Robot Millennium — многоцелевое программное обеспечение для инженерных расчетов и проектирования

Константин Егупов

Возможности программного комплекса (ПК) Robot Millennium (RМ)

Графическая оболочка программы

Бурное развитие строительной индустрии во всем мире во многом обязано эффективным компьютерным технологиям, которые позволяют решать сложные задачи расчета и проектирования. Компания RoboBAT — крупнейший в Европе производитель программного обеспечения в сфере строительного проектирования. Начало ее деятельности приходится на 1983 год, когда была создана первая версия программы по расчету стальных конструкций. Впоследствии версия Robot V6 стала лидером в области проектирования инженерных сооружений. Главный офис компании находится в г.Мэлан (Франция). На сегодняшний день в компании работают ведущие специалисты со всего мира. Свыше 150 сотрудников (из них 55 во Франции) создают и совершенствуют программное обеспечение, отвечающее требованиям крупных и малых проектных организаций, учебных заведений. Сегодня ПО RoboBAT используется гражданскими инженерами на пяти континентах. Более 6 тыс. компаний в мире являются клиентами фирмы. Партнерская сеть RoboBAT — это 37 дистрибьюторов и 7 филиалов в 60 странах мира, в их число входят Россия, Украина, Эстония, Литва, США, Великобритания, Польша, Франция, Германия, Тунис, Марокко, Сенегал, Алжир и др. Диапазон программного обеспечения, создаваемого RobоBAT, весьма широк и охватывает многие области науки и техники. На базе программ фирмы запроектированы и построены сотни объектов промышленного и гражданского назначения. RoboBAT обеспечивает постоянные инвестиции на исследования и разработки в объеме свыше 1,5 млн. долл. в год. Это позволяет поддерживать качество программных продуктов на современном уровне.

Представленный в данной статье программный комплекс (ПК) Robot Millennium (RМ), разработанный фирмой RoboBAT, воплощает в себе главные тенденции и актуальные направления современных систем проектирования.

В мировой практике основные тенденции и актуальные направления развития современных вычислительных систем заключаются в следующем: минимум временных затрат при максимальном количестве принятых инженерных решений и всестороннем и глубоком анализе.

Для сокращения времени, необходимого для принятия решений, повышают и эффективность рабочего окружения, и эффективность расчетчика, расширяют спектр возможностей комплекса.

Известно, что при решении практических задач временные затраты в процентном отношении: около 40% времени занимают постановка и подготовка исходных данных, 20% — решение задачи и 40% — просмотр и обработка результатов расчета. Определяющим параметром современных систем является интенсивность пользовательской работы с графической оболочкой программы, то есть эффективность рабочего окружения. Решение перечисленных проблем является отличительной чертой программного комплекса Robot Millennium по сравнению с другими ПК, представленными на рынке СНГ.

Возможности программного комплекса (ПК) Robot Millennium (RМ)

ПК RM представляет собой единую систему, объединяющую в одном уникальном приложении все этапы проектирования конструкций — от создания расчетной схемы до реализации отчетов и чертежей. ПК позволяет выполнить общий анализ поведения конструкции на основе метода конечных элементов (МКЭ), используя обширную библиотеку конечных элементов.

Доступные типы конструкций/конечных элементов:

• стержневые конструкции (фермы, рамы, ростверки с учетом упругого основания);
• поверхностные конструкции (пластины, оболочки, плоское напряженное состояние, плоская деформация, осевая симметрия);
• конструкции из объемных элементов;
• смешанные конструкции (стержни + плиты /оболочки + объемные элементы).

При создании расчетной схемы реализован объектно-ориентированный подход, позволяющий работать с такими инженерными объектами, как стержни/элементы, плиты/оболочки, объемные элементы; при этом конечно-элементная модель скрыта внутри реальной конструкции. Полностью интерактивный графический препроцессор позволяет работать как с плоскими, так и с пространственными объектами.

ПК RМ дает следующие возможности:

• выполнять расчеты в линейной и нелинейной постановках;
• определять напряженно-деформированное состояние конструкции от статических и динамических воздействий;
• рассчитывать наиболее неблагоприятные комбинации нагрузок; вычислять главные и эквивалентные напряжения по различным теориям прочности;
• анализировать потерю устойчивости как для всей схемы, так и для любого ее фрагмента;
• использовать многооконный графический постпроцессор анализа результатов;
• назначать размеры и проводить проверки стержневых конструкций из различных материалов (стали, дерева, алюминия) в соответствии с широким набором международных норм проектирования;
• выполнять расчеты теоретического армирования для железобетонных конструкций;
• производить автоматическую генерацию чертежей для таких элементов конструкций, как балки, колонны, столбчатые фундаменты, ленточные фундаменты, подпорные стенки, плиты;
• производить автоматическую генерацию проектной документации;
• использовать специализированное средство для создания шаблонов документов, имеющих прямую связь с приложениями MS Office;
• использовать многоязычный интерфейс с многочисленными возможностями ввода-вывода;
• осуществлять полное взаимодействие с остальными продуктами RoboBAT;
• реализовать прямой доступ к внутренним данным и алгоритмам программы через открытый стандарт Robot (Robot Open Standard).

Благодаря ПК RM конечно-элементный анализ стал практическим инструментом инженера. Встроенные алгоритмы генерации сетки и автоматические методы распознавания отверстий обеспечивают инженера беспрецедентным легким в использовании средством.

Графическая оболочка программы

Формирование укрупненной модели конструкции (состоящей из колонн, ригелей, панелей перекрытий), приложение к ней граничных условий и нагрузок без привязки к сетке конечных элементов позволяет эффективно вносить изменения в модель конструкции. Генерация сетки конечных элементов осуществляется после построения модели, и пользователь может оперативно менять густоту сетки разбиения, при этом первоначально заданная нагрузка на конструкцию не меняется. Такой подход к подготовке исходных данных позволяет реально осуществлять многовариантные расчеты, что выгодно отличает ПК RМ от других программ.

Использование сеток, осей конструкции, характеристических точек «захвата» и огромный набор средств редактирования (перемещение, вращение, комплексное редактирование, деление, пересечение, обрезка/удлинение) — все это упрощает создание модели. Предусмотрены возможности работы в электронных таблицах (текстовый ввод) и использования стандартных средств редактирования Windows. Графический препроцессор ПК RМ позволяет формировать расчетные схемы плоских и пространственных конструкций в режиме графического диалога с широким использованием для этого технологии генерирования схемы с прототипами конструкций. Параметры элементов конструкций задаются на экране. Это дает возможность на основании минимальных входных параметров сформировать расчетные схемы таких объектов, как рамы, фермы, плиты, балки-стенки, оболочки, различные виды поверхностей вращения. Реализованный в препроцессоре подход сбора схемы из подсхем позволяет довольно быстро создать расчетную схему даже сложной конструкции. При формировании расчетной схемы автоматически назначаются типы конечных элементов, нумеруются узлы и элементы. В режиме диалога можно весьма просто назначить и проконтролировать такие параметры расчетной схемы, как жесткость элементов, связей и объединения перемещений в узлах, различные виды статических нагрузок, шарниры, жесткие вставки и т.п. Важной особенностью ПК RМ является возможность задания сечений стержневых элементов с использованием базы данных сортамента металлопроката по ГОСТам России, Украины и других стран СНГ или по евронормам. Кроме сортамента, определенного стандартами, база данных также содержит характеристики разнообразных комбинаций из прокатных уголков, широко применяемых на практике.

В ПК RМ предусмотрена передача данных о геометрии расчетных схем из любых графических пакетов, поддерживающих формат файлов DXF и DWG, а также конвертирование файлов входных данных, подготовленных для вычислительных комплексов ANSYS, COSMOS и SAP200. При этом осуществляется автоматическое назначение номеров элементов и узлов, а также типов конечных элементов. Развитая библиотека конечных элементов насчитывает более 100 их типов, что позволяет решать широкий круг задач не только в строительстве, но и в машиностроении. Сюда входят различные типы стержневых элементов, а также многоузловые элементы плит, балки-стенки и оболочки, многослойные и объемные конечные элементы, связи конечной жесткости, гибкие нити (ванты) и односторонние связи.

Кроме того, достоинствами ПК RМ являются высокая скорость расчетов больших задач и практически полное отсутствие ограничений на их размерность. Фактическим ограничением размерности служат эффективность процессора и объем жесткого диска.

Реализованные в комплексе методы оптимизации позволяют существенно сократить время решения задач большой размерности. Комплекс имеет развитую систему контроля входной информации и диагностики ошибок. Предусмотренные режимы расчета дают возможность решения задачи в целом, выполнения повторного расчета с измененными входными данными, продолжения его с любого этапа или пошагового выполнения расчета.

Комплекс позволяет определить собственные частоты и формы колебаний, строить спектры реакций, а также выполнять динамические расчеты на следующие воздействия:

• сейсмические, в том числе анализ предельного равновесия, позволяющий оценить реальную несущую способность конструкции при воздействии сейсмической нагрузки;
• ветровые, с учетом пульсации;
• импульсные и ударные;
• гармонические колебания.

Результаты этих расчетов могут быть представлены в виде разнообразных графиков либо в форме анимации собственных или вынужденных колебаний конструкции.

Наличие режимов, реализующих расчет в нелинейной постановке, дает возможность проанализировать поведение конструкции с учетом реальных свойств материала (физическая нелинейность), по деформированной схеме (геометрическая нелинейность), а также с моделированием зон контакта в односторонних связях. При расчете с учетом реальных свойств материала (например, железобетона) предусмотрена возможность задания схемы расположения арматуры в сечении.

В Robot Millennium доступны следующие типы расчета конструкции:

• статический линейный;
• статический нелинейный (учет эффекта P-дельта) — геометрическая нелинейность;
• продольный изгиб (эффекты второго порядка не учитываются);
• расчет форм колебаний (собственные колебания конструкции);
• расчет форм колебаний, учитывающий статические силы, — при обычном анализе форм колебаний (расчеты собственных колебаний конструкции) не учитывается влияние статических сил. Для того чтобы приблизиться к реальным условиям работы конструкции, можно выбрать в программе Robot Millennium анализ форм колебаний, учитывающий статические силы;
• гармонический расчет;
• сейсмический расчет (доступны следующие нормы: французские PS69, PS92 и AFPS, европейские нормы EC8, американские нормы UBC97, итальянские нормы DM16.1.96, румынские нормы P100-92, алжирские RPA88 и нормы RPA99, турецкие сейсмические нормы, чилийские сейсмические нормы NCh 433.Of96, китайские сейсмические нормы, аргентинские сейсмические нормы CIRSOC103, греческие нормы EAK 2000, российские сейсмические нормы СНиП II-7-81* в редакции от 01.01.2000);
• спектральный расчет;
• временной расчет — доступен также нелинейный временной расчет;
• анализ предельного равновесия (Pushover analysis) — позволяет оценить реальную несущую способность конструкции при воздействии сейсмической нагрузки;
• упругопластический расчет стержней (в текущей версии программы этот расчет доступен только для стальных сечений);
• расчет стержней, работающих только на растяжение/сжатие, а также расчет вантовых конструкций.

Следующим преимуществом ПК RМ является эффективная система просмотра и обработки результатов расчета, объединенная общей графической оболочкой системы подготовки данных. Результаты представляются одновременно в виде таблиц, графиков и анимации на экране. Программный комплекс оснащен мощной системой анализа полученных результатов по различным параметрам, задаваемым пользователем.

Многооконный графический постпроцессор позволяет осуществить полный анализ результатов расчета, в том числе отображения деформированных схем, изолиний и изополей перемещений и напряжений, эпюр усилий, форм собственных колебаний, а также форм потери устойчивости как для всей схемы, так и для любого ее фрагмента. Постпроцессор включает функции вывода на принтер деформированной схемы, а также схемы с отображением эпюр усилий или изолиний.

Составление отчетов производится в ПК RМ посредством функции автоматизированного cоставления отчета с использованием шаблонов, с полным описанием всех параметров задачи и использованием графики и анимации.

Открытый стандарт Robot дает возможность опытному пользователю разрабатывать собственные инженерно-расчетные приложения, тем самым расширяя систему. Это позволяет рассматривать ПК RМ как открытую платформу, на основе которой можно разрабатывать решения как для глобальных, так и для частных проблем. Можно автоматизировать часто повторяющиеся операции проектирования и интегрировать ПК RМ с другими программами как структурный компонент.

Перечисленные достоинства ПК RM предоставляют огромные возможности для решения инженерных задач промышленного и гражданского строительства самой высокой степени сложности.

Мы продолжим разговор о ПК RM и расскажем о других продуктах, входящих в этот комплекс: о RCAD Железобетон и RCAD Сталь — приложениях, разработанных на платформе AutoCAD для проектировании и подготовки чертежей в соответствии с нормами СНиП, о ESOP (Engineering Software Open Platform) — открытой расчетной системе, состоящей из большого количества готовых документов: расчетных модулей, решающих инженерные задачи в различных областях техники и строительства.

«САПР и графика» 8'2002