Особенности универсальных пакетов анализа

Основные задачи систем инженерного анализа в машиностроении

Из анализа типичных проблем, встающих перед инженером в процессе проектирования, можно выделить следующие основные задачи систем инженерного анализа (Computer Aided Engineering, CAE) в машиностроении:

– моделирование поведения сложных конструкций в процессе эксплуатации, причем на ранних стадиях проектирования. Важность этой задачи определяется тем, что до 85% от общего времени создания и стоимости разработки определяется именно на ранних стадиях разработки;

– анализ и оптимизация конструкции деталей сложной формы или со сложными условиями нагружения. При традиционном проектировании эти задачи пытаются решать по упрощенным формулам, принимая заведомо завышенные коэффициенты запаса, что приводит к существенному повышению ресурсоемкости изделия;

– анализ причин появления производственных и эксплуатационных дефектов;

– автоматизация натурных испытаний.

Для решения этих задач можно условно выделить следующие основные группы модулей САЕ:

– универсальные программы анализа;

– специализированные программы анализа;

– программы анализа систем управления;

– модули поддержки автоматизации испытаний.

Системы инженерного анализа могут применяться как на стадиях проектирования и оптимизации отдельных элементов изделия, так и на этапах проведения «вычислительного эксперимента» с разработанным изделием. При проведении «вычислительного эксперимента» моделируется поведение разрабатываемого изделия в процессе эксплуатации с широким варьированием входных воздействий. В идеале «вычислительный эксперимент» призван сократить количество натурных экспериментов до одного, а в некоторых случаях и полностью заменить их.

Универсальные программы анализа

Математической основой универсальных программ анализа является расчет методом ко­нечных элементов (МКЭ, FEM – Finite Element Method). Суть метода состоит в том, что тело сложной формы разбивают на множество маленьких элементов простой формы. Для пластины это могут быть плоские треугольники, для объема – пирамидки и т.д. Между собой элементы соединяются только в вершинах (правильнее, узлах). При разбиении тела на конечные элементы их границы выглядят как сеть, охватывающая тело (рисунок 1). Поэтому процедуру создания набора конечных элементов, аппроксимирующих заданное тело, называют созданием сетки конечных элементов.

В узлах получившейся сетки конечных элементов прикладывают нагрузку (например, силу или тепловой поток), а также закрепления (например, запрет на перемещение или поворот данного узла). Затем, вместо того, чтобы решать одну сложную задачу для тела сложной формы, решают простую задачу для каждого из множества элементов простой формы и суммируют результаты. Чем на большее число конечных элементов разбито тело, тем более точны результаты расчета МКЭ. Результаты расчетов обычно представляется в виде деформации и раскрашивания исходной модели.

Расчеты, проводимых с использованием универсальных МКЭ-пакеты, можно классифицировать в первую очередь по виду поля (распределению значений моделируемого параметра в исследуемой области):

1) механические – определяется распределение напряжений и деформаций в твердом теле;

2) тепловые – определяется распределение температур;

3) гидро- и газодинамические – определяется распределение скоростей и давлений в потоке жидкости или газа.

4) акустические – определяется параметры звукового поля в избранном объеме;

5) электромагнитные – определяется параметры электромагнитного поля, например, напряженность для радиодиапазона или освещенность для излучения в оптическом диапазоне.

На сегодня фактическим стандартом универсальных программ анализа для расчетов в области машиностроения являются пакеты программ двух американских фирм – ANSYS (www.ansys.ru, примерно 25% рынка в области машиностроения) и MSC.Software Corporation (www.mscsoftware.ru семейство программ NASTRAN, ADAMS и т.д.; более 60% рынка).

Рисунок 1 – Конечно–элементная модель

Особенности универсальных пакетов анализа

Спектр задач, решаемых универсальными пакетами, практически не ограничен – от моделирования подъема АПЛ «Курск» до попадания птицы в двигатель самолета, от столкновения судов или автомобилей до задач моделирования штамповки, ковки и других технологических процессов. Решение столь широкого круга задач обеспечивают две ключевые особенности универсальных пакетов:

1. возможность решения смешанных (сопряженных, multi-physics) задач, когда одновременно рассчитывается воздействие на конструкцию сразу нескольких взаимозависимых физических полей (механических, тепловых, электромагнитных и т.д.);

2. наличие максимально полного набора модулей для решения особо сложных или специфичных для различных отраслей задач.

В качестве примера сопряженной задачи определим, какую форму примет травинка, помещенная в ручей. При обтекании травинки потоком воды возникает гидродинамическая сила, которая старается ее изогнуть. Если травинка изогнется, то на нее станет действовать уже меньшая гидродинамическая сила. Под действием упругости стебель травинки должен был бы выпрямиться. Но при этом увеличится сила воздействия потока воды на травинку и т.д. Найти положение, которое в конечном счете примет травинка, или параметры ее колебаний в потоке воды можно, только одновременно решая гидродинамическую (обтекание травинки жидкостью) и механическую (изгиб под действием заданных сил) задачу.

Другим примером сопряженного расчета могут служить моделирование колебаний ротора мощной электромашины. При деформации ротора изменяется зазор между ротором и статором. Изменение зазора, в свою очередь, изменяет напряженность электромагнитного поля в зазоре. В результате изменяются механические силы, действующие на ротор машины. Ротор деформируется и, в свою очередь, изменяет зазор, и так далее. Таким образом, определить амплитуду и форму колебаний ротора возможно, только одновременно решая две взаимозависимые задачи: электромагнитную и механическую.

Необходимость решения сопряженных задач может возникнуть при проектировании самых обыденных вещей. Например, для оптимизации конструкции современного электрочайника, в принципе, необходим взаимосвязанный расчет гидродинамического, теплового и акустического поля в нестационарном режиме, с учетом испарения воды со свободной поверхности.