Процесс компьютерного проектирования

Широкое внедрение компьютерного проектирования, которое произошло в России, прежде всего коснулось оформления графической документации. Однако многие существенные для компьютерного проектирования вопросы анализа различных параметров многочисленных разновидностей машин, механизмов, конструкций и по сей день недостаточно проработаны, что неизбежно приводит к принятию недостаточно продуманных и просчитанных решений, сказывается на качестве выпускаемой предприятиями продукции. А выпуск относительно недорогой высококачественной продукции в современных условиях возможен только при использовании компьютерных систем расчета и анализа мирового уровня. Компьютерные продукты такого назначения принято называть CAE (computer aided engineering)-системам и.

По своему назначению САЕ-системы весьма разнообразны. Среди них можно выделить продукцию программного обеспечения, пользующуюся большим спросом и широко представленную как на мировом, так и на российском рынке. К подобной продукции относятся и инструменты конечноэлементного анализа (FEM — finite element method).

Программные средства позволяют решать задачи расчета изделий на прочность и жесткость, теплового анализа, обеспечения безвихревого течения жидкости, расчета напряжений электростатических полей и многие другие. Хотя перечисленные здесь задачи различны по своей физической природе, все их можно описать структурно подобными системами уравнений. Структурное подобие позволяет решать все перечисленные задачи одними методами с точностью до произвольных постоянных.

Например, Г. Герцу, специалисту по электростатическим полям, благодаря этому обстоятельству удалось успешно решить ряд задач механики твердого деформированного тела. Оказалось, что электростатические ноля ведут себя так же, как и ноля напряжений в контактах твердых тел. Задача контактного взаимодействия таких тел получила название задачи Герца^[1]. К сожалению, приходится констатировать, что на рынке конечно-элементных систем пока еще нет полноценных российских аналогов известных западных продуктов, работающих в этой области не один десяток лет.

Задача конечно-элементного анализа может рассматриваться как набор из четырех независимых задач:

• 1) геометрическое представление трехмерного объекта;
• 2) разбивка полученного объекта на конечные элементы;
• 3) расчет объекта, смоделированного в виде совокупности конечных элементов, при помощи соответствующего вычислительного средства (решателя);
• 4) просмотр и оценка полученных в результате решения результатов расчета.

Для оценки результатов довольно часто используют постпроцессорвизуализатор, который также можно представить в виде отдельного продукта (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Пример визуализация модели.

Итак, для полноценного применения конечно-элементного пакета одного решателя недостаточно. Необходимы еще и трехмерная графика, и специализированные компьютерные программы. Проведение инженерных расчетов — комплексная задача, требующая наличия множества современных программных инструментов. Перечислим ряд систем конечно-элементного анализа западного производства, представленных и на российском рынке. Это Nastran, Cosmos, ANSYS и др. Кроме того, конечно-элементные решения, как правило, присутствуют и в системах сквозного проектирования (CAD/CAE/CAM), вот некоторые из них: Pro/Engineer, CATIA,.

Unigraphics. С помощью современных CAE-систем можно решить широкий круг задач. Помимо перечисленных выше это, например, актуальная задача определения некоторых параметров оборудования, которые в дальнейшем можно использовать для анализа и оптимизации конструкции.

Метод конечных элементов применим также к большому числу технологических задач, например к задачам теплопередачи при охлаждении литейных форм, нелинейного пластического деформирования при штамповке и ковке, пластического деформирования при обработке металлов резанием и многим другим. Некоторые из этих задач особенно важны для проектирования высококачественных изделий. Прежде всего это задачи, относящиеся к кинематическому и динамическому анализу машин и конструкций. Что касается кинематики механизмов, то можно отметить, что примерно 60% мирового рынка обслуживает система ADEMS, которую не следует путать с российской С/Ш/СЛМ-системой ADEM, у нее совсем другое назначение.

Учет собственных колебаний конструктивов систем, расчеты динамических параметров в условиях действия внешних нагрузок можно выполнить с использованием пакетов конечно-элементного анализа, они позволяют решать также и задачи динамического анализа. Отечественные производители начали заниматься этими проблемами много позже своих западных коллег и, что еще более важно, в совершенно иных финансовых условиях, чем эти коллеги. Кроме того, С4?-системы менее распространены, так как решают более узкий круг задач и, значит, количество их потенциальных пользователей существенно меньше, чем пользователей С/Ш-пакетов. В то же время разработка таких программных продуктов требует высочайшей квалификации и поэтому обходится довольно дорого.

Решения в этой области наукоемки, по уровню предъявляемых к ним требований близки к диссертационным работам. По этой причине российский рынок САЕ-систем недостаточно богат. Но, хотя разработчиков САЕ-систем в России немного и сделано ими меньше, чем зарубежными производителями, созданные отечественные программные средства можно успешно использовать для расчетов и анализа. Например, хороший решатель конечно-элементных задач сделан в системе ИСПА. Из продуктов динамического анализа можно также отмстить неплохую российскую разработку, известную под названием EULER.

Компания SolidWorks (США) с самого своего основания поставила задачу обеспечения удобства работы пользователей, это условие считалось в компании первоочередным, даже по отношению к функциональности. Благодаря такому подходу система сохраняет индивидуальность решений и имеет базу для развития в будущем. Оригинальность и даже остроумность многих решений находятся в гармонии с самой идеей процесса проектирования, основанного на твердотельной параметрической модели.

Принцип построения в программе проектирования, выпущенной компанией SolidWorks иод своим же именем и включающей в свой состав множество подпрограмм (не менее 140), исходно отличается от традиционно используемых. Сохраняется не жесткая геометрия проектируемого элемента, а сам принцип его построения. Размеры и взаимосвязи между элементами (касательность, параллельность, концентричность и др.) приобретаюг в процессе проектирования особое значение. Они являются исходными данными для точного построения конструкции. Реальное построение фактически определяется ходом конструкторской мысли.

Современные системы проектирования должны не только быстро создавать твердотельные модели, но и позволять вносить в них необходимые изменения, которые не могли быть предсказаны заранее, и отслеживать их по всем этапам создания проекта. Чтобы конструктор мог успешно двигаться вперед, быстро приходить к окончательным решениям, он должен быть гарантирован от необходимости перестраивать модель в будущем или же быть твердо уверенным в наличии такой возможности. Иначе без достаточно точной формализации исходного задания или без достаточно полной проработки обстановки смежниками, ведущими конструкторами проектирование может не дать ожидаемых результатов. Не только наличие той или иной функциональности, но и свобода в выборе текущей стратегии и действиях может гарантировать свободу творчества. А наличие самой возможности внесения улучшений в проект до самого последнего момента работы над ним способствует достижению более высокое качества проекта, напрямую влияет на его конкурентоспособность. Средства, предоставляемые системой SolidWorks, позволяют считать ее системой для проектирования, ориентированной на конструктора, эта система является непосредственным участником и помощником специалисту-проектировщику в творческом процессе проектирования.

Одним из передовых и универсальных пакетов конечно-элементного анализа является пакет программ Cosmos/M. Его использование позволяет реализовать следующие задачи:

• • создание геометрических моделей, причем как отдельных деталей, так и сборок;
• • конечно-элементное представление геометрических моделей для последующего анализа;
• • современные способы визуализации геометрических объектов и результатов решения.

Возможности Cosmos/M Basic по проведению анализа следующие.

Статический анализ: обширная библиотека 1Д 2D и 3D конечных элементов; моделирование изотропных, ортотропных и анизотропных материалов; учет зависимости свойств материалов от температуры; решение линейных контактных задач; ограничения, задаваемые в точках и в виде аналитических зависимостей.

Частотный анализ: расчет собственных частот и соответствующих форм с учетом начального напряженного состояния.

Устойчивость: определение форм потери устойчивости и критических сил с учетом начального напряженного состояния.

Термический анализ: расчет кондуктивного теплообмена с условиями на границе в виде радиационного излучения и конвективного теплообмена для изотропных, ортотропных и композиционных материалов; учет зависимости теплофизических свойств материалов от температуры; нестационарный теплообмен с граничными условиями, зависящими от времени; зависимость коэффициента конвективного теплообмена от температуры.

• [1] См.: Сакало В. И., Сакало А. В. Пределы применимости решения Герца для контактнойзадачи // Вестник Брянского Государственного технического университета. 2015. № 2 (46).С. 66−70.