        .gif)
Кандидат технических наук, доцент Пыхалов А.А.
Компьютерные технологии в инженерном моделировании
|
Компьютер решительно вошел во все сферы деятельности человека, и уже мало кто понмит, что первоначально идея его создания была направлена на эффективное проведение комплексных инженерных расчетов, не поддающихся «ручной» обработке.
Большинство пользователей сегодня знакомы с компьютерными играми, программами ведения деловой документации, учета и контроля различных процессов, программами компьютерной связи. Гораздо меньшему кругу пользователей известны современные графические редакторы, например, CAD-системы: AutoCAD, Unigraphics, CADDS5, Euclid3 и другие, способные формировать трехмерный геометрический облик любого реального объекта, включая оформление чертежей и готовых программ для станков ЧПУ.
Еще меньшему кругу пользователей известны современные системы компьютерного конечноэлементного анализа исследуемых объектов, когда моделируются, наряду с геометрией, все его физические свойства.
В данной статье речь пойдет об одном из наиболее мощных в мире конечноэлементных комплексов MSC/NASTRAN и его саттелитах. Для более глубокого понимания сущности представленных проблем необходимо сделать экскурс в историю.
Этапы развития автоматизации инженерных расчетов
В развитии практики теоретических инженерных расчетов можно условно выделить три этапа. Первый большой этап предшествовал появлению ЭВМ. Он содержал в себе, преимущественно, накопление инженерных расчетных методов, способных давать качественную картину математического моделирования физики процесса. Но в условиях реального технического инженерного проектирования они могли использоваться только при наличии глубокой степени идеализации расчетной модели от реального объекта. Особенно это справедливо относительно геометрических форм объекта, условий внутреннего и внешнего воздействия, граничных условий и многих других реальных физических свойств и процессов.
Ведущая роль в таких ситуациях отводилась натурным испытаниям, весьма дорогостоящим как по ресурсам, так и по продолжительности создания изделия. А, теоретическим расчетам отводилась роль подтверждения достоверности натурного эксперимента и частично прогноза "что делать дальше". Таким образом, при такой концепции проектирования цикл доводки инженерного объекта до совершенства шел большей частью "по наитию" , то есть всецело зависел от способностей и таланта инженера. И если даже инженер был необычайно талантлив, а объект проектирования очень сложен, то процесс "отработки вариантов" укладывался, порой, в целую человеческую или творческую жизнь. Подобным примером может служить проект и создание Эфелевой башни в Париже и многие другие.
Второй этап развития теоретических инженерных расчетов обозначен появлением ЭВМ. И, вместе с этим, начало бурного развития численных расчетных методов, среди которых на ведущие позиции выходит метод конечных элементов (МКЭ). Для МКЭ совершенно безразличны: сложность и многообразие геометрических форм объекта, граничных условий, сложность полей внешнего, внутреннего и другого воздействия, многообразие свойств материалов объекта, их номенклатура и многое другое. МКЭ имеет солидную устойчивость математического решения.
Идея метода очень проста и известна со времен Эйлера и Ньютона, которые, в свое время, посчитали его чересчур затратным и никогда практически не применимым в реальных инженерных расчетах (бедняги не могли предвидеть, что появится ЭВМ). Метод основан на том, что любой сложный объект проектирования представляется некоторой дискретной (сеточной) моделью, в каждом участке которой величины, включая неизвестную, представляются обычным алгебраическим полиномом порядка не больше второго (чаще всего). Особый динамизм методу придает его концепция на основе вариационно-энергетического подхода, применяемого при описании физики процесса или явления.
Проблема использования МКЭ в этот период, как и других численных методов, состояла в отсутствии сервисного обеспечения расчетов, вытекающего из наличия в расчетах МКЭ огромного объема информации как при подготовке исходных данных, так и при интерпретации результатов расчетов. Известен случай, когда одно из ведущих самолетостроительных КБ, при внедрении МКЭ в свою расчетную практику, полгода готовило исходные данные для расчета крыла самолета, и столько же времени было затрачено на интерпретацию результатов, тогда как сам просчет, включая вариантты, занял не больше недели.
Третий этап можно условно обозначить появлением персональных ЭВМ, сетей персональных ЭВМ и суперкомпьютеров. Это позволило в значительной степени продвинуть сервер управления данными конечноэлементных расчетов. В настоящее время имеет место гармоничное сочетание коллективного труда (например, по "запихиванию" целого самолета в компьютер) и труда инженера лично (идеи, как известно, рождаются в отдельно взятой голове).
Алгоритм решения инженерных задач с помощью конечноэлементного пакета MSC/NASTRAN
Конечноэлементные модели расчета имеют такую большую степень адекватности объекту проектирования, что можно утверждать об определенного рода революции в практике инженерных расчетов. В настоящее время на первое место, при проектировании и производстве инженерно-технических объектов, выходят теоретические расчеты и моделирование, а уж затем, на завершающих этапах проектирования, для полного подтверждения результатов, проводятся дорогостоящие натурные испытания. Современное решение конечноэлементной задачи условно можно разбить на три больших блока (см. рис.1): пре-процессорный, аналитический и пост-процессорный.
Рис. 1 - файл sh1.doc
Пре-процессорный блок включает подготовку исходных данных, то есть генерацию полной конечноэлементной модели объекта проектирования в памяти компьютера. Сюда, например входят: формирование геометрической модели (облика объекта), задание свойств используемых материалов, описание свойств конечных элементов, генерация конечноэлементной сетки, задание вариантов граничных условий, задание вариантов внешнего воздействия различной природы и многое другое. В результате работы этого блока мы имеем готовую конечноэлементную модель объекта или ряд ее вариантов.
Рис. 2 - изображение лопатки
Например, если рассчитывается рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя или паровой турбины ТЭЦ (см. рис.2), то на этом этапе формируются геометрические формы лопатки, граничные условия ее закрепления в диске, условия нагружения в ней (в виде инерционной центробежной нагрузки, внешнеприложенных изгибающих газовых сил и др.), создается облик поля неравномерного температурного нагрева в лопатке и другие свойства.
Аналитический, или процессорный, блок - это непосредственное решение глобальной системы алгебраических уравнений, в анналах которого заложены все аппроксимируемые свойства проектируемого объекта.
Для рабочей лопатки на данном этапе ведется расчет статической прочности, возникающей в ней от воздействия внешнего и инерционного нагружения, а также от воздействия неравномерного температурного поля. Кроме того, в лопатке рассчитываются значения собственных частот и форм колебаний, а также ее поведение при внешнем периодическом воздействии, расчет устойчивости и многое другое.
Работа пост-процессорного блока направлена в основном на визуализацию результатов счета. Если это расчет объекта на прочность, то визуализируются вектора деформаций, напряжений, сил и другие свойства. Если это теплопередача, то визуализируются, например, поля температур, тепловые потоки. Если это гидравлика - то поля скоростей, давлений и так далее, в зависимости от типа решаемой задачи и физики рассматриваемого процесса. Здесь же имеет место блок оптимизации, когда инженер (пользователь) может задать либо ограничение, либо целевую функцию, вернуться в пре-процессорный блок, и повторить расчет, то есть оценить влияние вносимых изменений для доводки проектируемого изделия.
Для представленного примера рабочей лопатки газотурбинного двигателя визуализируются ее деформационные перемещения под действием нагрузок и температурного воздействия, поля действующих в ней напряжений, формы колебаний в виде предельного отклонения или анимации и многое другое - все то, что необходимо инженеру для полного представления о сущности происходящего процесса и подбора самого наилучшего варианта результатов расчета.
Мировой стандарт в области конечноэлементных технологий
Ведущее место на рынке конечноэлементных систем анализа, в настоящее время, занимает система (или консорциум систем) MSC/NASTRAN, интегрирующая конечноэлементное ядро NASTRAN, а также предназначенная для различной инженерной специализации теоретических расчетов, таких как: MSC/PATRAN, MSC/ARIES, MSC/FATIGUE, MSC/DYTRAN, MSC/ABAQUS, MSC/MVISION и другие. Необходимо дать краткую характеристику каждому из представленных блоков системы.
Главный продукт консорциума - MSC/NASTRAN уже более 20 лет доказывает свою точность и эффективность. Он обеспечивает полный набор инженерных работ, включая расчет напряженно-деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследований установившихся и неустановившихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ, исследование аэроупругости и другое.
Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композиты гиперупругие и другие. Расширенные функции MSC/NASTRAN включают технологию суперэлементов (подконструкций), модальный синтез и макроязык DMAP для создания пользовательских приложений.
Оптимизация проектов может проводиться единовременно, то есть путем вариации параметров формы, размеров и свойств объектов, обрабатывая неограниченное число проектных характеристик и ограничений. Алгоритмы анализа позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения. Кроме того, целевые параметры и ограничения могут быть определены пользователем в виде функциональных зависимостей расчетных и экспериментальных данных, что позволяет получать модификацию модели в соответствии с данными испытаний, то есть провести идентификацию модели и объекта в автоматическом режиме.
Основу рассматриваемой системы составляет отработанная технология метода конечных элементов и надежные численные методы.
Крупные промышленные компании, использующие в своих расчетах пакеты типа MSC/NASTRAN, считают узлы и детали на современных суперкомпьютерах. Однако, сегодня обладатели обычных персональных компьютеров получили доступ к возможностям этих пакетов с помощью оболочки Windows (3.1, 95 или NT). Версия MSC/NASTRAN for Windows позволяет проводить все расчеты, а также использовать функции и приложения Windows. Например, возможно экспортировать и импортировать CAD-объекты, выводить их на печать.
MSC/PATRAN обеспечивает работу и интеграцию систем автоматического проектирования (САПР). Для задания геометрии и других свойств проектируемого объекта, а также для генерации конечноэлементной сетки и гранично-нагрузочных условий в ней MSC/PATRAN имеет полностью управляемый графический редактор и интерфейс, а также интерактивную справочную систему. Кроме того, MSC/PATRAN предоставляет прямой интерфейс (доступ) к наиболее популярным в мире программам автоматизированного проектирования (CAD-системам): CADDS5, CTIA, Unigraphics, Eucluds, Pro/ENGINEER, AutoCAD и другим. То есть CAD-геометрия становится в этом случае основой конечноэлементной модели объекта. Таким образом, расчетчику нет необходимости создавать CAD-геометрию с самого начала.
SC/FATIGUE осуществляет анализ долговечности и ресурса объекта проектирования, проводимый на основе результата конечноэлементного расчета в MSC/NASTRAN, экспериментальных данных и усталостных характеристик материалов. История нагружения конструкции является входной информацией для MSC/FATIGUE и может быть определена как путем расчета переходных динамических процессов, так и путем ввода результатов натурных испытаний или статистических данных. Вычисляются: время работы конструкции, предельное число циклов, появление и рост трещин, разрушение, повреждаемость и другие параметры работоспособности конструкции.
MSC/ARIES представляет собой комплексную систему автоматизации концептуального проектирования и анализа сложных многоуровневых механических и других конструкций, адаптированную к потребностям инженеров-конструкторов, не являющихся специалистами в области расчетных методов. MSC/ARIES позволяет оперативно форматировать и изменять трехмерные геометрические модели деталей, собирать из них сборочные узлы и конструкции в целом, проводить всесторонний прочностной, динамический, тепловой и электромагнитный анализ, анализ кинематического движения механизмов, анализ сборки и прочее. Другие функции MSC/ARIES дают возможность создавать или изменять геометрию модели на основе введенных аналитических зависимостей, например, при расчете процесса литья под давлением, электромагнитного анализа и других реальных физических процессов, для быстрого макетирования. При моделировании процессов литья предоставляется возможность проводить исследования и выбор параметров самого процесса литья, заполнение литейных форм, образования воздушных полостей, раковин и многое другое. Трехмерный анализ высокочастотных электромагнитных полей позволяет конструктору быстро и легко прогнозировать эксплуатационные качества (параметры) электромагнитных приборов (например, волноводов) задолго до того, когда дорогостоящие образцы этих приборов будут изготовлены.
MSC/DYTRAN - это система анализа высоконелинейных быстротекущих динамических процессов, связанных со взаимодействием конструкции и жидкости (газа), конструкции и конструкции или для решения проблемы предельных деформаций конструкции и их разрушения. Типичными приложениями MSC/DYTRAN являются, например, изучение взаимодействия пассажира - воздушной подушки - автомобиля - препятствия при автокатастрофе, столкновение птиц с самолетами, взрыв внутри контейнера на борту самолета, столкновение морских и речных судов, их посадка на мель, удар и пробивание снарядом конструкции, попадание метеорита в обшивку космического аппарата, а также штамповка металлических листов, ковка металлов, поведение жидкости в не до конца заполненном объеме (цистерне, баке) и еще целый ряд задач технологического и технического плана.
MSC/ABAQUS представляет собой универсальную конечноэлементную программу для проведения углубленного анализа высоконелинейного поведения конструкции и решения задач теплопередачи. Дополняя линейные функции продуктов MSC/NASTRAN и MSC/DYTRAN, MSC/ABAQUS проводит комплексный анализ конструкций, подвергающихся большим перемещениям и имеющим высоколинейные свойства материалов (например, резины) или свойства, зависящие от истории нагружения, а также анализ контактного взаимодействия конструкции. Для расчета геотехнических моделей MSC/ABAQUS работает с характеристиками уплотнения грунта. Программа предусматривает применение пользовательских подпрограмм, с помощью которых облегчается моделирование поведения изделия в особых ситуациях.
MSC/MVISION - система комплексной обработки информации о материалах, необходимых в процессе проектирования и производства изделий. Она позволяет инженерам вводить, хранить и получать информацию о материалах и их изготовителях, а также просматривать микроструктуру материалов для выбора оптимального решения в вопросах проектирования равнопрочных конструкций. В критерии поиска могут включаться как различные свойства материала (предел прочности, плотность и другие), так и коммерческая информация (цена, производитель, доставка). Электронные базы данных по материалам включают достижения ведущих материаловедческих институтов, лабораторий и научно-исследовательских центров со всего мира.
Консорциум MSC работает на мировом рынке программных средств около 30 лет. За это время система стала межнациональной и признана мировым лидером в области численного анализа. В России обладателями лицензии на продукты MSC стали: АО «ГАЗ», АООТ им.Ильюшина, АО «АвтоВАЗ», МАИ. МФТИ, ГКНПЦ им.Хруничева, АО «Люлька-Сатурн», РКК «Энергия» и ряд других организаций.
Из предприятий Иркутской области наибольшую активность в плане приобретения определенной версии MSC проявляет авиационный завод (ИАПО), предприятие «Ангарскнефтеоргсинтез» и некоторые другие организации.
Наиболее полное удовлетворение потребностей и поддержка клиентов любого масштаба - это своеобразная визитная карточка MSC. Практикуются, например, такие формы работы с клиентами как: консультации и поддержка по «горячей линии», учебные занятия и семинары, подробная документрация к продуктам и др.
Стоимость продукта сильно дифференцирована - от бесплатной демоверсии (ограничение до 300 узлов конечноэлементной сетки) и университетской версии до версии для суперкомпьютеров в несколько десятков тысяч долларов. Все зависит от того, какого масштаба и содержания задачи будет решать клиент. Приобретение версий можно осуществлять поэтапно, то есть сначала недорогая версия, затем дороже и так далее, причем предыдущее приобретение покрывает свою часть расходов в последующем приобретении - более дорогом продукте MSC.
Продукты MSC находят применение на всех стадиях жизненного цикла изделий - в проектировании, в производстве и эксплуатации.
За всеми справками по конечноэлементным продуктам MSC в г.Иркутске и области можно обращаться на кафедру самолетостроения и эксплуатации авиационной техники ИрГТУ к автору. Тел. 43-03-70 (при отсутствии просьба оставить информацию о себе).
|
|