НТЦ «АПМ» — обновляем свой САПР снаружи и изнутри!

Сергей Розинский
Руководитель отдела продаж НТЦ «АПМ»

После некоторой паузы хотелось бы возобновить знакомство читателей с российскими системами автоматизированного проектирования APM WinMachine и APM Civil Engineering, которые разрабатываются Научно­техническим центром «АПМ».

В 2014 году наша компания выпустила очередную, 12­ю версию систем APM WinMachine и APM Civil Engineering. Несомненно, и опыт наших пользователей, и собственный опыт использования ПО для выполнения реальных расчетных проектов был учтен в современных разработках компании и тех новых возможностях, которые появились в обновленных версиях продуктов. Но, обо всем по порядку…

В последнее время наибольшим спросом и популярностью пользуются наши модули прочностного анализа. Интерес к ним вполне обоснован, учитывая сложность современных конструкций как в машиностроительной, так и в строительной области, а также меру ответственности за их сооружение и бесперебойную эксплуатацию.

Этим объясняется то, что в последний год были проведены серьезные изменения и дополнения именно в модулях, предназначенных для оценки напряженно­деформированного состояния, устойчивости, собственной и вынужденной динамики конструкций.

Большое внимание было уделено интерфейсной части модуля APM Structure3D. Обновлено окно­заставка (splash screen) — теперь по нему можно сразу визуально различить строительную и машиностроительную модификацию данного модуля (рис. 1).

Рис. 1. Обновленный splash screen модуля APM Structure3D

На панели инструментов Текущие параметры добавлено цветовое отображение слоев, материалов, сечений и загружений. При этом имеется возможность интерактивного регулирования отображения слоев и загружений, а также изменения цветовых настроек слоя, материала, загружения (рис. 2). Эти возможности не только позволяют сделать работу пользователя удобнее, но и реально экономят до 40% рабочего времени при построении сложных расчетных схем.

Рис. 2. Обновленная панель инструментов Текущие параметры

Рис. 3. Отображение поперечного сечения стержня
при его повороте с учетом заданного эксцентриситета

В наиболее востребованном разделе модуля — работа с металлоконструкциями — тоже произошли некоторые изменения, в частности при повороте сечения стержневого элемента конструкции оно отображается со смещением относительно центра масс, если таковое ранее было задано пользователем (рис. 3).

Для быстрой проверки нагрузок, заданных на стержневые конечные элементы, реализована специализированная панель. Она позволяет визуализировать значения нагрузок, установленных на стержни как в локальной, так и глобальной системе координат редактора (рис. 4). В результате время на проверку введенных исходных данных заметно сокращается!

Рис. 4. Визуализация значений нагрузок на стержневые конечные элементы

Рис. 5. Простановка выносок на эпюрах силовых факторов для стержней

Анализ результатов является неотъемлемой и важной частью работы в расчетном редакторе, поэтому ряд улучшений коснулся именно этого раздела. Например, при показе эпюр силовых факторов добавлена возможность простановки выносок для точного визуального определения числовых значений (рис. 5).

Кардинально переделано окно вывода информации Напряжения в сечении. Само окно поддерживает интерактивную работу с изображением сечения (масштабирование и перемещение мышкой), а также имеет полезную сопроводительную информацию (расположение центра масс сечения, вид напряжений, расстояние до места «сечения»). При необходимости можно воспользоваться инструментом Выноска для более детального исследования результатов распределения напряжений по сечению стержневого элемента (рис. 6).

Рис. 6. Обновленное окно Напряжения в сечении

Рис. 7. Визуальный показ реакций в опорах цветными векторами различного масштаба

Рис. 8. Пример работы с подконструкциями

Для более качественной оценки реакций в опорах реализован механизм показа векторов реакций. Эта визуальная опция позволяет наглядно продемонстрировать распределение усилий во всех опорных точках конструкции (рис. 7).

Помимо визуальных обновлений модуля APM Structure3D, в нем появились и существенные изменения в расчетной части. Например, реализован алгоритм работы с подконструкциями. Применение данного метода позволит рассчитывать конструкции большей размерности, при этом могут быть снижены требования к объему оперативной памяти компьютера. Суть метода подконструкций заключается в том, что исходная модель делится на части (подконструкции). Далее происходит «свертывание» информации по отдельным частям к граничным (общим) узлам (степеням свободы). После этого проводится расчет «сокращенной» модели конструкции и обратное «развертывание» информации от граничных узлов ко всем частям (подконструкциям) для демонстрации результатов расчета. Упрощенно данный процесс продемонстрирован на рис. 8.

Рис. 9. Окно настроек Параметры расчета для нелинейного анализа

Существенной доработке подвергся раздел нелинейного анализа. В текущей, 12­й версии существуют возможности проведения расчета с учетом:

• геометрической нелинейности (большие перемещения при линейных свойствах материала) — реализован для всех видов КЭ: стержневых, пластинчатых и 4­, 6­, 8­ и 10­узловых объемных КЭ;
• физической нелинейности (учет нелинейных свойств материала) при линейном геометрическом расчете в области малых перемещений — только для 4­, 6­ и 8­узловых объемных КЭ;
• общей нелинейности. Этот вид нелинейного расчета позволяет одновременно провести два вида расчета — расчет геометрической нелинейности (большие перемещения) с учетом физической нелинейности, то есть с учетом нелинейных свойств материала только для 4­, 6­ и 8­узловых объемных КЭ;
• односторонних опор. Линейный расчет при линейных свойствах материала и малых перемещениях. При этом определяются «работающие» односторонние опоры;
• контактного взаимодействия (при линейных свойствах материала в области малых перемещений).

В модуле APM Structure3D v. 12 добавлен новый тип нелинейного расчета — расчет физической и общей нелинейности по теории течения. Пользователь имеет возможность выбрать, по какому типу проводить расчет физической нелинейности:

• по теории малых упруго­плас­тических деформаций (ТМУПД);
• теории течения.

На рис. 9 показано окно настройки параметров нелинейного расчета модуля APM Structure3D.

Особенности метода расчета физической нелинейности по теории течения (по сравнению с ТМУПД):

• возможен расчет в том случае, если напряженное состояние непропорционально одному параметру;
• близкий к реальному метод нагружения — идет «пошаговая догрузка» и накопление деформаций в процессе расчета;
• решаются задачи с большими пластическими деформациями;
• учитывается «история» предыдущих шагов нагружений.

На рис. 10 показан пример результата расчета гибки металлической полосы после проведения расчета с учетом общей нелинейности.

Рис.10. Пример вывода результатов нелинейного расчета

Рис. 11. Третья форма потери устойчивости металлоконструкции стеллажа (Метод Ланцоша)

Расчет устойчивости — еще один расчет, которому было уделено особое внимание. В 12­й версии увеличен список методов расчета. Теперь их пять:

• итерации Арнольди (только для 32­разрядной версии);
• ПКД (поиск корней детерминанта);
• метод Ланцоша;
• метод FEAST;
• ПКД (Sparse) (поиск корня детерминанта).

Следует отметить, что поскольку расчет на устойчивость относится к нелинейным, он выполняется только для одного загружения или одной комбинации загружений. Каждый из методов имеет свои особенности, которые описаны в руководстве пользователя. За счет применения того или иного метода у пользователя существенно расширяются рамки возможностей при проведении расчетов устойчивости различного рода конструкций (рис. 11). При этом сами расчеты можно проводить более рационально, используя современные и быстрые расчетные алгоритмы.

Помимо прочностного анализа достаточно популярен раздел анализа теплового. Тепловые расчеты в наших продуктах реализованы в двух вариантах: стационарная и нестационарная теплопроводность.

Для выполнения процедур теплового расчета предусмотрены механизмы задания:

• локальных температур;
• тепловых потоков;
• конвекционных параметров теплообмена;
• параметров теплоизлучения.

При этом в рамках выполнения данных расчетов возможно получить:

• расчет температур в любой точке модели конструкции в условиях установившегося теплового режима эксплуатации;
• расчет температур в любой точке модели для переменного во времени эксплуатационного режима;
• визуализацию результатов расчета в форме температурных карт — как на поверхности, так и в поперечном сечении модели;
• анимационное представление результатов расчета в случае нестационарной теплопроводности и теплообмена.

Пример применения теплового расчета показан на рис. 12 и 13.

Рис. 12. Процесс сварки трубы — расчетная модель и карты температур
в середине и конце процесса

Рис. 13. Карты напряжений
и деформаций после окончания процесса сварки

Рис. 14. Виды композиционных материалов

В 12­й версии продолжается развитие и некоторых специфических разделов. В частности, расчеты конструкций из композиционных материалов, обладающих следующими свойствами:

• ламинат — слоистый композиционный материал (материал D на рис. 14) структурно состоит из определенного числа связанных воедино ортотропных слоев (материал C). Направление ортотропной симметрии слоев задается в плоскости пластины;
• пластина имеет малую по сравнению с другими размерами постоянную толщину;
• все слои работают в упругой зоне;
• отсутствует проскальзывание между монослоями;
• перемещения в плоскости пластины малы по сравнению с толщиной;
• деформации и напряжения в поперечной пластине плоскости незначительны;
• поперечные перемещения точек ламината есть линейные зависимости от вертикальной координаты.

Расчет НДС элементов из такого материала производится по классической теории ламинатных пластин (Basics of Laminate Theory) — рис. 15. Редактирование свойств анизотропного материала и слоистого композита реализовано в диалоге свойств материала.

Рис. 15. Пример окна задания свойств композита и вывода результатов расчета его напряженного состояния

Началась реализация принципиально нового вида усталостного расчета, учитывающего стохастическое нагружение. В диалоге «Усталостное многостадийное случайное нагружение» пользователь имеет возможность комбинировать несколько стадий нагружения, каждая из которых обладает своими статистическими парамет­рами. Реализовано три варианта в задании типов стадий:

• стадия, заданная по корреляционной функции;
• стадия, заданная спектральной плотностью мощности;
• стадия, загружаемая из файла, созданного сторонним приложением в одном из текстовых форматов.

На основе синтезированной стохастической нагрузки от времени осуществляется расчет распределения напряжений схематизацией «методом дождя». Гистограмма нагрузки от числа полуциклов приводится к эквивалентному синусоидальному посредством корректированной линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений при нерегулярном нагружении (рис. 16). На основе этих величин вычисляются коэффициенты запаса по числу циклов.

Для расчета прочности отдельных деталей и узлов, спроектированных в сторонних трехмерных графических пакетах, модель обычно импортируется в модуль APM Studio. В связи с этим он тоже активно разрабатывается и наращивает свои возможности.

Рис. 16. Работа в диалоговых окнах при проведении усталостного расчета

В 12­й версии модуля APM Studio вставлено новое окно­заставка (splash screen) — рис. 17.

Но, конечно, есть и более важные нововведения. Они в основном касаются работы по генерации конечно­элементной сетки, а также затрагивают раздел по выводу результатов расчета.

Рис. 17. Обновленный splash screen модуля APM Studio

18. Пример генерации плоской КЭ-сетки 4-узловыми пластинами

При расчете конструкций из тонкого листового металла их моделирование ведется в основном пластинчатыми конечными элементами. Теперь для автоматической генерации поверхностных сеток добавлен новый тип конечных элементов — 4­узловые пластины (рис. 18). Дополнительно для генерации подобной сетки используется опция «четырехугольно­доминантная сетка», что позволяет более корректно обрабатывать сложные переходы пространственной геометрии моделей (рис. 19). Применение 4­узловых пластин позволяет быстрее получить решение задачи с инженерной точностью вычислений по сравнению с применением 3­узловых пластин.

Рис. 19. Включение дополнительной опции
«четырехугольно-доминантная сетка»

В процесс генерации конечно­элементной сетки из твердотельных элементов тоже были внесены изменения. Помимо добавления в арсенал десяти узловых тетраэдров, была добавлена опция Учет кривизны границы (рис. 20). Данная возможность позволит с минимальными искажениями описывать радиусные части деталей, что может положительно сказаться на получаемом в итоге результате расчета.

Рис. 20. Пример применения опции Учет кривизны границы

Рис. 21. Подключение всех ядер процессоров к процедуре генерации конечно-элементной сетки

Для увеличения производительности процедуры генерации сетки на сложных сборках данный процесс теперь распараллеливается на несколько ядер/процессоров, что, в свою очередь, уменьшает общее время данной операции (рис. 21).

Важным этапом, следующим за генерацией КЭ­сетки, является этап контроля ее качества, так как от него напрямую зависит точность получаемых результатов. Начиная с 12­й версии в модуль APM Studio добавлен режим «рассечения» сетки конечных элементов для контроля качества разбиения твердотельных моделей (рис. 22).

Рис. 22. Работа с режимом Глубина просмотра позволяет «заглянуть внутрь» КЭ-сетки модели

От удобства и наглядности этапа вывода и визуализации результатов расчета в программе зависит скорость принятия решений. Поэтому в каждой новой версии мы стараемся улучшать и оптимизировать процедуры вывода расчетной информации. Так, при работе с картами результатов реализована опция Глубина просмотра, которая позволяет «заглянуть внутрь» любой карты результатов, например карты напряжений, чтобы понять, как они распределяются по глубине стенок модели (рис. 23).

Для более детального анализа карт результатов реализован инструмент Выноска. Он позволяет вести динамическое обследование модели, то есть показывать цифровые значения параметров в любой точке модели, а также делать статические выноски (рис. 24).

Рис. 23. Произвольный «срез» на карте напряженного состояния

Рис. 24. Работа на карте результатов с объектом Выноска

Рис. 25. Пример работы с картами результатов в виде изолиний
или изоповерхностей

Для оптимизации конструкций при показе результатов будут полезны следующие опции: показ карты результатов в виде изолиний или изоповерхностей
(рис. 25), а также возможность интерактивно менять диапазон цветовой шкалы с параллельным гашением конечных элементов, не попадающих в указанный пользователем диапазон (рис. 26).

Рис. 26. Пример изменения границ цветовой шкалы и отображения «урезанной» модели

Не осталась без внимания и наша строительная линейка, представленная системой APM Civil Engineering. В частности, в 12­й версии доработаны возможности применения канатов. При проведении нелинейного расчета со специальной настройкой программа показывает пользователю «неработающие» канаты, помечая их прямо на модели крестиками (рис. 27). Впоследствии эти канаты могут быть убраны из модели (они заменяются эквивалентными усилиями для правильного учета их веса). Далее делается вторая итерация расчета, результаты которой демонстрируют реальную работу конструкции.

Рис. 27. Визуальное отображение канатов, работающих на сжатие

Продолжают развиваться и такие специализированные направления, как расчеты электромагнитных полей, расчеты течения жидкостей и газов.

На базе модуля APM Studio построена интерактивная среда для решения задач механики жидкости и газа с полным набором собственных инструментов, необходимых для реализации поставленных задач. Этот программный продукт предназначен для выполнения следующих функций:

• анализа векторных полей скоростных потоков жидкости и газа в открытых и закрытых каналах и расчета их силовых характеристик в режимах установившегося и неустановившегося течения;
• определения параметров обтекания неподвижных и движущихся тел сложной геометрической формы;
• решения задач фильтрации пористых сред и грунтов и задач диффузии, для случаев стационарных и нестационарных течений;
• определения параметров теплообмена.

Для решения всего спектра перечисленных выше задач используются современные высокопроизводительные математические методы, которые позволяют находить решения стационарных и нестационарных систем уравнений Навье — Стокса для вязких и невязких сплошных сред при произвольных граничных условиях и при различных скоростях течения жидких и газообразных сред.

Рис. 28. Пример результатов расчета обтекания крыла

Рис. 29. Пример результатов расчета течения через диффузор

В результате выполнения расчетных процедур можно получить карты изменения таких параметров трехмерной среды, как скорость, ускорение, давление и силовые воздействия, их изменение во времени (рис. 28 и 29). Переменные во времени режимы можно наблюдать в анимационной форме.

На базе модуля APM Structure3D разрабатывается инструмент моделирования электростатических, магнитостатических и электромагнитных высокочастотных и низкочастотных полей. Функциональные возможности по решению систем уравнений электродинамики достаточны, чтобы описать процессы, являющиеся предметом анализа таких электрических явлений, как:

• электростатика;
• магнитостатика проводников и диэлектриков;
• электродинамика в ферромагнитной среде и вакууме;
• электромагнитные волны и их излучение;
• стоячие волны и резонаторы.

Расчеты выполняются для стационарных и нестационарных режимов (рис. 30).

Новые возможности, описанные в данной статье, отражают лишь наиболее значимые изменения и дополнения в системах APM WinMachine 12 и APM Civil Engineering 12. Хотелось бы отметить, что у нас, как у компании­разработчика, большие планы по дальнейшему развитию этих программных продуктов. И некоторые из них можно озвучить уже сейчас.

Рис. 30. Пример результатов расчета активного магнитного подшипника

В модуле прочностного анализа APM Structure3D появится конечный элемент нового типа — TUBE (участок трубопровода) — рис. 31. Это позволит уменьшить размерность решаемых задач и снизить временные затраты на расчет. Упрощается сама процедура подготовки моделей и выполнение анализа результатов расчета. Новый элемент крайне актуален для моделирования конструкций трубопроводов, которые встречаются во многих отраслях промышленности.

В модуле APM Studio появится возможность автоматически генерировать гексагональную конечно­элементную сетку с элементами первого и второго порядка (8­ и 20­узловыми) — рис. 32. Это, в свою очередь, положительно скажется на снижении размерности сеток для решения тех или иных задач, при сохранении допустимой точности вычислений.

Рис. 31. Конечный элемент — TUBE (участок трубопровода)

Рис. 32. Гексагональные
8- и 20-узловые конечные элементы

Решения задач конечно­эле­ментного анализа будут дополнены функциями учета переменности констант в зависимости от парамет­ров среды (например, температуры, давления и т.п.) — рис. 33. Это крайне актуально для реалистичного моделирования процессов сварки, литья, обработки металлов давлением, электродинамики и т.п. Серьезная доработка будет осуществлена для задач расчета физической нелинейности. Возможно дополнение расчета по теории течения моделями Друкера — Прагера и Кулона — Мора.

Рис. 33. Охлаждение заготовки в литейной форме (часть формы условно скрыта)

Рис. 34. Пример кулисно-ползунного механизма от строгального станка

Доработке подвергнется и раздел по решению задач динамики механизмов (рис. 34). В планах:

• разработка и встраивание решателя дифференциальных уравнений движения прямым методом (до этого использовался метод разложения по собственным формам);
• будут введены новые объекты:

    ­ пружина с демпфером,

    ­ различные типы «GAP»­эле­мен­тов (элементы с зазорами);

• будут введены инструменты преобразования объемных сборок в схемотехнические представления с целью их последующего динамического анализа.

Особое внимание планируется уделить нашему строительному направлению. В частности, решению задач учета подвижной нагрузки по траектории, по скорости и по величинам силовых факторов, построения линий влияния. Всё это — актуальные задачи при расчетах мостовых конструкций.

Продолжится разработка специализированного трехмерного геометрического редактора железобетонных и деревянных строительных конструкций с автоматической генерацией чертежей деталей и сборок. Данный редактор автоматически переводит архитектурную модель конструкции в расчетную, что позволит экономить значительное время проектировщика!

Рис. 35. Пример отображения карты напластования грунта под промышленным зданием

Важной составляющей любой расчетной модели строительного характера является реализация фундамента и грунтового основания (рис. 35). Для того чтобы оценка работы основания была наиболее реалистичной и исчерпывающей, будут добавлены дополнительные критерии (Друкера — Прагера и Кулона — Мора),

Конечно, о планах можно говорить много, но, подытоживая всё вышесказанное, хочется пожелать всем нашим пользователям успешного обновления до современной 12­й версии для решения насущных задач. В свою очередь, коллектив компании НТЦ «АПМ» будет стремиться к реализации всех намеченных планов, чтобы в будущем году появилась очередная новая версия! 

САПР и графика 8`2014