Комплексное решение для прочностного анализа 3D-моделей

Вячеслав Каширский

В августе Группа компаний АСКОН и Научно-технический центр «Автоматизированное проектирование машин» представили сапровской общественности совместное комплексное решение для автоматизации прочностных расчетов.

Этого шага многочисленные пользователи КОМПАС-3D ждали с нетерпением. До недавнего времени подобные системы расчета прочности можно было приобрести лишь у ряда известных зарубежных вендоров. При всех плюсах таких решений (многофункциональность и универсальность), они имеют очень высокую стоимость. По этой причине их использование становится экономически целесообразным только в специальных «расчетных» подразделениях крупных предприятий. Продавцы же систем «среднего» уровня часто лукавят, заявляя, что их встроенные решения «закрывают» большинство расчетных задач, и утверждая при этом, что российские разработки несовершенны и ненадежны.

Несомненно, в современных условиях жесткой конкуренции заказчики требуют от предприятий качественных проектных решений, подкрепленных надежной расчетно-проверочной базой. Актуальной задачей является обеспечение прочности конструкций и их элементов по параметру себестоимости и весовым характеристикам. При этом для проведения качественного анализа необходима трехмерная модель, максимально соответствующая реальной конструкции.

Все вышеперечисленные факторы и привели две известнейшие российские компании к идее интеграции своих программных продуктов и создания комплекса ПО, позволяющего выполнять анализ напряженно-деформированного состояния изделий на основе созданных трехмерных моделей. В   качестве трехмерного моделлера в комплексе выступает КОМПАС-3D, а подготовка модели к расчету, расчет и вывод результатов возложен на APM Studio FEM. В нем могут быть рассчитаны стержневые, тонкие пластинчатые и объемные твердотельные конструкции, а также их произвольные комбинации. В состав этого решения входят инструменты подготовки трехмерных моделей к расчету, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно-элементной сетки (как с постоянным, так и с переменным шагом) и постпроцессор. Этот функциональный набор позволяет смоделировать поверхностный или твердотельный объект и проанализировать поведение расчетной модели при различных воздействиях.

Технологически это выглядит следующим образом. Трехмерные модели могут быть переданы для расчета тремя способами:

• из КОМПАС-3D, используя стандартный метод подключения библиотек (рис. 1);
• из APM Studio FEM, если в настоящий момент модель открыта в КОМПАС-3D (рис. 2);
• из APM Studio FEM, используя функцию импортирования, если модель ранее была сохранена в формате КОМПАС-3D (рис. 3).

Закрепление и нагружение модели может происходить произвольным образом как силовыми, так и термическими воздействиями непосредственно в окне редактора APM Studio FEM (рис. 4 и 5).

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Предварительно проводится указание опорных поверхностей (закрепляется деталь) и задаются условия нагружения (рис. 6-8). Интерфейс программы позволяет пользователю непосредственно на пространственной модели конструкции указать граничные условия и задать нагрузки различных типов:

• силы, распределенные по длине;
• силы, распределенные по поверхности;
• силы, распределенные по объ­ему (инерционные);
• давление гидростатического типа;
• давление контактного типа;
• нагрузка, изменяющаяся по произвольному закону;
• температурные градиенты;
• линейные и угловые перемещения.

В системе реализована возможность динамического анализа. Это позволяет определять частоты и формы собственных колебаний, в том числе для моделей с предварительным нагружением, выполнить расчет на вибрацию оснований, провести расчет вынужденных колебаний, описать поведение системы при заданном законе изменения вынуждающей нагрузки от времени с анимацией колебательного процесса.

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Очередным шагом перед расчетом прочности является уточнение свойств материала в соответствующей базе данных (рис. 9).

Для создания конечно-элемент­ного представления объекта в APM Studio FEM предусмотрена функция генерации конечно-элементной сетки (рис. 10 и 11). При ее вызове происходит соответствующее разбиение объекта с заданным шагом. Если созданная расчетная модель имеет сложные неравномерные геометрические переходы, то может быть проведено адаптивное разбиение. Для того чтобы результат процесса был более качественным, генератор конечно-элементной сетки автоматически (с учетом заданного пользователем максимального коэффициента сгущения) варьирует величину шага разбиения. Этот функциональный набор позволяет комплексно проанализировать поведение расчетной модели при различных воздействиях (рис. 12 и 13).

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

APM Studio FEM дает возможность решать линейные задачи по расчету напряженно-деформированного состояния (статический расчет), статической прочности сборок, устойчивости, термоупругости, стационарной теплопроводности (рис. 14).

Рис. 14

Результатами расчетов являются:

• распределение эквивалентных напряжений и их составляющих, а также главных напряжений;
• распределение линейных, угловых и суммарных перемещений;
• распределение деформаций по элементам модели;
• карты и эпюры распределения внутренних усилий;
• значение коэффициента запаса устойчивости и формы потери устойчивости;
• распределение коэффициентов запаса и числа циклов по критерию усталостной прочности;
• распределение коэффициентов запаса по критериям текучести и прочности;
• распределение температурных полей и термонапряжений;
• координаты центра тяжести, вес, объем, длина, площадь поверхности, моменты инерции модели, а также моменты инерции, статические моменты и площади поперечных сечений;
• реакции в опорах конструкции, а также суммарные реакции, приведенные к центру тяжести модели.

Рис. 15

Рис. 16

Рис. 17

Рис. 18

В комплексном решении для автоматизации прочностных расчетов компании АСКОН и НТЦ АПМ объединены достоинства «тяжелых» и «средних» решений: невысокая стоимость, широкие функциональные возможности, универсальность и простота освоения. Оно позволит широкому кругу инженеров анализировать поведение расчетной модели при различных воздействиях и создавать оптимальные по цене, весу и энергопотреблению конструкции, а значит, такие изделия непременно будут конкурентоспособны как на российском, так и на мировом рынке.

САПР и графика 9`2008