В современных условиях развития технологий расчётные программы стали неотъемлемым инструментом работы инженера-конструктора и специалиста-расчётчика. Их актуальность и необходимость применения определяются рядом преимуществ, а прежде всего — повышением эффективности работы за счет автоматизации рутинных процессов. Современные решения существенно сокращают время на выполнение стандартных операций и позволяют инженерам сосредоточиться на творческой составляющей работы.
Экономический эффект от использования программных решений проявляется в снижении затрат на испытания и корректировку изделия, а также в сокращении сроков вывода продуктов на рынок. Это достигается благодаря уменьшению количества ошибок на этапе проектирования и возможности проведения виртуальных испытаний.
Развитие средств решения задач методом конечных элементов
В линейку расчётных систем от компании «Топ Системы» входит T-FLEX Анализ. Программа позволяет решать широкий круг статических, динамических и тепловых задач. Рассмотрим наиболее важные дополнительные и расширенные функциональные возможности, добавленные в новой версии T-FLEX Анализ на базе обратной связи, полученной от специалистов-расчетчиков.
Расчёт металлоконструкций
Для расчёта металлоконструкций реализован новый тип геометрического объекта — «балка». Балка создаётся по определённым правилам, стыкуется разными способами для образования рамных конструкций или ферм, поддерживает параметрическую геометрию профиля поперечного сечения и имеет множество вариантов стыковки, обрезки и удлинения на концах балок. При добавлении металлоконструкции в расчётную задачу вычисляются характеристики сечения балки, а сами балочные объекты преобразуются в элементы задачи на основе 1D-сеток.
При отображении балок в пре- или постпроцессоре применяется набор представлений балок, наиболее удобный для пользователя (рис. 1).
Рис.1 – Отображение результатов расчёта металлоконструкций
Расчёт слоистых композитов
Для проведения расчётов слоистых композитов, по-другому — «ламинатов», потребовалось добавление новой общесистемной модели материала под названием «составной материал». Для неё сначала выбирается уточняющий тип (рис. 2), а затем задаются или вычисляются параметры слоёв, схема укладки, толщина пакета и компонентов слоя (рис. 3).
Рис. 2 – Типы «составного материала»
Рис. 3 – Параметры слоистого композита
Для результатов расчёта «ламинатов» предусмотрены различные режимы отображения, в том числе по слоям (рис. 4). Оценка прочности слоистого композита производится с учётом определения коэффициентов запаса по критериям Цая—Ву или Цая—Хилла.
Рис. 4 – Параметры результатов для детали из слоистого композита
Формирование состава задачи и новые сценарии управления сеткой
Для полноценной поддержки балочных объектов на основе 1D-конечных элементов (КЭ) необходимо реализовать расчёт гибридных моделей, так как металлоконструкции редко состоят из одних балок. В таких конструкциях часто присутствуют «косынки» на основе пластинчатых 2D-элементов и объёмные тела на основе 3D-элементов.
Для учёта гибридной геометрии, наравне с выбором элементов задачи из сцены, реализован режим группировки элементов задачи. Группировка производится либо автоматически (по типам геометрии), либо вручную (например, по логическим признакам: «рама», «подвеска», «кузов» и т.д.).
Рис. 5 – Формирование задачи на основе групп и задание параметров сетки в группе
При создании сетки группировка элементов задачи позволила реализовать недоступные ранее сценарии её построения и обновления (рис. 5):
- задавать индивидуальные параметры КЭ для групп одного и того же типа;
- обеспечивать возможность поэтапного создания сетки для выбранных групп;
- частично перегенерировать сетку для выбранных групп, например, если геометрические размеры изменились;
- локализовать проблемные места на геометрии с применением групп и построением в них упрощённой сетки.
Анализ сетки
По сгенерированной конечно-элементной сетке не всегда понятно, хорошего или плохого качества сетка и по каким критериям оценивать её качество? Для ответа на эти вопросы был разработан набор функциональности под названием «Анализ сетки», который позволяет:
- оценивать качество сетки на основе заданных критериев (рис. 6);
Рис. 6 – Подсвечены конечные элементы с учётом выбранного критерия и заданного диапазона значений
- выбирать области сетки, то есть производить фильтрацию сетки, скрывая или отображая выбранные области (рис. 7);
Рис. 7 – Скрытие областей сетки для анализа её состояния
- выводить информацию о сетке (рис. 8).
Рис. 8 – Вывод информации о сетке
Учёт нелинейного поведения материала
Поддержка геометрической нелинейности была реализована ещё в ранних версиях программы T-FLEX Анализ. Гиперупругое поведение материала впервые появилось в 17-й версии продукта, но это была начальная реализация, требующая дальнейшего развития. В 18-й версии были существенно доработаны алгоритмы гиперупругого поведения материала для моделирования поведения резин и эластомеров (рис. 9).
Рис. 9 – Моделирование гиперупругого поведения материала
Также в 18-й версии продукта реализованы алгоритмы для моделирования пластичного поведения материала (рис. 10).
Рис. 10 – Моделирование пластичного поведения материала
Новые общесистемные и сервисные возможности пре- и постпроцессора
В связи с большим количеством нововведений в функциональности потребовалось реализовать множество вспомогательных инструментов и сервисов для построения расчётной геометрии и создания расчётной модели. Представим некоторые из них:
- инструмент для получения серединных поверхностей в ручном и автоматическом режимах (рис. 11);
Рис. 11 – Получение серединной поверхности
- сервисы для работы с оболочками и слоистыми композитами, позволяющие управлять положением серединной поверхности по толщине листового материала, отображать цветом верх/низ поверхностей, управлять отображением толщин оболочек, разработаны специальные режимы отображения результатов расчёта для композитов;
- сервисы для работы с балочными объектами, такие как управление режимами отображения балок в сцене, специальные виды результатов в виде эпюр силовых факторов;
- общесистемный инструмент «Шкала», применяемый как при отображении результатов, так и при различных измерениях в T-FLEX CAD (рис. 12);
Рис. 12 – Пример унификации инструмента «Шкала» для расчётных задач (слева) и оценки кривизны поверхности (справа)
- единая сцена для геометрической и расчётной моделей, которая позволяет отобразить рассчитанные элементы вместе с окружением остальных конструктивных элементов (рис. 12, слева);
- одновременное отображение в сцене разнородных результатов для разных частей конструкции, как показано на примере водонапорной башни (рис. 13). Также появилась возможность объединения шкал, если результаты совместимы;
Рис. 13 – Отображение разных результатов (температуры и перемещений) в одной сцене
- сервис для сравнения результатов в разделённых окнах в синхронном режиме (рис. 14).
Рис. 14 – Инструмент для сравнения результатов в разделённых синхронных окнах
Развитие инструментов анализа кинематики и динамики
Для моделирования кинематики и динамики движущихся механизмов используется программный продукт T-FLEX Динамика. Программа позволяет решать задачи имитационного моделирования с получением количественных и качественных результатов на подвижных моделях: траектории, скорости и ускорения любых точек под действием сил; временные характеристики и силы взаимодействия между элементами системы.
В T-FLEX Динамике существует возможность выгрузить геометрию в заданном положении для того, чтобы рассчитать, к примеру, прочность конструкции в программах на основе метода конечных элементов. Одной из возможностей в T-FLEX Динамике является определение наиболее неблагоприятного положения механизма в процессе работы, для которого в T-FLEX Анализ необходимо произвести расчёт на прочность (рис. 15). Данный сценарий реализован и готов к использованию.
Рис. 15 – Определение наиболее неблагоприятного положения механизма в процессе работы для последующей проверки на прочность
В 18-й версии продукта T-FLEX Динамика акцент сделан на упрощении задания условий задачи, удобстве инструментов и простоте взаимодействия с программой T-FLEX Анализ для совместного проведения расчётов.
Важной доработкой является инструмент для получения «ометаемых» объёмов, при помощи которого можно получать опорную или габаритную геометрию для последующего проектирования (рис. 16).
Рисунок 16 – Использование ометаемого объёма для получения эквидистанты смежных элементов конструкции
Расширение средств интеграции с партнёрскими расчётными системами
На текущем этапе развития расчётных систем существует необходимость обмениваться данными с внешними CAE-продуктами. Например, T-FLEX Анализ учитывает пластическое поведение, но не учитывает разрушение материала, чтобы оценить остаточную жизнеспособность конструкции. В этих случаях компания «Топ Системы» предоставляет пользователям возможность обмениваться данными с внешними CAE-системами, где задача может быть решена.
Если необходимо произвести обмен данными на уровне инженера, то он выполняет это сам при помощи обменных файлов в случае, когда из T-FLEX CAD необходимо передать геометрическую модель во внешнюю расчётную систему в определённом формате. Если же разработчики внешней CAE-системы желают автоматизировать какие-либо операции или провести более глубокую интеграцию, встроив свой решатель в T-FLEX CAD, то для этого используется API. Компания «Топ Системы» при разработке программного комплекса T-FLEX PLM развивает API-функции. Процесс добавления новых API-функций постоянно осуществляется в сотрудничестве с разработчиками сторонних CAE-систем. Примером такой интеграции является решение CADFlo (рис. 17).
Рис. 17 – Пример «бесшовной» интеграции T-FLEX CAD и CADFlo
Отдельным направлением является развитие универсального постпроцессора, позволяющего отображать внешние результаты через импорт данных в формате VTK непосредственно в постпроцессоре программы T-FLEX Анализ (рис. 18).
Рис. 18 – Отображение средствами T-FLEX Анализ результатов расчёта в CAE Fidesys
Развитие средств управления расчётными данными
Важным направлением деятельности, входящим в сферу интересов компании «Топ Системы», является разработка программных инструментов и механизмов для управления расчётными данными. Под «расчётными данными» понимаются любые данные, которые необходимы для постановки задачи (приказы, руководящие документы, модели, эскизы), проведения расчёта (например, КЭ-сетка), а также любые результаты расчёта произвольного характера (файлы выгруженных результатов, деформированное состояние и др.).
Система управления расчётными данными основана на возможностях платформы T-FLEX PLM, где CAD-система (T-FLEX CAD или любое другое внешнее ПО) является источником геометрических данных. CAE-система также может быть любого класса или уровня (FEA, MBD, CFD, 1D, специальное ПО). Базовые компоненты платформы T-FLEX PLM (группы и пользователи, управление доступом, бизнес-процессы, конфигурирование/версии/ревизии и т.д.) и платформенные решения (системная инженерия, управление данными об изделии и др.) — всё это является основой данного решения (рис. 19 и 20).
Рис. 19 – Панель навигации с инструментами управления расчётными данными
Основные задачи, которые решает система управления расчётными данными:
- обеспечение процесса проведения расчётов и сокращение их количества при разработке сложной техники;
- упорядочение и поиск расчётных данных (нагрузки, характеристики, свойства материалов);
- организация типовых расчётных процессов, их автоматизация и повторное использование;
- агрегация и хранение расчётных данных: исходных и результирующих;
- обеспечение связей между расчётными данными и их прослеживаемость.
Рисунок 20 – Пример специализированного расчёта в системе управления расчётными данными
В данной статье обозначены основные направления, над которыми трудятся разработчики, аналитики и тестировщики компании «Топ Системы». В следующих публикациях будут более подробно представлены функциональные возможности расчетных систем компании.