Возможности российских систем инженерного анализа

ПРОДУКТЫ

На примере программы APM Structure3D

Владимир Шелофаст, Елена Стайнова

Наша промышленность сможет увеличить долю на внутреннем и внешнем рынках только в том случае, если предприятиям удастся повысить качество выпускаемой продукции. Важную роль в этом играет инженерный анализ, который проводится на этапе создания продукции.

Что же следует понимать под инженерным анализом? Это широкое понятие, включающее расчеты на прочность, жесткость, долговечность и устойчивость конструкций, определение частот собственных колебаний и динамических характеристик создаваемого оборудования в условиях действия вынуждающих силовых факторов. Кроме того, в инженерной практике приходится решать задачи термоупругости, пластичности, течения жидкости и газа, тепловые и множество других более узких проблем. Такие расчеты позволяют повышать прочность конструкций, сокращать их вес и энергетические потребности, а следовательно, минимизировать начальную стоимость продукции и затраты на ее эксплуатацию. Ведь не случайно на рынке сейчас невозможно найти продукт с международной торговой маркой, разработанный без использования систем инженерного анализа, методов оптимизации и других инструментальных средств.

К сожалению, в России процесс внедрения инструментов инженерного анализа (Computer-Aided Engineering, CAE) явно затянулся и пока находится в начальной стадии. Причин для отставания несколько, но главной, на наш взгляд, является почти полное отсутствие на российском рынке отечественного программного обеспечения такого рода. Правда, у нас представлены известные зарубежные CAE-системы, предназначенные для конечно-элементного (КЭ) анализа (NASTRAN, ANSYS, COSMOS, MARC), а также для описания кинематики и динамики больших перемещений (ADAMS и др.). Но они не локализованы и весьма дороги, что, несомненно, представляет существенное препятствие для их продвижения на нашем рынке. Впрочем, высокая стоимость вполне оправданна, так как разработка CAE-продуктов требует немалых затрат. Такие системы наукоемки, и для их создания необходимы знания не только в области программирования, но и в сфере математического моделирования, численных методов, теории упругости, динамики, теплопередачи и т. п.

Первые ласточки

Тем не менее, отечественные CAE-системы начинают появляться. Так, компания "НТЦ АПМ" (www.apm.ru) в 1998 г. выпустила систему КЭ-анализа APM Structure3D, которая к настоящему времени прошла длинный путь развития. Она является составной частью отечественного программного продукта APM WinMachine, но может использоваться и самостоятельно*1. Ее популярности в области машиностроения и строительства способствуют русскоязычный интерфейс и документация, а также гораздо более низкая стоимость, чем у западных аналогов. И хотя по количеству решаемых задач APM Structure3D уступает западным системам, ее возможностей в большинстве случаев достаточно для основной массы практических работ. Так, на сегодняшний день APM Structure3D позволяет рассчитать:

- значения напряжений и деформаций в любой точке конструкции с учетом как внешних нагружений, так и собственного веса каждого элемента;

- запас устойчивости конструкции при ее сжатии и формы потери устойчивости;

- собственные формы и значения частот колебаний, а также соответствующие этим формам резонансные частоты;

- параметры вынужденных колебаний при произвольном изменении внешних силовых факторов;

- температурные поля и термонапряжения.

_____

*1 Следует отметить, что APM Structure3D - не единственная отечественная CAE-система. Например, программу для КЭ-анализа также предлагает компания "Топ Системы", а для газо- и гидродинамики - фирма "Тесис". - Прим. ред.

Все эти расчеты выполняются как для линейных, так и для нелинейных задач (последние подразумевают учет геометрической и физической нелинейности). В следующей версии, которая должна выйти в середине мая текущего года, появится модуль расчета кинематики, динамики и кинетостатики механизмов и упругих тел, по тематике решаемых вопросов близкий к системе ADAMS.

Как работает APM Structure3D

Подготовка модели. Объекты для КЭ-анализа обычно представляются в виде стержней произвольного поперечного сечения, гибких нитей, пластин и оболочек, твердотельных моделей и их произвольных комбинаций. Это позволяет рассчитать все многообразие строительных и машиностроительных конструкций и их элементов. Например, на рис. 1 показана стержневая модель строительной конструкции. Такую твердотельную модель можно создать либо в модуле APM Structure3D с помощью встроенных функций, либо посредством разработанного в "НТЦ АПМ" редактора трехмерного моделирования APM Studio. Возможен импорт трехмерных моделей из других САПР через формат обмена STEP.

Рис. 1. Модель несущей конструкции спортивного комплекса в Нижневартовске

Методы расчета. Главным образом в APM Structure3D используется метод КЭ, но при необходимости применяются и другие методы строительной механики. Число конечных элементов для разбиения сечений стержней и, следовательно, длительность времени расчета устанавливаются пользователем. Общее количество конечных элементов ограничено лишь возможностями имеющейся в вашем распоряжении компьютерной техники.

Для создания твердотельных и оболочечных элементов в модуле APM Studio имеется специализированный генератор автоматического разбиения на конечные элементы, с помощью которого можно также задать условия закрепления и нагружения. Кроме того, стержни разбиваются на конечные элементы в автоматическом режиме с помощью встроенного генератора разбиения. При этом создаваемая КЭ-сетка в зависимости от топологии модели может быть либо равномерной, либо адаптивной. В последнем случае размер конечного элемента определяется геометрией детали. В местах большой кривизны размерность конечного элемента уменьшается автоматически (рис. 2).

Рис. 2. Результат работы автоматического генератора КЭ-сетки в режиме адаптивного разбиения

После построения КЭ-сетки необходимо решить систему уравнений, которые формируются в результате КЭ-анализа. Они решаются разными методами. В текущей версии системы реализовано два из них. Критерием применимости того или иного метода может быть только корректность полученных с его помощью результатов расчета. Возникает резонный вопрос: как проверить правильность работы APM Structure3D? Для этого на этапе создания системы проектировщики постоянно выполняли параллельные аналитические и численные вычисления в таких известных CAE-пакетах, как NASTRAN и ANSYS. Сейчас мы готовы утверждать, что результаты расчета в APM Structure3D полностью согласуются с результатами, полученными в известных зарубежных аналогах.

Специализированный интерфейс. Для эффективной реализации расчетных и графических процедур в модуле APM Structure3D предусмотрен интерфейс, который включает:

- графический редактор задания конструкций как комбинаций из стержней, гибких нитей, пластин и твердотельных элементов;

- визуализатор пространственного представления модели;

- редактор задания плоских сечений стержневых элементов;

- редактор задания нагрузок, условий закрепления и механических характеристик составляющих конструкцию элементов;

- визуализатор результатов расчета.

К элементам конструкции могут быть приложены различные виды силовых факторов. Реализована возможность работы с различными нагружениями и их комбинациями, что важно при проектировании строительных конструкций. Интерфейсная часть, предназначенная для демонстрации результатов расчета, проста и удобна, а главное, сильно облегчает анализ полученных результатов и способствует принятию правильных решений (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Расчет собственных частот модели вагона электропоезда на Демиховском машиностроительном заводе

Рис. 4. Результат расчета устойчивости модели козлового крана, спроектированного в Научно-производственной фирме по проектированию и реконструкции кранов (г. Узловая Тульской обл.)

Дополнительные средства. В APM Structure3D входит библиотека стандартных профилей и базы данных по материалам и их характеристикам. Для задания произвольных нестандартных сечений (включая и многосвязные) и редактирования существующих предусмотрен специализированный редактор. Имеется постпроцессор, который позволяет выполнить визуализацию напряженно-деформированного состояния модели, распределения тепловых полей и напряжений в любом текущем сечении любого стержневого элемента, действия силовых факторов и деформаций (линейных и угловых) в узловых точках, графиков функций (описывающих законы моментов изгиба и кручения, напряжений и деформаций, поперечных сил и т. п. по длине любого из стержней).

Пользователь может получать результат расчета напряжений как в форме эквивалентного напряжения, так и в виде его осевых компонентов. То же самое касается и деформаций: в качестве результата расчета выводятся как результирующие деформации, так и их составляющие по различным осям координат и углы поворота сечений.

Таким образом, APM Structure3D позволяет проектировать конструкции, близкие к равнопрочным по критериям прочности, жесткости, устойчивости и вибрационной активности. Подбор поперечных сечений можно выполнить и в автоматическом режиме. Для строителей готовится к выходу версия, включающая расчет железобетонных конструкций.

С авторами статьи, сотрудниками компании "НТЦ АПМ", можно связаться по адресу: com@apm.ru.