Автор: Сергей Бабичев, руководитель направления инженерного анализа, АО «Топ Системы»
Сергей Бабичев
Руководитель направления инженерного анализа, АО «Топ Системы»
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).
Рис. 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.
Рис. 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.