. являются важнейшими задачами при создании современной техники. В COSMOSWorks имеется специализированный модуль для создания оптимальных конструкций. При решении этой задачи необходимо определить целевую функцию (масса, объем, частота и др.), для которой будет определяться минимум или максимум, проектные переменные (размеры, определенные в SolidWorks) и граничные условия (например, верхний и нижний пределы эквивалентных напряжений). В ходе расчета COSMOSWorks определит оптимальные размеры конструкции на заданном пространстве ограничений. Таким образом, в SolidWorks будет существовать два варианта модели — начальный и оптимальный. Конструктору останется только округлить размеры.
В COSMOSWorks 2005 появились два новых решателя. Один из них рассчитывает долговечность, определяет повреждаемость конструкции и т.д., а другой позволяет решить задачу падения объекта на абсолютно жесткую поверхность, при этом пользователю достаточно выбрать высоту и скорость/ускорение падения. В результате расчета определяется напряженно-деформированное состояние конструкции как в момент удара, так и после него.
Данные, определенные в COSMOSWorks, не являются закрытыми. Конечно-элементную сетку, нагрузки, граничные условия и т.д. можно передать в наиболее распространенные CAE-системы: Nastran (*.dat), ANSYS (*.ans), IDEAS (*.unv) и др.
1.3.5Учебная CAE-система Sigma.
1.3.5.1Назначение программного комплекса
Программный комплекс Sigma позволяет решить задачу расчета напряженно-деформированного состояния пластины, нагруженной в своей плоскости. Эта задача часто возникает как самостоятельно, так и как подзадача в процессе расчета более сложных объектов. Напряженно-деформированное состояние пластины – это состояние, при котором плоскую однородную пластину закрепляют и нагружают определенным способом. При этом происходит деформация пластины, возможно, ее разрушение.
Пластина в напряженно-деформированном состоянии
На рисунке представлен пример пластины, находящейся в напряженно- деформированном состоянии. По одной стороне она закреплена, по двум другим приложены распределенные нагрузки. Также для пластины задается ее толщина, свойства материала, из которого она изготовлена, ее размеры.
1.3.5.2Структура программного комплекса
мим
Программный комплекс Sigma состоит из двух основных частей, «Основной модуль комплекса» и «Расчетный блок», и набора дополнительных модулей, представленных в виде плагинов.
Основной модуль комплекса – связующее звено между расчетным блоком и плагинами. Основная его функция – организовать интерфейс взаимодействия расчетного блока с плагинами, отвечающими за ввод данных в систему и отображение результатов расчета. Второстепенная цель – организовать работу с проектом и его составными частями.
Расчетный блок – это программа, написанная на языке программирования Фортран. Этот блок состоит из нескольких подпрограмм, каждая из которых четко отвечает за определенную часть расчета. Например, одна подпрограмма отвечает за разбивку пластины на конечные элементы, другая - за расчет напряжений в пластине, третья определяет перемещения узлов под действием нагрузок. По завершению работы всех составляющих расчетного блока, формируется файл с отчетом о результатах расчета.
Принципиальная схема расчетного блока
1.3.5.3Основные возможности системы.
-
Работа с проектом
Реализованы все необходимые функции работы с проектом, такие как:
-
Открытие / Закрытие / Создание / Сохранение.
-
Добавление / Удаление / Изменение списка файлов.
Работа с проектом
-
Создание и редактирование геометрической модели пластины.
Создание формы исследуемой пластины происходит в интерактивном режиме. Вначале пользователю предлагается создать зону из 8 узлов. Поочередно задаются координаты необходимых узлов, затем при необходимости создается следующая зона. Таким образом, исследуемая пластина будет сформирована из восьмиузловых взаимосвязанных зон. Уже на данном этапе пользователю дают возможность указать, где в дальнейшем будет необходимо сгущение сетки КЭ. Форма записывается в бинарный файл соответствующего формата (*.sfm).
Построение модели пластины
На данном этапе проект полностью создан и может быть выполнена компиляция проекта. Если один или несколько присоединенных к проекту файлов содержит программные ошибки, то после компиляции откроется редактор файлов, где пользователю будет дана возможность исправить допущенные ошибки:
Редактор файлов
По завершению этапа компиляции, появляется возможность произвести расчет, учитывая основные параметры, которые можно задать, используя форму «Основные параметры»:
Основные параметры
Так изменением параметра NRC можно регулировать количество КЭ, которые будут использованы для построения сетки КЭ. Так же есть возможность установить параметры материала, из которого сделана исследуемая пластина.
После расчета появляется возможность увидеть графическое представление результатов наложения сетки КЭ, приложения сил и закреплений.
Графическое представление деформированного состояния пластины.
На рисунке отображены зоны повышенного напряжения, видна деформация пластины под действием приложенных сил.
Так же в системе существует модуль импортирования/экспортирования как модели, так и созданной сетки КЭ, всех закреплений и нагружений в другие CAD/CAM/CAE системы, такие как MSC/NASTRAN, ANSYS, AutoCAD.
Таким образом, учебная CAE система Sigma предоставляет весь необходимый функционал для пользователя, а также позволяет студентам изучать из изменять устройство расчетного блока.
|
