Инженерный анализ средствами T-FLEX

Актуальность систем инженерного анализа

Нередко требуется подтверждение работоспособности или проверка определенных эксплуатационных характеристик, особенно там, где это связано с безопасностью людей и/или цена инженерной ошибки слишком высока. В таких случаях наиболее простым способом проверки работоспособности и надежности является создание опытных образцов или макетов с последующим испытанием в условиях, приближенных к реальным. Однако натурные испытания с помощью физических прототипов являются длительными и затратными, поэтому наиболее эффективным считается проведение виртуальных испытаний с применением современных систем инженерного анализа, CAE (Computer-Aided Engineering), позволяющих численными методами решать различные задачи механики: механики деформируемого твердого тела, теплообмена, гидро-, газодинамики и других дисциплин.

Часто имитационное моделирование полностью избавляет от проведения натурных экспериментов. Там же, где без подтверждения на физических образцах не обойтись, имитационное моделирование позволяет существенно сократить количество экспериментов, подобрав оптимальные параметры конструкции, тем самым сократив издержки на апробацию результатов или сертификацию изделия. Зачастую результаты виртуальных испытаний дают более широкую картину происходящих процессов, чем натурный эксперимент, предоставляя больше возможностей для оптимизации и улучшения эксплуатационных характеристик, экономя при этом значительные средства и время (рис. 1).

Рис. 1а. Расчетная модель

Рис. 1б. Результат решения задачи

CAE относятся к разряду наукоемких систем, которые непрерывно развиваются. Для этого разрабатываются более совершенные алгоритмы вычислений, оптимизируется и упрощается работа и т.д. Во многом этому способствует развитие вычислительной техники. При этом наблюдается одновременное упрощение пользовательских инструментов и расширение функциональных возможностей систем. Всё это способствует более широкому распространению CAE-инструментов среди проектировщиков, напрямую не связанных в своей основной деятельности с расчетами. Применение относительно простых расчетных инструментов позволяет им более эффективно решать задачи рационального проектирования.

Несмотря на кажущуюся простоту, специалисты-расчетчики предостерегают от чрезмерного упрощения задач. Понимание задачи, ее правильная постановка и правильное интерпретирование результатов является ключевым фактором, которым должен руководствоваться проектировщик.

Системы инженерного анализа комплекса T-FLEX PLM

Рис. 2. Системы инженерного анализа в составе комплекса T-FLEX PLM

• 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, в том числе параметрически изменяя геометрию;
• оба приложения являются относительно простыми универсальными решениями для наиболее распространенных видов инженерных задач. Причем пользователями программ являются и небольшие коллективы проектировщиков, и отделы крупных компаний, имеющих в штате как выделенных специалистов- расчетчиков, так и конструкторов, решающих более простые задачи;
• оба приложения являются полноценными компонентами комплекса T-FLEX PLM, что позволяет использовать программы при коллективной разработке в едином информационном пространстве, организованном на базе T-FLEX DOCs.

• 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. В случае применения регламентированных расчетных методик универсальные программы T-FLEX используются и для получения данных к эмпирическим зависимостям, и для подтверждения самих результатов расчетов.

T-FLEX Анализ: функциональные возможности программы

Рис. 3. T-FLEX Анализ позволяет автоматически генерировать сетку, воспользоваться настроенным в программе методом решения задачи и получить наглядные графические результаты

Модули статического анализа

• Анализ напряженно-деформированного состояния — позволяет производить расчет напряженно-деформированного состояния конструкций под действием приложенных к системе постоянных во времени нагрузок. Учитываются напряжения, возникающие вследствие температурного расширения/сжатия материала. По результатам расчета оценивается прочность конструкции, определяются наиболее уязвимые места конструкции;
• Анализ устойчивости — позволяет оценить запас прочности и формы потери устойчивости по критической нагрузке. Критическая нагрузка, при которой конструкция может потерять устойчивость, и форма потери устойчивости позволяют оптимизировать конструкцию путем изменения геометрических параметров либо создания дополнительных ребер жесткости;
• Анализ усталостной прочности — позволяет оценить прочность материала при действии переменных нагрузок. По результатам анализа делается заключение об усталостной прочности конструкции при заданном цикле нагружения.

Модули динамического анализа

• Анализ собственных частот — позволяет осуществлять расчет собственных (резонансных) частот конструкции и соответствующих форм колебаний. Результаты используются для повышения надежности и работоспособности изделия вусловиях, исключающих возникновение резонансов;
• Анализ вынужденных колебаний — позволяет получить зависимости отклика системы от частоты вынуждающих воздействий — силовых и/или кинематических, изменяющихся по гармоническому закону с учетом (или без) демпфирования системы. По результатам расчета для диапазона частот могут быть получены зависимости амплитуд и виброускорений от частоты вынуждающих воздействий, что важно при оценке виброустойчивости системы в заданном диапазоне частот;
• Анализ динамических процессов — позволяет рассчитать напряженно-деформированное состояние механической системы под действием изменяющихся во времени силовых и кинематических нагрузок. Модуль позволяет оценивать ударные и сейсмические воздействия на конструкции, а также ситуации падения объектов. Модуль включает два типа динамических задач: расчет линейной динамической задачи (суперпозиция мод) и расчет динамических нестационарных процессов (переходные процессы) [1].

Модули теплового анализа

• Анализ тепловых установившихся процессов предназначен для решения задач теплопроводности и теплопередачи, обеспечивая возможность оценки температурного поведения изделия под действием источников тепла и излучения. Расчет распределения температурных полей и тепловых потоков производится в предположении бесконечно-длительного периода времени, прошедшего после приложения тепловых нагрузок;
• Анализ тепловых нестационарных процессов — его назначение аналогично предыдущему модулю с той разницей, что расчет температурных полей осуществляется в функции времени (рис. 4).

Рис. 4. Оценка эффективности радиаторов охлаждения

Рис. 5. Ассоциативность конструкторско-расчетной модели

T-FLEX Динамика: функциональные возможности программы

Рис. 6. Имитация падения предметов с лестницы

Рис. 7. Анализ движения механизма и визуализация траекторий движения выбранных точек

T-FLEX Динамика дает возможность осуществлять реалистичное моделирование контактов между элементами расчетной модели. Анализ контактов выполняется автоматически, поэтому пользователь избавлен от необходимости задавать точки контакта вручную. При этом форма контактирующих тел может быть произвольной (рис. 8).

Рис. 8. Пример анализа контакта для тел произвольной формы [2]

Совместное решение инженерных задач

Рис. 9. Пример совместного решения задач инженерного анализа: а — параметрическая модель шпинделя; б — пример распределения нагрузки, действующей на шар за один оборот шпинделя; в — обобщение результатов: круговая диаграмма сил, действующих на шар, за один оборот шпинделя; г — распределение напряжений в обойме

Заключение

Список литературы