Комплексный подход к инженерному анализу в SolidWorks

Содержание:

• Вступление
• SOLIDWORKS Simulation
• SOLIDWORKS Flow Simulation
• SOLIDWORKS Motion
• SOLIDWORKS Plastics
• EMS и HFWorks
• ОptisWorks
• TolAnalyst и CETOL 6σ

Вступление

Собранная в одном месте и, по возможности, стилистически близкая информация помогает уточнить знания о конкретных инструментах, их взаимодействии, а также сформировать общее представление о потенциальных возможностях системы.

Несмотря на то, что наиболее рациональным (в частности со стороны поставщика программного обеспечения) является алгоритм, когда клиент излагает потребности, а продавец определяет состав ПО, иногда «заказ по каталогу» имеет право на существование. Многие ли сторонники поставки решения, а не продукта, приходя в автосалон, просят включить в автомобиль «функцию разбрызгивания жидкости и растирания её по стеклу тогда, когда на стекло попадёт другая, не очень чистая жидкость», а не заказать «дворник» с «датчиком дождя», как просто опции? Да и популярность системы самообслуживания относительно магазинов с продавцами, обоснована желанием конкретизировать потребности на тактильном (в разумных пределах) уровне, когда шоколадку можно пощупать (слегка), ощутив т. наз. продукт, а не попросить у продавца нечто «коричневое и сладкое» – «решение». В спешке покупатель осведомляется у персонала, где прилавок с пивом, но между банкой и бутылкой выбирает вполне самостоятельно, а между бутылкой маленькой и бутылкой большой – абсолютно самостоятельно. Это можно понимать, как совместную деятельность на этапе выработки концепции с персональной ответственностью при её реализации.

Полное отстранение заказчика от формирования решения может привести к известным несуразностям, когда описание устройства как «двуногого животного без перьев» (Аристотель vs Платон) после критики пришлось уточнять ограничением, чтобы это животное было общественным.

Ясно, что «решение» в целом более актуально на уровне коллективов и проектов, но для реализации прикладных потребностей это не всегда применимо – консультанта для любой задачи не приставишь к каждому инженеру, тем более с учётом национальной психологии, претендующей на творческую независимость. В этом смысле многоликость SolidWorks, как системы корпоративного уровня, при сохранении актуальности для малых групп (в том числе и внутри больших коллективов) вплоть до индивидуальных пользователей обеспечивает ему устойчивую популярность.

Продолжая цитировать классиков: «Винтовка рождает власть» (Мао Цзэдун. Тезис из речи «Вопросы войны и стратегии») и, проецируя это на наш случай, можно сказать, что информация о доступных инструментах побуждает их использовать вне выраженной потребности, инициативно.

Ну и последний (крайний) аргумент в пользу знакомства с функционалом в упорядоченном (вне гиперссылочного «хелпа») виде, что он (функционал) изрядной частью остаётся вне поля зрения пользователей различного уровня. Это объективная особенность человеческого поведения, когда, согласно некоей статистике, изрядная часть дорогостоящих автомобильных опций (по большей части, электронных) реально не используется. Однако если перед глазами присутствует напоминание о доступных инструментах, шансы на рост кругозора и даже квалификации растут. Если серьёзно, то тенденция перехода от «расчётов» при искусственных условиях к «виртуальным испытаниям», учитывающим контекст функционирования объектов, требует развитой эрудиции и системного мышления.

Наилучшей для изложения признаём табличную форму представления функционала с привязкой, по возможности, к конкретным конфигурациям продуктов, актуальным на сегодняшний день. Отметим, что не все модули обладают однозначной системой поставки, что определяется своеобразной политикой производителя, подталкивающей потребителя к взаимодействию с поставщиком (и наоборот). Однако даже если продавец программного обеспечения склонен к этой установке и имеет соответствующие инженерные кадры, структурированная информация полезна для службы продаж. «Решение» вне очевидного скелета ускользает из сознания, подобно тому, как в восприятии архитектурного образа плохо воспринимаются сущности, не обладающие так называемой тектоникой (Точная наука (или интуитивное искусство) построения конструктивного целого. В применении к искусству, термин тектоника обозначает зрительное (зримое) воплощение внутренней конструкции... (Википедия).

Не претендуя на эрудицию в истории САD, а основываясь на опыте, своём и коллег, можно утверждать, что SolidWorks является одним из лидеров в смысле включения самых разнообразных инструментов и, в частности, инженерного анализа в среду проектирования. Одному из авторов этой статьи довелось в середине 90-х годов осваивать CATIA V4 фирмы Dassault Systemes, коллегам, тогда же - I-DEAS фирмы SDRC и Pro/ENGINEER, PTC. В этих системах присутствовали или, как в случае I-DEAS, являлись базой, конечно-элементные программы и алгоритмы кинематики и динамики. Возможность не отвлекаться на межинтерфейсные процедуры при наличии своеобразной привычки их преодолевать привела к перестройке (Поскольку дело происходило в 90-х годах, то лучше сказать, перенастройке) сознания. В ситуациях, когда возникала необходимость одновременной работы в «изолированных» системах, имело место ощущение дискомфорта. Именно в SolidWorks идея тотальной интеграции стала одной из основополагающих, что в совокупности с собственными достоинствами, как CAD системы, гарантирует благополучное существование и развитие в течение десятилетий.

Концепция единого (или очень близкого) интерфейса, единых данных, общей, в значительной части, математики завоёвывает мир, порождая сообщество пользователей из многих сфер деятельности. В России же сформировался единый канал продаж и поддержки, что гарантирует квалифицированный отклик на любой запрос клиента. То есть, жизнь привела организационные формы в состояние, адекватное инструментам.

В данной публикации мы сосредоточимся на функционале модулей инженерного анализа в совокупности с конфигурациями SOLIDWORKS. Критерии, по которым отобраны модули – собственный круг задач, наличие численного алгоритма, самостоятельный (по функционалу) интерфейс, и, при наличии выбора, востребованность у пользователей. Ещё один критерий отбора – возможность реализации упомянутых виртуальных испытаний: прочностных, кинематических, гидродинамических, тепловых, оптических и светотехнических или имитации некоторых, наиболее востребованных технологических процессов. Некоторым отступлением является включение процедур анализа размерных цепей, поскольку они, как правило, используются тем же персоналом, что и, например, прочностные расчёты.

Рис. 1. Модули инженерного анализа во взаимодействии с базовыми конфигурациями

SOLIDWORKS Simulation

• SOLIDWORKS Simulation
• SOLIDWORKS Simulation Standard
• SOLIDWORKS Simulation Professional
• SOLIDWORKS Simulation Premium

Создание исследований и выполнение расчётов происходит непосредственно в среде SOLIDWORKS на основе собственных моделей или же деталей и сборок на базе произвольной импортированной геометрии.

Во всех конфигурациях SOLIDWORKS Simulation обеспечивается поддержка 64-разрядных операционных систем с доступом ко всей оперативной памяти. Также используется многоядерность и многопроцессорность при построении сетки и в расчёте.

Рис. 2. Расчётная конечно-элементная модель автоцистерны

Основной функционал семейства SOLIDWORKS Simulation приведен в таблице:

Рис. 3. Результирующие перемещения и эквивалентные напряжения в модели автоцистерны

SOLIDWORKS Flow Simulation

Инструмент не делает различия между твердотельными моделями, созданными в SOLIDWORKS, или импортированными. Обеспечивается поддержка 64-разрядных операционных систем с использованием всей доступной оперативной памяти. Также реализована управляемая пользователем многопроцессорность и многоядерность при генерации расчетной сетки и работе решателя, последовательное выполнение проектов и одновременный расчёт выбранных двух.

Рис. 4. Линии тока и диаграмма скорости потока при обтекании антенны

Основной функционал семейства SOLIDWORKS Flow Simulation приведен в таблице:

Рис. 5. Расчётная модель центробежного насоса с линиями тока и диаграммами давления и скорости потока

Рис. 6. Компоненты электронных устройств с диаграммами распределения температуры

Рис. 7. Визуализация результатов расчёта движения среды и параметров комфортности в модуле HVAC

SOLIDWORKS Motion

SOLIDWORKS Motion не поставляется самостоятельно, а входит в состав конфигурации SOLIDWORKS Premium и, в расширенном варианте, в состав расчетных пакетов SOLIDWORKS Simulation Standard, Professional и Premium.

Рис. 8. График сил контактного взаимодействия деталей при вращении агрегата

Основной функционал SOLIDWORKS Motion приведен в таблице:

Рис. 9. Графики сил и моментов в соединениях каркаса солнечной батареи

Рис. 10. Диаграмма результирующих перемещений, полученных статическим решателем в процессе выполнения исследования движения

SOLIDWORKS Plastics

Рис. 11. Диаграммы толщины линий спая и времени охлаждения материала

Основной функционал семейства SOLIDWORKS Plastics приведен в таблице:

Рис 12. Диаграммы эффективности охлаждения и ориентации армирующих волокон

EMS и HFWorks

HFWorks – полнофункциональный 3D-симулятор для расчёта параметров электромагнитных излучений в диапазоне ВЧ/СВЧ (свыше 1 ГГц) и беспроводных устройств.

Интерфейс и настройки, а также определённая часть базовой математики основана на методе конечных элементов. Поэтому данный модуль имеет много общего с SOLIDWORKS Simulation. Соответственно, при наличии навыков работы в SOLIDWORKS и SOLIDWORKS Simulation, затраты времени на освоение интерфейса и настроек минимальны.

Оба модуля поддерживают применение таблиц проектирования, параметризацию и многогоконфигурационность, а решатели – многоядерность.

Рис 13. Расчётная модель катушки с диаграммами температуры и напряжённости магнитного поля

Основной функционал EMS и HFWorks приведен в таблице:

Рис. 14. Диаграммы плотности магнитного потока

Рис. 15. Таблицы и диаграммы результатов анализа рупорной антенны

ОptisWorks

OptisWorks поставляется в трёх базовых конфигурациях: Ray Tracing, ODESIS и Photometry; функционал последней может быть расширен дополнительными процедурами.

Рис. 16. Стохастическая и детерминированная трассировки и фотометрические результаты

Основные конфигурации (пакеты):

Рис. 17. Типовые результаты фотометрического расчёта

Дополнительные процедуры Photometry:

• Light Expert – Оценка фотометрических свойств системы с выделением вклада оптических объектов: источников и поверхностей в результаты, а также вычленение лучей, взаимодействующих с этими объектами
• 3D Energy Density – Оценка поглощения энергии в объёме с построением соответствующих диаграмм. При наличии модуля Light Expert можно выделить составляющие энергии, обусловленные вкладом элементов оптической системы – источников и поверхностей
• 3D Texture – Виртуальные текстуры на гладких поверхностях
• Colorimetry Analyzer – Колориметрический анализ с учётом хроматических диаграмм с проверкой соответствия колориметрическим стандартам
• Mass Fluorescent Materials – Флуоресцирующие материалы
• Coated Surfaces – Поверхности с покрытиями
• Display Source – Источники, моделирующие жидкокристаллические дисплеи
• Ambient Source – Источники, имитирующие освещение окружающей средой
• OLED Source – Гибкие светодиодные источники
• Simulation Wizard – Мастер обработки множественных конфигураций
• Optimization – Многокритериальная фотометрическая оптимизация по переменным проектирования в виде геометрических размеров и оптических свойств с целевыми функциями на базе фотометрических диаграмм. Анализ чувствительности в фотометрической системе
• Polarization – Учёт поляризации
• Stray Light Analysis – Трассировка с оценкой вклада лучей, проходящих по предопределённым объектам
• Radiometry UV & IR – Расширение анализируемого диапазона до УФ- и ИК-излучения.

• Hyper-Realism – Гиперреалистичекие изображения на базе фотометрической трассировки
• Human Vision – Фотометрический анализ и рендирование с учётом особенностей человеческого зрения и восприятия
• Visual Ergonomics – Визуальная эргономика
• Radiometry/Defense – Радиометрия.

Также существуют дополнительные модули, функционирующие независимо (параллельно) с перечисленными пакетами, основные из которых:

• Optical Shape Design – Генерация 3D-моделей элементов светотехнических конструкций
• Laser Propagation – Предназначен для анализа распространения лазерного излучения после выхода из источника. Функционал пересекается с модулем ODESIS, но учитывает особенности описания и распространения лазерного излучения.

Рис. 18. Результат фотометрического анализа с учётом психофизиологических эффектов

TolAnalyst и CETOL 6σ

Рис. 19. Расчётная модель и результаты расчёта замыкающего звена в TolAnalyst

CETOL 6σ - прикладной модуль, который является мощным инструментом анализа пространственных размерных цепей для сборок, созданных в SOLIDWORKS. В его основе лежит вероятностный метод решения задачи нахождения номинального значения и величины допуска замыкающего звена (как линейного, так и углового) размерной цепи при известных номинальных значениях и допусках составляющих звеньев, а также осуществляется построение распределения вероятности для замыкающего звена в заданных пределах. Используя современные математические решения, CETOL 6σ ускоряет оптимизацию геометрической точности деталей для достижения надежности проектов на этапе их подготовки к производству.

Рис. 20. Расчётная модель CETOL с отображением замыкающего звена

Основной функционал TolAnalyst и CETOL приведен в таблице:

Рис. 21. Результаты расчёта в CETOL

Наиболее востребованные инструменты: Simulation, Flow Simulation, Motion, TolAnalyst русифицированы как по интерфейсу, так и по справочной системе. Полная техническая поддержка осуществляется специалистами SOLIDWORKS Russia.

Для модулей SOLIDWORKS Simulation и Flow Simulation представлено большое количество учебных пособий, верификационных примеров, в том числе по критериям NAFEMS и другим нормативам, имеются встроенные теоретические руководства.

Инструменты инженерного анализа непрерывно развиваются как при переходе к новым версиям, так и иногда – к их обновлениям. Описанный функционал имеет место быть в версии 2016 года.