Інженерний аналіз у машинобудуванні

Всі створені при конструюванні геометричні точні моделі є основою для вирішення різних завдань - аналізу міцності проектованої конструкції, аналізу різних механізмів (статичний, кінематичний, динамічний), визначення сил реакцій від зовнішніх навантажень, і ін. Всі ці завдання можна вирішити за допомогою систем інженерного аналізу - CAE-систем (Computer Aided Engineering).

Розвиток засобів обчислювальної техніки стимулювало поширення інженерного аналізу на всі етапи проектування як окремих деталей, вузлів і агрегатів, і виробів загалом. Різноманітність фізичних процесів у наукомістких виробах, суб'єктивність у постановці завдань аналізу, у підходах до ідеалізації процесів, що протікають, у виборі методів вирішення та багато інших причин призвели до створення величезної кількості спеціальних методик, алгоритмів і програм, призначених для вирішення завдань аналізу машинобудівних виробів. У цьому розділі основна увага приділяється питанням організації наскрізного процесу конструювання та аналізу концепції САLS-технологій та особливостей використання найбільш поширених програм.

Можна умовно виділити чотири основні групи програм аналізу:

•програмні системи проектування;

• Універсальні програми аналізу;

• спеціалізовані програми аналізу;

• програми аналізу систем керування.

Перша група програм - програмні системи проектування, що органічно поєднують процеси конструювання та аналізу в єдиному комплексі, про них вже йшлося вище. До програмних систем проектування відносяться системи CATIA5, EUCLID3, UNIGRAPHICS та ін. При їх використанні не виникають труднощі зі створенням складної і математично точної моделі виробу, такяк тільки ці системи мають найпотужніші засоби геометричного моделювання. Організація обміну між підсистемами конструювання та аналізу також непомітна для користувача - обидві підсистеми оперують з однією базою даних або мають внутрішні формати даних. Склад різних видів аналізу обмежений у порівнянні зі складом універсальних програм і в основному призначений для вирішення таких завдань, як структурний аналіз, лінійний статичний аналіз, модальний аналіз, аналіз (поздовжніх) деформацій, тепловий аналіз, аналіз сталого стану (електропровідність, лінійна конвекція) та ін.

До другої групи програм входять універсальні програми аналізу машинобудівних виробів. Світовими лідерами в галузі розробки, постачання та супроводу цих програм є ANSYS, Inc. (США), SAMTECH (Бельгія), MacNeal Schwendler Corporation (МSС) (США). У 1970-ті роки одним із провідних методів комп'ютерного моделювання став метод кінцево-елементного аналізу (FEA). Завдяки розробкам цих та багатьох інших фірм, інженерний аналіз став практично повсюдним і поступово переріс у потужний напрямок, який отримав своє втілення в системах автоматизованого аналізу (САЄ).

Фірмою ANSYS розроблено сімейство програм аналізу. Провідною багатоцільовою програмою цього сімейства є ANSYS/Multiphysics [5]. На додаток до неї створено безліч автономних, спеціалізованих пакетів, що розширюють можливості основної програми. Серед них можна виділити такі:

• ANSYS/Mechanical – вирішення завдань міцності, теплопередачі та акустики. Розрахунок та оптимізація конструкції, визначення переміщень, напруг, зусиль, тисків та температур можна виконати за допомогою цього пакета;

• ANSYS/Structural - аналіз міцностіпроектованого виробу з урахуванням геометричних та фізичних нелінійностей, нелінійної поведінки кінцевих елементів та втрати стійкості;

• ANSYS/LinearPlus – спрощена версія пакета ANSYS/Mechanical, призначена для вирішення задач лінійної статики, динаміки та стійкості конструкції;

• ANSYS/Thermal – може використовуватись для аналізу теплових стаціонарних та нестаціонарних процесів;

• ANSYS/PrePost – призначений для побудови кінцево-елементної сітки на стадії підготовки задачі та обробки результатів розв'язання у необхідному вигляді.

Додатковими програмами цієї фірми, які можна використовувати спільно з ANSYS/Multiphysics або автономно, є:

• ANSYS/FLOTRAN - дозволяє виконувати розв'язання задач гідроаеродинаміки, включаючи ламінарний та турбулентний перебіг стисканих або стисливих потоків;

• ANSYS/Emag – використовується для моделювання електромагнітних полів;

• ANSYS/DYNA - призначена для вирішення задач міцності динаміки з урахуванням великих нелінійностей, серед яких можуть бути завдання поведінки виробу при зіткненнях і ударах, при кінцевих деформаціях, а також завдання нелінійної поведінки матеріалу і т.п.

ANSYS/LS-DYNA PrePost має всі засоби підготовки даних для вирішення та обробки отриманих результатів.

Компанією SAMTECH у співпраці з Лабораторією аерокосмічних технологій Льєжського університету розроблено універсальну систему аналізу SAMCEF [6], всі розрахункові модулі якої пов'язані з єдиним графічним пре- та постпроцесором ВАСОN.

Універсальна комплексна система програм SAMCEF також має модульну структуру, включаючи:

• THERNL – нелінійний температурний аналіз стаціонарних та перехідних режимів; розрахунок завданьелектропровідності, конвекції, випромінювання. Дослідження електричних та теплових явищ, пов'язаних із ударом блискавки або іскровим розрядом;

• ASEF – лінійний статичний аналіз з урахуванням нелінійних умов;

• SPECTRAL – розрахунок випадкових характеристик втомних руйнувань, що базується на спектральному аналізі;

• REPDYN – аналіз перехідних, гармонійних та сейсмічних процесів;

• STABI – визначення умов втрати стійкості конструкції;

•DYNAM - розрахунок своїх частот пружних систем;

Серед додаткових розробок цієї фірми можна виділити такі програми:

• FOURIER – лінійний статичний аналіз завдань Фур'є;

•MECANO/STRUCTURERE - нове програмне середовище, яке відкриває можливості спільного нелінійного аналізу структури та податливості елементів механізмів. Вперше була використана для дослідження авіаційної та космічної техніки;

• COMPOSITIES – база даних композитних матеріалів;

• ROTOR – унікальний інструмент динамічного аналізу обертальних механізмів;

• BOSS/QUATTRO – пакет призначений для оптимізації роботи програмного середовища SAMCEF та ін.

Основні програмні розробки фірми MSC:

• MSC.NASTRAN - аналіз лінійної та нелінійної статики та динаміки, стійкості, теплопередачі, акустики, аеропружності, оптимізації конструкцій;

• MSC.PATRAN - інтегроване середовище систем моделювання, аналізу та проектування на основі сучасного графічного інтерфейсу користувача;

• MSC.DYTRAN – аналіз високонелінійних швидкоплинних динамічних процесів. Зіткнення конструкцій з руйнуванням, потрапляння предметів до авіадвигуна, обрив лопатки, вибухи, штампування металу тощо;

• MSC.MARC – комплексний нелінійний аналізконструкцій та вирішення складних завдань термоміцності;

• MSC.FATIGUE – нові методи аналізу ресурсу та довговічності. Втома, поява та зростання тріщин, оптимізація конструкції за критерієм довговічності;

• MSC.CFDesign - газо- та гідродинаміка в середовищі MSC. NASTRAN. Завдання течії рідини та газу з урахуванням теплових процесів;

• MSC.Working FEA - розрахунки міцності в пакетах AutoCAD, SolidWorks і SolidEdge;

• MSC.NVII_Manager – комплексний аналіз акустики, вібрацій та стійкості автомобіля;

• MSC.AMS - пре-і постпроцесор для моделювання конструкції автомобіля;

• MSC.MVISION – дані про властивості матеріалів.

Пакет ADAMS (фірма Mechanical Dynamics, Inc.) використовується для динамічного та кінематичного аналізу складних механічних схем механізмів, статичного та модального аналізу. За допомогою цього пакета можуть вирішуватись завдання, наприклад, стикування космічних апаратів, динаміки польоту та посадки тощо. Двосторонній зв'язок із кінцево-елементними пакетами (ANSYS, MSC. NASTRAN, ABAQUS, I-DEAS) дозволяє вбудовувати необмежену кількість кінцево-елементних моделей у механізм для врахування впливу деформованості на поведінку системи. В ADAMS забезпечено обмін інформацією з CAD-системами та пакетами математичних методів (MATLAB, MATRIX, EASY5).

Короткий перелік можливостей універсальних програм показує, що у них найповніше розроблені різні види інженерного аналізу, включаючи: статичний та динамічний аналіз, аналіз стійкості, нелінійний температурний аналіз (у тому числі з урахуванням процесу фазового переходу чи хімічних реакцій), спектральний аналіз, статичний аналіз циклічних структур, розрахунок електричного поля та ін. Універсальні програми використовуються при проектуванні виробівмашинобудування, суднобудування, аерокосмічної та електротехнічної галузей для вирішення таких специфічних завдань, як нелінійний теплообмін (з перехідним або стаціонарним режимом, включаючи вплив радіації), структурна оптимізація, аналіз пружних механізмів, втомні руйнування, аналіз явищ в'язкопластичності та ін. можливість застосовувати їх для вирішення навіть таких змішаних завдань, як аналіз міцності при тепловому навантаженні, вплив магнітних полів на міцність конструкції, тепломасоперенесення в електромагнітному полі. Програми дозволяють враховувати різноманітні конструктивні нелінійності, наявність великих деформацій, отримувати розв'язання задач гідроаеродинаміки та ін.

У універсальні програми аналізу включено власні засоби побудови геометричної моделі виробу. Однак можливості геометричного моделювання цих пакетів набагато слабші в порівнянні з програмними системами проектування, так як з їх допомогою можуть вирішуватись завдання твердотільного моделювання порівняно простих форм.

Усі універсальні програми аналізу мають стандартні формати обміну графічною інформацією із пакетами конструювання. При необхідності геометрична модель виробу, що проектується, може бути попередньо створена на етапі конструювання в СAD-системі.

Третю групу програм складають численні спеціалізовані програми. До них можна віднести:

• пакет MSC.SuperForge (фірма MSC) – призначений для об'ємного моделювання процесів штампування та кування. Результати аналізу можуть бути використані для проектування оснастки та технологічних процесів. Крім американської фірми MSC, визнаними лідерами в галузі моделювання процесів штампування та кування також єамериканська компанія SFTC (система DEFORM), французька компанія TRANVALOR (система FORGE) та українська фірма "Квантор-Софт" (система Qform).

В галузі розробки програмного середовища інженерного аналізу значні результати отримані українськими фірмами. Наведемо приклади пакетів, фірм, що виконали розробку, та перелік основних завдань, які вирішуються за їх допомогою:

•Euler (Автомеханіка) – динамічний аналіз багатокомпонентних механічних систем;

• ІСПА (АЛЕКСОФТ) - розрахунок та аналіз на міцність;

• ПОЛІГОН (ЦНДІ матеріалів) - система моделювання ливарних, гідродинамічних, теплових та усадкових процесів у ЗD-постановці;

• РИМАН (ПроПроГрупа) - розрахунок та аналіз напружено-деформованого стану конструкцій, розв'язання пружних та пластичних завдань, у тому числі штампування та ударних напруг;

• АРМ WinMachine (НТЦ АПМ) – комплекс програм для проектування та розрахунків деталей машин, аналізу напружено-деформованого стану конструкцій та їх елементів;

• ДІАНА (НІЦ АСК) – аналіз конструкцій та їх елементів;

• GasDinamics Tool (Тульський державний університет) – моделювання газодинамічних процесів та ін.

На жаль, багато хто з перелічених пакетів не мають стандартних інтерфейсів, і їх використання в наскрізних процесах проектування проблематично.

Для дослідження динамічних процесів, що протікають у системах автоматичного регулювання та управління, а також для вирішення інших завдань аналізу, широке застосування знаходять спеціальні програмні комплекси MATRIX, Simulink, VisSim, EASY5, МВТУ, що становлять четверту групу програм.

---