Инженерный анализ в машиностроении

Выше уже упоминалось, что построение пространственной геометрической модели проектируемого изделия является центральной задачей компьютерного проектирования. Именно эта модель используется для дальнейшего решения задач формирования чертежно-конструкторской документации и т.д. Кроме того, эта модель передается в САЕ-системы и используется там для проведения инженерных исследований.

Функции САЕ-систем связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. Средства CAE могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических расчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Программы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей. Следует заметить, что исследоваться могут не только проектируемые изделия или детали, но и проектируемые технологические процессы, например процесс горячей штамповки, гибки, литья из пластмассы и т.д.

Достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизация и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам CAE) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко используется метод конечных элементов (МКЭ). Первоначально МКЭ применялся главным образом в строительной механике. Однако вскоре стало ясно, что он имеет более широкую область применения. С его помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля и т.д.

На рис.10 приведены некоторые элементы, которые могут присутствовать в библиотеке конечно-элементного пакета. Необходимо отметить, что выбор элементов определяется областью задачи, ее типом, а также конкретным пакетом анализа.

Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (рис.11). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы рассчитывается на основе математических уравнений. Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение объекта в целом. При этом результаты компьютерного моделирования могут быть представлены в виде таблиц, графиков или в виде реалистичных изображений положений и состояний объектов в разные моменты времени и при различных условиях (нагрузках, температурных режимах и т.д.) (рис. 12). Например, объемная модель раскрашивается разными цветами в соответствии с текущими значениями температур в каждой точке детали.

Рис.10

Рис.11

В результате проведенных исследований оптимизируются соответствующие прочностные или тепловые характеристики, повышается ресурс и долговечность объекта.