Возможности отечественных систем инженерного анализа (CAE)

В.В. Шелофаст,
д.т.н., проф., VVShelofast@apm.ru,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва,
В.С. Прокопов,
к.т.н, рук. отд. прод., com@apm.ru,
Вадим В. Шелофаст,
техн. дир., com@apm.ru,
С.М. Розинский,
рук. отд. прод., com@apm.ru,
ООО НТЦ «АПМ», г. Королёв

Представлена краткая информация об отечественном CAE-продукте, который состоит из отдельных расчётных систем, предназначенных для выполнения инженерного анализа в области механики твердых деформируемых тел, теплопередачи, механики жидкости и газа, электродинамики, механики проектирования и других. Все продукты объединены единым интерфейсом, позволяющим решать смешенные задачи. Разработанная программная среда достойно конкурирует с зарубежными аналогами, такими как ANSYS, Nastran и т.п. Это пример успешного импортозамещения. Программные продукты прошли процедуру тестирования и получили сертификаты соответствия Ростехнадзора. При разработке программ реализованы процедуры параллельного программирования, операции работы с большими матрицами, программное и аппаратное ускорение расчётов и другие методы организации вычислительных процедур.

 

Brief information about the domestic CAE-product that consists of separate modules intended to perform engineering analysis in the field of mechanics of solids, heat transfer, gas and fluid mechanics, electrodynamics, machine elements design and others. All products have a single user interface to solve multiphysical problems. The developed software competes with foreign analogues such as ANSYS, Nastran etc. This is an example of successful import substitution. Software products have passed testing procedure and received certificates of Federal Environmental, Industrial and Nuclear Supervision Service of Russia (ROSTECHNADZOR). Parallel programming procedures, operations dealing with large matrices, software and hardware acceleration of calculations and other computational methods have been implemented.

Введение

Современные компьютерные методы во многом универсальны и способны решать задачи инженерного анализа для различных разделов инженерных дисциплин. Одним из наиболее универсальных численных методов, который можно эффективно использовать для решения инженерных проблем, является метод конечных элементов. Именно этот метод лег в основу разработки по созданию комплексной CAE-системы, объединившей решения физически различных проблем. Общей целью данной работы является создание инструментов инженерного анализа для машиностроения, приборостроения, и строительной отрасли. В результате выполненных исследований и разработки ПО создана среда CAE-продуктов компанией НТЦ «АПМ». В разработке отдельных разделов принимал участие МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Объединяющим продуктом в цепочке CAE-систем является APM Multphysics.

1. APM Multphysics

Процессы проектирования новых изделий тесно связаны с моделированием ряда физических процессов, таких как теплопередача, электромагнитные взаимодействия, течение жидкости и газа и т.д. Весьма актуально проведение мультифизических расчётов, которые сочетают анализ физических явлений и механическими характеристиками   конструкций.

Расчёты температурных полей проводятся для стационарных и нестационарных режимов теплопередачи и теплообмена (рис. 1). При этом могут быть заданы все необходимые начальные и граничные условия, точечные или объемные источники тепла, тепловые потоки, конвекция и излучение.

Рис. 1. Фрагмент термо-напряженного состояния теплообменника

С помощью APM Multiphysics можно моделировать электротехническое оборудование и средства связи и выполнять различные виды анализа характеристик электромагнитного поля. Расчёты выполняются для стационарных и нестационарных режимов. Основными типами расчётов являются: электростатический, расчёт поля постоянных токов, магнитостатический, нестационарный электромагнитный и высокочастотный модальный анализ.

При необходимости возможно моделирование электрических цепей произвольной топологии. При этом доступен статический и гармонический анализ и анализ переходных процессов. Расчёты выполняются для стационарных, установившихся гармонических и нестационарных режимов.

Анализ течения жидкостей и газов позволяет получить пространственные кинематические, динамические и энергетические характеристики потоков, с различными граничными условиями и физическими свойствами.

Также возможности продукта позволяют проектировать механическое оборудование и его элементы (детали машин общего назначения) с использованием инженерных методик,  выполнять проектировочные и проверочные расчёты узлов соединений, проводить анализ напряженно-деформированного состояния, а также анализ устойчивости и собственных частот, (с помощью МКЭ), трехмерных объектов любой сложности при произвольном закреплении, статическом или динамическом нагружении, создавать документацию в соответствии с ЕСКД, использовать при проектировании базы данных стандартных изделий и материалов.

Для более подробного изложения представим отдельные продукты самостоятельно.

2. APM WinMachine

CAE-система автоматизированного расчёта и проектирования механического оборудования и конструкций в области машиностроения, разработанная с учетом последних достижений в вычислительной математике, области численных методов и программирования, а также теоретических и экспериментальных инженерных решений. Эта система в полном объеме учитывает требования государственных стандартов и правил, относящихся как к оформлению конструкторской документации, так и к расчётным алгоритмам.

Основными задачи, решаемые в системе APM WinMachine:

·           Проектировочные и проверочные расчёты деталей машин (механические передачи, валы и оси, подшипники качения и скольжения, упругие элементы машин, кулачковые механизмы, передачи поступательного движения);

·           Кинематический и динамический анализ рычажных механизмов;

·           Подготовка моделей к конечно-элементному анализу, генерация сеток конечных элементов;

·           Анализ напряженно-деформированного состояния, устойчивости, собственной и вынужденной динамики, стационарной и нестационарной теплопроводности;

·           Расчёт соединений элементов конструкций (резьбовые, сварные, заклепочные, соединения тел вращения).

3. APM StructFEM

Продукт позволяет проводить анализ напряженно-деформированного состояния (с помощью метода конечных элементов) трехмерных объектов любой сложности при произвольном закреплении, статическом или динамическом нагружении (рис. 2, 3).

Рис. 2. Напряжённое состояние металлоконструкции автобуса

Рис. 3. Модель, карта напряженного состояния, и конечно-элементная сетка смесителя

Инструменты конечно-элементного анализа позволяют подготовить к расчёту модель конструкции с использованием балочных, пластинчатых и твердотельных конечных элементов. Конечно-элементная сетка может быть построена автоматически или вручную.

Основные возможности:

·           Линейный статический расчёт (распределение напряжений и их составляющих, линейных и угловых перемещений, деформаций, внутренних усилий, коэффициентов запаса по текучести и прочности материала, коэффициенты запаса и числа циклов по критерию усталостной прочности).

·           Расчёт устойчивости (определение коэффициентов запаса и форм потери устойчивости).

·           Расчёт собственных частот (определение частот колебаний и собственных форм).

·           Нелинейный расчёт (учёт геометрической и физической нелинейности, контактное взаимодействие, моделирование процесса нагрузки и разгрузки).

·           Расчёт вынужденных колебаний (по заданному графику изменения вынуждающих усилий с анимацией колебательного процесса).

·           Расчёты механики разрушения.

·           Проверка несущей способности (в соответствии с СП и EN 1993) и автоматический подбор оптимального поперечного сечения.

·           Работа с материалами (изотропными, анизотропными, композиционными, многослойными и т.д.).

·           Расчёты сварных, резьбовых, заклепочных соединений.

·           Создание документации в соответствии с ЕСКД.

·           Использование при проектировании баз данных стандартных изделий и материалов.

4. APM Mechanic

Продукт позволяет конструкторам выполнять проектировочные и проверочные расчёты деталей машин и механизмов с использованием инженерных методик, а также создавать документацию в соответствии и ЕСКД с использованием баз данных стандартных изделий и материалов (рис. 4).

Рис. 4. Детали, которые можно рассчитать аналитически

Основные возможности:

·           выполнять проектировочные и проверочные расчёты механических передач вращения и автоматически генерировать чертежи, при этом определяя полную геометрию передачи, допуски и параметры контроля;

·           проводить проверочный расчёт валов и осей (статический, динамический и усталостный) и автоматически генерировать чертёж;

·           решать задачи проектирования подшипниковых узлов качения и скольжения с определением основных параметров работы;

·           автоматизировать проектирование привода вращательного движения произвольной структуры с генерацией чертежей отдельных деталей и созданием сборочного чертежа;

·           рассчитывать упругие элементы машин (проектировочные и проверочные

·           расчёты) с автоматической генерацией чертежей;

·           выполнять проверочные расчёты передач поступательного движения (винтовых, шарико-винтовых);

·           проектировать кулачковые механизмы с поступательным или коромысловым толкателями с анимацией работы и автоматической генерацией чертежей;

·           проводить кинематический и динамический анализ рычажных механизмов с

получением анимации работы механизма, визуализацией графиков траекторий,

скоростей, ускорений, силовых факторов;

·           проектировать и рассчитывать такие виды соединений, как групповые резьбовые, заклепочные, сварные и соединения деталей тел вращения.

5. APM FGA

Продукт позволяет проводить конечно-элементный анализ течений жидкостей и газов с целью получения пространственных кинематических, динамических и энергетических характеристик, комплексно описывающих их поведение с различными граничными условиями и физическими свойствами (рис. 5, 6).

Рис. 5. Обтекание жидкостью задвижки в трубопроводе

Основные возможности:

·           Статика и динамика течений с определением полей кинематических, динамических, тепловых и прочностных характеристик.

·           Связанные задачи тепломассообмена с учетом турбулизации потоков.

·           Расчёт трубопроводных систем, гидро- и пневмооборудования, гидро- и пневмоприводов различного назначения, систем автоматического управления.

Рис. 6. Векторное представление динамических полей

·           Решение задач фильтрации течений в ортотропных пористых средах и грунтах в стационарной и нестационарной постановках.

·           Вывод результатов анализа в виде контурных и векторных статических карт, анимации скалярных и векторных полей при расчёте нестационарных переходных процессов.

6. APM EMA

Продукт позволяет моделировать и выполнять различные виды анализа характеристик электромагнитного поля для электротехнического оборудования и оборудования средств связи. Расчёты выполняются для стационарных и нестационарных режимов. Функциональные возможности системы APM EMA по решению систем уравнений электродинамики включают широкий спектр инструментов, предназначенных для подготовки моделей, являющихся предметом анализа (рис. 7).

Рис. 7. Фрагмент векторного представления магнитного поля

Основными типами расчётов являются:

·           электростатический расчёт;

·           расчёт поля постоянных токов;

·           магнитостатический расчёт;

·           нестационарный электромагнитный расчёт;

·           высокочастотный модальный анализ.

7. APM ECA

 

Продукт позволяет моделировать электрические цепи произвольной топологии, состоящие из различных типов двухполюсников: пассивные – резистор, конденсатор, катушка индуктивности; активные – источник постоянного тока, источник постоянного напряжения, источник переменного (гармонического) тока, источник переменного (гармонического) напряжения (рис. 8).

Рис. 8. Результат расчёта электрической цепи

Для проведения расчётов доступны следующие виды анализа:

·           статический;

·           гармонический анализ;

·           анализ переходных процессов. 

Расчёты выполняются для стационарных, установившихся гармонических и нестационарных режимов.

8. APM CivilEngineering

CAE-система автоматизированного проектирования строительных объектов гражданского и промышленного назначения. Эта система в полном объёме учитывает требования государственных стандартов и строительных норм и правил, относящиеся как к оформлению конструкторской документации, так и к расчётным алгоритмам. Широкие функциональные возможности для создания моделей конструкций, выполнения необходимых расчётов и визуализации полученных результатов позволяют сократить сроки проектирования и снизить материалоемкость строительного объекта, а также уменьшить стоимость проектных работ и строительства в целом (рис. 9).

Рис. 9. Модель и результат расчёта прочности железобетонной конструкции Инновационного центра «Сколково»

Типы проводимых расчётов:

·           Статический.

·           Устойчивости.

·           Нелинейный.

·           Собственные частоты.

·           Вынужденные колебания.

·           Стационарная и нестационарная теплопроводность.

·           Расчётные сочетания усилий.

·           Проверка и подбор армирования.

·           Расчёты фундаментов.

Типы рассчитываемых конструкций: металлические, железобетонные, каменные и армокаменные, деревянные;

смешанные, основания и фундаменты, соединительные узлы.

Выводы

1.  Представленный программный продукт включает возможность инженерного анализа большинства объектов, которые встречаются в практике проектирования.

2.  Описанные инструменты можно эффективно использовать для получения оптимальных конструкций.  Вопросы оптимизации и инструменты для получения оптимальных конструкций сейчас разрабатываются более подробно.

3.  Сравнительный анализ возможностей позволяет утверждать, что они не меньше тех,  которые созданы  зарубежными компаниями.

4.  В связи с этим, созданное программное обеспечение может эффективно заменить импорт зарубежных программ, таких как ANSYS, NASTRAN и т.п.

5.  Это ПО легко в использовании и поддерживает отечественные стандарты, а также другие нормативные требования.