Возможности современных систем автоматизированного проектирования для проведения прочностного анализа

№81-1,

технические науки

В статье рассмотрены возможности современных программных средств для проведения прочностного анализа различных конструкций, приведен обзор современных графических систем с модулями прочностного расчета.

Похожие материалы

В настоящее время системы автоматизированного проектирования быстро проникают в деятельность многих предприятий и проектных организаций, поднимая проектную работу на качественно новый уровень, при котором резко повышаются темпы и качество проектирования, более обоснованно решаются многие сложные инженерные задачи.

Работа над проектированием современного оборудования не ограничивается только процессом геометрического моделирования. В составе разрабатываемого проекта есть элементы, от прочности которых зависит очень много. В процессе проектирования часто бывает необходимо очень быстро дать техническую оценку таких элементов, сохраняя возможность оптимизировать конструкцию при помощи ассоциативной связи геометрической и расчетной модели. Поэтому производство конкурентоспособной продукции требует применения комплексного инженерного анализа. Разработчики всего мира усердно работают над созданием конструктивных решений, которые направлены на обеспечение статической прочности и жесткости, долговечности и устойчивости объектов.

В настоящее время прочностной анализ различных конструкций, деталей и узлов выполняется в одной из САПР (систем автоматизированного проектирования), имеющей модуль САЕ (Computer Aided Engineering) для инженерных расчетов, анализа и проверки проектных решений. CAE-анализ сегодня является одним из наиболее прогрессивных и популярных инструментов в проектировании, который позволяет отечественным производителям успешно конкурировать на мировом рынке. Модуль прочностного анализа имеют такие графические системы как КОМПАС-3D, SolidWorks, Ansys и т.п. [1].

Среди отечественных САПР наиболее популярен КОМПАС-3D, разработанный компанией АСКОН. Графическая система КОМПАС-3D и входящий в ее состав модуль прочностного расчета APM FEM представляют собой целостность возможностей по проектированию и анализу, которая обеспечивает ассоциативную связь с разрабатываемой геометрической моделью, а также общую библиотеку исходных материалов и единый интерфейс. Общий интерфейс гарантирует простоту работы с APM FEM [2].

Ещё одной особенностью данной CAE-системы является работа напрямую с геометрической моделью КОМПАС-3D, благодаря чему нет необходимости передавать 3D-данные через другие форматы и, в конечном итоге, серьёзно снизить вероятность ошибок.

В состав APM FEM входит множество инструментов, которые отвечают за различные фазы процесса разработки (подготовка к расчету, задания граничных нагрузок, средства визуализации расчетов и многое другое). Широкий функционал позволяет моделировать объект с комплексным анализам поведения расчетной модели в различных условиях.

Процесс расчета в АPM FEM основан на методе конечных элементов (МКЭ), который при расчете позволяет учесть малейшие особенности конструкции, а также условия, в которых она будет эксплуатироваться. Ассоциативная связь между расчетной и геометрической моделями обеспечивает синхронизацию процессов. При изменениях в геометрическую модель нужно всего только произвести перестроение сетки и повторить расчет.

Метод прочностного анализа APM FEM даёт возможность решать важные задачи, такие как статический расчет, расчет прочности сборок и устойчивости, а также термоупругости и стационарной теплопроводности. Динамический анализ применяется для определения формы и частоты собственных колебаний детали [3].

Таким образом именно APM FEM выступает в качестве простого и недорогого решения, которое является современным инструментом оценки прочности конструкции как в целом, так и отдельных её элементов.

Довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов является универсальная программная система конечно-элементного анализа Ansys, развивающаяся на протяжении последних 30 лет. Начинавшийся как система для внутреннего использования фирмы Westinghouse Electric (США), Ansys проник из своей «материнской» области, ядерной энергетики, во все области промышленности, завоевав доверие многих тысяч пользователей по всему миру. Такой успех достигнут на основании следующих важнейших отличительных особенностей:

  • это единственная конечно-элементная система с таким полным охватом явлений различной физической природы: прочность, теплофизика, гидрогазодинамика и электромагнетизм с возможностью решения связанных задач, объединяющих все перечисленные виды;
  • широчайшая интеграция и двухсторонний обмен данными со всеми CAD / CAE / CAM — системами;
  • открытость (то есть модифицируемость и дополняемость);
  • Ansys разработан и сертифицирован согласно международным стандартам ISO 9000 и ISO 9001
  • Ansys предоставляет уникальную по полноте и самую обширную по содержанию современную систему help на основе гипертекстового представления, доступ к которой осуществляется в интерактивном режиме online.

Препроцессор Ansys позволяет не только создавать геометрические модели собственными средствами, но импортировать уже готовые, созданные средствами CAD-систем. 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 подробности, достраивать определенные детали, проводить сгущение/разрежение сетки и другие важнейшие операции, без которых дальнейшее решение может быть совершенно некорректно или вообще окажется недостижимым. Построение поверхностей, твердотельной и каркасной геометрии и внесение изменений осуществляется средствами собственного геометрического моделера.

Система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения SolidWorks также удовлетворяет потребностям широкого круга пользователей в инструментах инженерного анализа. Она представляет собой инструментальную среду, предназначенную для автоматизации проектирования сложных изделий в машиностроении и в других областях промышленности. Эта среда носит название Simulation и содержит несколько уровней функциональности. Модуль прочностного анализа Simulation содержит следующие расчетные процедуры: расчет деталей и сборок произвольной сложности в линейной статической постановке; расчет собственных частот, форм потери устойчивости, модель многоцикловой усталости, тепловой анализ без учета движения среды, имитация падения и параметрическая оптимизация, в дополнение к статической модели — имитация сварных соединений; модели физически и геометрически нелинейных систем, динамический анализ в различных формулировках, в дополнение к статической модели — оболочки из многослойных композитов.

Системы инженерного анализа комплекса T-FLEX PLM — это программный комплекс для управления жизненным циклом изделий, разработанный еще одним из ведущих российских разработчиков систем автоматизации проектирования компанией «Топ Системы». В состав комплекса программ входят системы инженерного анализа, представленные продуктами T-FLEX Анализ и T-FLEX Динамика. Оба приложения встроены в T-FLEX CAD, что обеспечивает «бесшовную» интеграцию платформы и программных модулей. Используются единые принципы и элементы пользовательского интерфейса, схожие принципы работы с объектами расчетной модели. Это упрощает восприятие и позволяет пользователю без труда переключаться между интерфейсами программ. Используется единая геометрическая модель, данные о которой являются общими для обоих приложений, за счет этого обеспечивается полная ассоциативность расчетных данных с исходной моделью, проектировщик имеет возможность быстро перейти от конструкторской модели к расчетной и обратно.

T-FLEX Анализ — это среда для проведения инженерного анализа методом конечных элементов. Пользователь имеет возможность осуществлять моделирование распространенных физических явлений и решать важные практические задачи, возникающие в повседневной деятельности проектировщика.

Характеризуя назначение T-FLEХ Анализа и T-FLEX Динамики, следует отметить следующее:

  • программы предназначены в первую очередь для проектировщиков, которым требуется быстрая проверка гипотез, понимание тенденций в поведении конструкции либо проработка различных вариантов, например, на этапе эскизного проекта. Подобные задачи зачастую возникают спонтанно в процессе проектирования, а оперативная проверка вариантов специалистами-расчетчиками не всегда возможна;
  • системы T-FLEX идеально подходят для решения типовых задач, апробированных специалистами-расчетчиками, либо задач, предварительно отработанных по стандартным методикам.

Разработанный фирмой Autodesk (США) расчетный модуль Autodesk Nastran In-CAD не имеет собственного графического редактора, он интегрируется в CAD-системы Autodesk Inventor и Solidworks. Модуль встраивается в рабочий процесс, оптимизирует конструкторские разработки, помогает поддерживать высокий уровень производительности, предоставляя профессиональную платформу для расчета методом конечных элементов. Autodesk Nastran In-CAD предлагает мощную расчетно-аналитическую технологию, сохраняя при этом привычный набор инструментов, удобство в использовании, интеграцию и ассоциативность системы.

Расчетный модуль Autodesk Nastran характеризуется высокой точностью расчета линейных и нелинейных напряжений, динамических характеристик и теплопередачи конструкций и механических компонентов. Доступны несколько типов специальных расчетов, например расчет усталостной прочности, расчет МКЭ для высоких скоростей и сверхвысоких деформационных воздействий, а также расширенные методы расчета композиционных материалов. Autodesk Nastran In-CAD поддерживает большое количество разнообразных материалов с линейными и нелинейными свойствами, позволяя получить более точное представление о поведении изделий в реальных условиях эксплуатации.

В современном мире инженерное программное обеспечение стало неотъемлемой частью проектной деятельности. По перечню указанных выше программ можно видеть, что данное направление развивается очень динамично. В этом обзоре рассмотрены не все многочисленные программы с модулем прочностного анализа [4]. Они представлены на российском рынке как иностранными, так и отечественными производителями и решают широкий круг задач в своих областях.

Список литературы

  1. Легкова И.А., Зарубин В.П., Никитина С.А., Сычев С.А. Возможности современной компьютерной техники для проведения инженерных расчетов. Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов международной научно-практической конференции. Иваново: ИПСА ГПС МЧС России, 2016. С.265-267.
  2. Легкова И.А. Применение современной компьютерной техники для инженерных расчетов. НоваИнфо, №56. 2016. Т.1. С.51-55.
  3. Легкова И.А., Зарубин В.П., Бык Н.О., Оганин А.Г. Применение прочностного расчета конструкции в Компас-3D при подготовке специалистов пожарной охраны. Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов международной научно-практической конференции. Иваново: ИПСА ГПС МЧС России, 2017. С.496-499.
  4. https://studfiles.net/preview.