1.4. Инженерный анализ в машиностроении

1.4. ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Развитие средств вычислительной техники стимулировало распространение
инженерного анализа практически на все этапы проектирования как отдельных
деталей, узлов и агрегатов, так и изделий в целом. Многообразие физических
процессов в наукоемких изделиях, субъективность в постановке задач анализа, в
подходах к идеализации протекающих процессов, в выборе методов решения и
многие другие причины привели к созданию огромного числа специальных методик,
алгоритмов
и
программ,
предназначенных
для
решения
задач
анализа
машиностроительных изделий. В этом разделе основное внимание уделяется
вопросам организации сквозного процесса конструирования и анализа в концепции
САLS-технологий и особенностям использования наиболее распространенных
программ.
Можно
условно
выделить
четыре
основные
группы
программ
анализа:
• программные системы проектирования;
• универсальные программы анализа;
• специализированные программы анализа;
• программы анализа систем управления.
Первая группа программ - программные системы проектирования, органически
объединяющие процессы конструирования и анализа в едином комплексе, о них уже
шла речь выше. К числу программных систем проектирования относятся системы
CATIA5, EUCLID3, UNIGRAPHICS и др. При их использовании не возникают
трудности с созданием сложной и математически точной модели изделия, так как
только эти системы обладают самыми мощными средствами геометрического
моделирования. Организация обмена между подсистемами конструирования и
анализа также незаметна для пользователя - обе подсистемы оперируют с одной
базой данных или имеют внутренние форматы данных. Состав различных видов
анализа ограничен по сравнению с составом универсальных программ и в основном
предназначен для решения таких задач, как структурный анализ, линейный
статический анализ, модальный анализ, анализ (продольных) деформаций,
тепловой анализ, анализ устойчивого состояния (электропроводность, линейная
конвекция) и др.
Во вторую группу программ входят универсальные программы анализа
машиностроительных изделий. Мировыми лидерами в области разработки,
поставки и сопровождения этих программ являются ANSYS, Inc. (США),
SAMTECH (Бельгия), MacNeal Schwendler Corporation (МSС) (США). В 1970-е
годы одним из ведущих методов компьютерного моделирования стал метод конечно-элементного анализа (FEA). Благодаря разработкам этих и многих других
фирм, инженерный анализ стал практически повсеместным и постепенно перерос
в
мощное
направление,
получившее
свое
воплощение
в
системах
автоматизированного анализа (САЕ).
Фирмой ANSYS разработано семейство программ анализа. Ведущей
многоцелевой программой этого семейства является ANSYS/Multiphysics [5]. В
дополнение к ней создано подмножество автономных, специализированных
пакетов, расширяющих возможности основной программы. Среди них можно
выделить следующие:
• ANSYS/Mechanical - решение задач прочности, теплопередачи и акустики.
Расчет и оптимизация конструкции, определение перемещений, напряжений,
усилий, давлений и температур можно выполнить с помощью этого пакета;
• ANSYS/Structural - прочностной анализ проектируемого изделия с учетом
геометрических и физических нелинейностей, нелинейного поведения конечных
элементов и потери устойчивости;
• ANSYS/LinearPlus - упрощенная версия пакета ANSYS/Mechanical,
предназначенная для решения задач линейной статики, динамики и устойчивости
конструкции;
• ANSYS/Thermal - может использоваться для анализа тепловых стационарных
и нестационарных процессов;
• ANSYS/PrePost - предназначен для построения конечно-элементной сетки на
стадии подготовки задачи и обработки результатов решения в требуемом виде.
Дополнительными программами этой фирмы, которые можно использовать
совместно с ANSYS/ Multiphysics или автономно, являются:
• ANSYS/FLOTRAN - позволяет выполнять решение задач гидроаэродинамики,
включая ламинарное и турбулентное течение несжимаемых или сжимаемых
потоков;
• ANSYS/Emag - используется для моделирования электромагнитных полей;
• ANSYS/DYNA - предназначена для решения прочностных задач динамики с
учетом больших нелинейностей, среди которых могут быть задачи поведения
изделия при столкновениях и ударах, при конечных деформациях, а также задачи
нелинейного поведения материала и т.п.
ANSYS/LS-DYNA PrePost обладает всеми средствами подготовки данных для
решения и обработки полученных результатов.
Компанией SAMTECH в сотрудничестве с Лабораторией аэрокосмических
технологий Льежского университета разработана универсальная система анализа
SAMCEF [6], все расчетные модули которой связаны с единым графическим преи постпроцессором ВАСОN.
Универсальная комплексная система программ SAMCEF также имеет
модульную структуру, включая:
• THERNL - нелинейный температурный анализ стационарных и переходных
режимов; расчет задач электропроводности, конвекции, излучения. Исследования
электрических и тепловых явлений, связанных с ударом молнии или искровым
разрядом;
• ASEF - линейный статический анализ с учетом нелинейных условий;
• SPECTRAL - расчет случайных характеристик усталостных разрушений,
базирующийся на спектральном анализе;
• REPDYN - анализ переходных, гармонических и сейсмических процессов;
• STABI - определение условий потери устойчивости конструкции;
•DYNAM - расчет собственных частот упругих систем;
Среди дополнительных разработок этой фирмы можно выделить следующие
программы:
• FOURIER - линейный статический анализ задач Фурье;
•MECANO/STRUCTURERE
-
новая
программная
среда,
открывающая
возможности совместного нелинейного анализа структуры и податливости
элементов механизмов. Впервые была использована для исследования авиационной
и космической техники;
•COMPOSITIES - база данных композитных материалов;
•ROTOR - уникальный инструмент динамического анализа вращательных
механизмов;
• BOSS/QUATTRO - пакет предназначен для оптимизации работы
программной среды SAMCEF и др.
Основные программные разработки фирмы MSC это:
• MSC.NASTRAN - анализ линейной и нелинейной статики и динамики,
устойчивости, теплопередачи, акустики, аэроупругости, оптимизации конструкций;
• MSC.PATRAN - интегрированная среда систем моделирования, анализа и
проектирования на основе современного графического пользовательского
интерфейса;
• MSC.DYTRAN - анализ высоконелинейных быстротекущих динамических
процессов. Столкновение конструкций с разрушением, попадание предметов в
авиадвигатель, обрыв лопатки, взрывы, штамповка металла и т.д.;
• MSC.MARC - комплексный нелинейный анализ конструкций и решение
сложных задач термопрочности;
• MSC.FATIGUE - новые методы анализа ресурса и долговечности. Усталость,
появление и рост трещин, оптимизация конструкции по критерию долговечности;
• MSC.CFDesign - газо- и гидродинамика в среде MSC. NASTRAN. Задачи
течения жидкости и газа с учетом тепловых процессов;
• MSC.Working FEA - прочностные расчеты в пакетах AutoCAD, SolidWorks и
SolidEdge;
• MSC.NVII_Manager - комплексный анализ акустики, вибраций и
устойчивости автомобиля;
• MSC.AMS - пре- и постпроцессор для моделирования конструкции
автомобиля;
• MSC.Flight Load&Dynamics - комплексный анализ аэроупругих, динамических и
прочностных характеристик летательных аппаратов;
• MSC.MVISION - данные о свойствах материалов.
Пакет ADAMS (фирма Mechanical Dynamics, Inc.) используется для
динамического и кинематического анализа сложных механических схем
механизмов, статического и модального анализа. С помощью этого пакета могут
решаться задачи, например, стыковки космических аппаратов, динамики полета и
посадки и т.п. Двусторонняя связь с конечно-элементными пакетами (ANSYS,
MSC. NASTRAN, ABAQUS, I-DEAS) позволяет встраивать неограниченное число
конечно-элементных моделей в механизм для учета влияния деформируемости на
поведение системы. В ADAMS обеспечен обмен информацией с CAD-системами
и пакетами математических методов (MATLAB, MATRIX, EASY5).
Краткий перечень возможностей универсальных программ показывает, что в
них наиболее полно разработаны различные виды инженерного анализа, включая:
статический и динамический анализ, анализ устойчивости, нелинейный
температурный анализ (в том числе с учетом процесса фазового перехода или
химических реакций), спектральный анализ, статический анализ циклических
структур, расчет электрического поля и др. Универсальные программы
используются при проектировании изделий машиностроения, судостроения,
аэрокосмической
и
электротехнической
отраслей
для
решения
таких
специфических задач, как нелинейный теплообмен (с переходным или
стационарным
режимом,
включая
воздействие
радиации),
структурная
оптимизация, анализ упругих механизмов, усталостные разрушения, анализ
явлений вязкопластичности и др. Многоцелевая направленность этих программ
дает возможность применять их для решения даже таких смешанных задач, как
анализ прочности при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на
прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Программы
позволяют учитывать разнообразные конструктивные нелинейности, наличие
больших деформаций, получать решение задач гидроаэродинамики и др.
В универсальные программы анализа включены собственные средства
построения геометрической модели изделия. Однако возможности геометрического
моделирования этих пакетов намного слабее по сравнению с программными
системами проектирования, так как с их помощью могут решаться задачи
твердотельного моделирования сравнительно простых форм.
Все универсальные программы анализа имеют стандартные форматы обмена
графической информацией с пакетами конструирования. При необходимости
геометрическая модель проектируемого изделия может быть предварительно
создана на этапе конструирования в СAD-системе.
Третью группу программ составляют многочисленные специализированные
программы. К их числу можно отнести:
• пакет MSC.SuperForge (фирма MSC) - предназначен для объемного
моделирования процессов штамповки и ковки. Результаты анализа могут быть
использованы для проектирования оснастки и технологических процессов. Кроме
американской фирмы MSC, признанными лидерами в области моделирования
процессов штамповки и ковки также являются американская компания SFTC
(система DEFORM), французская компания TRANVALOR (система FORGE) и
российская фирма «Квантор-Софт» (система Qform).
В области разработки программных сред инженерного анализа значительные
результаты получены российскими фирмами. Приведем примеры пакетов, фирм,
выполнивших разработку, и перечень основных задач, решаемых с их помощью:
•Euler
(Автомеханика)
-
динамический
анализ
многокомпонентных
механических систем;
•ИСПА (АЛЕКСОФТ) - расчет и анализ на прочность;
• ПОЛИГОН (ЦНИИ материалов) - система моделирования литейных,
гидродинамических, тепловых и усадочных процессов в ЗD-постановке;
• РИМАН (ПроПроГруппа) - расчет и анализ напряженно-деформированного
состояния конструкций, решение упругих и пластических задач, в том числе
штамповки и ударных напряжений;
• АРМ WinMachine (НТЦ АПМ) - комплекс программ для проектирования и
расчетов деталей машин, анализа напряженно-деформированного состояния
конструкций и их элементов;
• ДИАНА (НИЦ АСК) - анализ конструкций и их элементов;
• GasDinamics Tool (Тульский государственный университет) - моделирование
газодинамических процессов и др.
К сожалению, многие из перечисленных пакетов не имеют стандартных
интерфейсов, и их использование в сквозных процессах проектирования
проблематично.
Для исследования динамических процессов, протекающих в системах
автоматического регулирования и управления, а также для решения других задач
анализа, широкое применение находят специальные программные комплексы
MATRIX, Simulink, VisSim, EASY5, МВТУ, составляющие четвертую группу
программ. Анализ динамических процессов на примере программы МВТУ рассматривается ниже (см. разд. 1.4.5).