Инженерный анализ в среде SolidWorks: новое в версии 2008

A.Алямовский

COSMOSWorks

COSMOSMotion

COSMOSFloWorks

Интерфейс и удобство использования

Одним из ключевых направлений развития SolidWorks как универсальной системы автоматизированного проектирования в машиностроении, приборостроении и других отраслях является интеграция инструментов инженерного анализа. Они становятся неотъемлемой частью базового модуля, причем граница между этапами конструирования и анализа практически отсутствует.

В версии 2008 года продолжилось совершенствование процедур расчета, входящих в базовый модуль SolidWorks. В дополнение к COSMOSXPress, позволяющему производить первичную оценку прочности деталей и анализ сборок под действием динамических нагрузок, рассчитанных посредством процедуры «симуляция», введен инструмент COSMOSFloXPress, предназначенный для упрощенного аэрогидродинамического моделирования процессов в текучих средах для внутренних стационарных задач. Разумеется, он не может предоставить пользователю комплексную информацию о состоянии сложного изделия, однако результаты, полученные с его помощью, помогут избежать очевидных ошибок, а также станут источником идей по улучшению тех конструкций, где проектирование осуществлялось исключительно на основе интуиции, заимствования и эволюционного изменения без выраженного рационального алгоритма.

Рассмотрим нетривиальную задачу о течении жидкости через фильтр в цилиндрической трубе. На первом этапе мастер напоминает о правилах подготовки геометрической модели (рис. 1).

Рис. 1. Геометрическая модель фильтра — начало работы COSMOSFloXPress

Следующий шаг — автоматическая проверка геометрии применительно к внутренней задаче — в модели должна присутствовать замкнутая полость (рис. 2). Также назначается минимальный размер проходного сечения, что гарантирует автоматическое разрешение сеткой узких каналов.

Рис. 2. Уточнение параметров и проверка геометрической модели для проекта

Затем пользователю предлагается выбрать тип текучей среды (рис. 3). Роль жидкости играет вода, газа — воздух.

Рис. 3. Выбор текучей среды

 

Рис. 4. Назначение граничных условий на входе

В качестве граничных условий на входе и выходе предлагаются: массовый расход, объемный расход и давление окружающей среды. В нашем случае на входе будет массовый расход (рис. 4), а на выходе — давление, которое в зависимости от промежуточных результатов может быть статическим или полным (рис. 5).

Рис. 5. Назначение граничных условий на выходе

В процессе диалога программа просит указать температуру потока на входе. Несмотря на то что для решения тепловой задачи нужен COSMOSFloWorks, алгоритм экспресс-анализа учитывает изменение температуры и соответственно температурозависимых свойств текучей среды.

После прохождения этапа расчета, когда автоматически назначаются критерии сходимости, строится сетка и обрабатываются результаты, расчетная процедура позволяет пользователю отобразить скорость текучей среды на фоне линий тока и просмотреть анимацию (рис. 6).

Рис. 6. Распределение скорости вдоль линий тока

 

Рис. 7. Модель и результаты COSMOSFloXPress в среде COSMOSFloWorks

Если активировать собственно COSMOSFloWorks, то будет доступен проект, созданный в FloXPress. Можно уточнить информацию о том, как алгоритм интерпретировал граничные условия, настроил параметры сетки, и просмотреть сетку (рис. 7). Также доступна вся номенклатура результатов. Разумеется, проект можно модифицировать и выполнить новый расчет непосредственно в COSMOSFloWorks.

Функциональность инструмента «Физическое моделирование» перетекла в «Исследование движения», где расширена номенклатура элементов расчетной модели и усовершенствован интерфейс (об этом будет рассказано далее).

Если не хватает возможностей базовой конфигурации SolidWorks, пользователь может подключить модули инженерного анализа. Наиболее эффективными являются инструменты семейства COSMOS: COSMOSWorks — прочностной и базовый тепловой анализ; COSMOSMotion — моделирование кинематики и динамики механических систем; COSMOSFloWorks — вычислительная аэрогидродинамика и теплопередача. Совместно с SolidWorks они образуют эффективную среду, позволяющую в рамках единой модели и общего интерфейса осуществить всестороннюю проработку достаточно сложных проектов. Рассмотрим базовые изменения в версиях 2008 года.

COSMOSWorks

Общие усовершенствования

Консультант по анализам (рис. 8) — в версии 2008 он включает следующие новые объекты:

• информацию о нагрузках, ограничениях и контактных условиях;
• базу данных с примерами нагрузок, ограничений и условий контакта, которая может быть отредактирована.

Рис. 8. Пример панели «Консультант по анализам»

Визуализация параметров оболочек  —для оболочечных моделей в графическом окне посредством закраски различными цветами можно отобразить толщину и материал.

Новые типы анализа

Проектирование сосудов давления — на основе результатов двух и более линейных статических расчетов система позволяет получить результат для их комбинации (рис. 9).

Рис. 9. Определение комбинации расчетных случаев

Динамический линейный анализ  — ранее для выполнения динамического анализа необходимо было транслировать модель COSMOSWorks в COSMOSM, интерфейс которого существенно отличался от интегрированного модуля. В версии 2008 года введен соответствующий тип анализа в вариантах: модальный переходный анализ; гармонический анализ; анализ случайных колебаний. Допускаются также гибридные (оболочки + тела) сетки. Доступны различные типы демпферов: пружина-демпфер, модальное и рэлеевское демпфирование, демпфирование материалов. Присутствуют разнообразные варианты возбуждающих объектов. Простота интерфейса позволяет выполнять динамический анализ расчетчику с базовыми знаниями в области МКЭ (рис. 10 и 11).

Рис. 10. Динамическая модель агрегата

 

Рис. 11. Эквивалентные напряжения на некотором шаге и зависимость скорости в назначенной точке от времени

Динамический нелинейный анализ — позволяет выполнить динамический анализ с учетом геометрической нелинейности объектов, физической нелинейности материалов, контактных граничных условий с переменной границей контакта, а также присутствия в расчетной модели виртуальных соединителей «штифт», «болт», «жесткая связь».

Изменения в реализации анализов определенных типов

Участие грани в теплообмене излучением одновременно с внешней средой и с гранями — грани могут одновременно участвовать в теплообмене излучением с окружающей средой и с другими гранями.

Нелинейный анализ с учетом больших деформаций  —декларируется повышение точности и улучшение сходимости для нелинейного анализа с учетом больших деформаций.

Процедуры экспорта результатов в другие программы МКЭ  —расширена номенклатура граничных условий, условий контакта, виртуальных соединительных объектов, транслируемых в NASTRAN и ABAQUS.

Функциональность балочных моделей  —расширение номенклатуры объектов, автоматически распознаваемых как балки.Отображение нейтральных осейинаправлений, используемых для расчета и визуализации результатов, приложение сил не только в соединениях, но и распределенных по длине, а также в справочных точках. Вывод результатов в виде сил и моментов в соединителях, а также в виде эпюр. Поддержка криволинейных балок, образованных сегментами дуг.

Сценарии проектирования  —процедура позволяет автоматически заполнять таблицу варьируемых параметров по выбранному закону, обмениваться данными с MS Excel и Word, определять параметры в локальной системе координат.

Поддержка больших перемещений  —функциональность процедуры позволяет создавать модели с такими условиями, как циклическая симметрия, односторонние пружины, соединители-болты.

Выявить тенденцию  —процедура предназначена для сохранения, обработки и визуализации результатов нескольких расчетов, выполненных на базе одного и того же статического анализа.

Граничные условия

Справочные точки для управления сеткой и для приложения нагрузок — для повышения удобства работы, в частности для пользователей, желающих осуществлять максимально полный контроль над сеткой, можно создавать справочные точки для управления сеткой и/или назначения контактных и граничных условий.

Торцовый сварной шов  —в число соединителей планируется ввести новый объект — торцовый сварной шов для упрощенного моделирования сварных конструкций с зазорами, заполняемыми сваркой.

Соединитель «болт»  —виртуальные болты можно использовать в нелинейном анализе (рис. 12). Расширена номенклатура болтов/винтов, допускающих виртуальное моделирование. Введена следующая классификация: стандартный болт или болт в отверстии с цековкой плюс гайка; болт в отверстии с зенковкой плюс гайка; стандартный винт или винт с цековкой; заземляющий болт.

Соединитель «шпилька»  —для соединителей-шпилек по аналогии с болтом в анализе можно учитывать массу, которая учитывается в статических расчетах с гравитационной нагрузкой, а также в расчете на устойчивость и резонанс.

Рис. 12. Панель для создания виртуального болта

Сетка

Гибридные сетки — в новой версии возможно создание комбинированных сеток, включающих как тела и оболочки, так и балки (рис. 13, 14 и 15). Связь между балками/стержнями и гранями может назначаться как для соединений, так и для балок в целом. Возможен переменный контакт между соединением и гранью.

Рис. 13. Комбинировання сетка, содержащая элементы балок и оболочек

 

Рис. 14. Эквивалентные напряжения в оболочках

 

Рис. 15. Эквивалентные напряжения в балках

Модифицированный алгоритм создания сетки  — в COSMOSWorks в добавление к имевшимся инструментам введен новый алгоритм, учитывающий кривизну граней тел и уплотняющий сетку в проблемных местах.

Контактные условия

Реализация контактных условий с несовместными сетками — существенно улучшен учет контактных условий с несовместными сетками в варианте «Связанные». Это осуществляется посредством алгоритма Mortar bonding (Строительный раствор).

Усовершенствованный контакт «Поверхность с поверхностью»  — при решении контактных задач с типами «Нет проникновения» и «Горячая посадка» в варианте «Поверхность с поверхностью» используется усовершенствованный алгоритм, позволяющий получить более «гладкие» результаты в зоне контакта, а также улучшить сходимость h-адаптивного метода изменения плотности сетки.

Отображение и обработка результатов

Сохранение деформированного вида модели — в предыдущих версиях создание модели деформированного тела или поверхности осуществлялось только посредством формата VRML, при воссоздании из которого модели в виде тела или поверхности получается триангуляция. Для последующего применения в задачах аэрогидродинамики и оптики этот путь не является оптимальным. В новой версии можно сохранить деформированный вид объектов как тел, так и поверхностей при сохранении гладкости.

Графики журналов времени  — кривые отклика для функций в узлах можно строить, используя в качестве параметра не только время, но и напряжение, перемещение, линейную скорость или ускорение.

Отображение компонентов деформации в нелинейном расчете  — в новой версии после выполнения нелинейного анализа могут быть отображены как суммарная деформация, так и ее компоненты по отдельности: упругая (обратимая), пластическая (необратимая), температурная, деформация ползучести.

Эпюра «Суть проекта»  — позволяет отобразить области модели, которые, по мнению алгоритма, несут нагрузку, после чего пользователь может изменить модель в соответствии с этими рекомендациями. В качестве примера можно рассмотреть пластину на двух податливых (относительно большая жесткость в нормальном направлении и незначительная при сдвиге) опорах (рис. 16). Алгоритм рекомендует выполнить отверстие, оставив перемычку, которая препятствует «раздвиганию» опор (рис. 17). Как видно, прочность пластины практически не изменилась, а объем существенно уменьшился.

Рис. 16. Исходная модель пластины на податливых опорах

 

Рис. 17. Рекомендация программы и модифицированная модель пластины

Линеаризация напряжений  —предназначена для расчета и отображения графиков распределения напряжений вдоль произвольного отрезка, заданного пользователем в выбранном сечении твердотельной модели, а также для линеаризации этих зависимостей (рис. 18 и 19). Алгоритм рассчитывает распределение функции вдоль отрезка, выполняет аппроксимацию графика прямой, а также отображает среднее значение. Эта форма представления результатов соответствует требованиям ASME, касающимся проектирования котлоагрегатов и сосудов давления.

Рис. 18. Расчетная модель сосуда давления и подготовка базы для линеаризации

 

Рис. 19. Линеаризованное нормальное напряжение

COSMOSMotion

Основным изменением в COSMOSMotion является еще более тесная интеграция в SolidWorks. С точки зрения пользователя, он не был выполнен на уровне расчетного модуля, характеризующегося собственным менеджером, набором окон и независимой структурой результатов. Сейчас все функции COSMOSMotion присутствуют непосредственно в интерфейсе SolidWorks.

Общие усовершенствования

Русификация COSMOSMotion — COSMOSMotion, будучи частью SolidWorks, русифицирован полностью. Это значит, что локализован как интерфейс, так и справочная система, которая функционирует в контексте справки SolidWorks.

Рис. 20. SolidWorks 2008 в режиме «Исследование движения»

COSMOSMotion как элемент « исследования движения»  —в SolidWorks 2008 внизу графического окна присутствуют как минимум две вкладки: «Модель» и «Исследование движения» (рис. 20). Доступ к функциональности, связанной с моделированием движения, осуществляется после активизации вкладки Motion Study. В выпадающем списке, расположенном справа под окном SolidWorks в верхней части панели менеджера движения, доступны три уровня моделирования движения:

• движение сборки позволяет:

- фиксировать несколько последовательных положений детали,

- создавать двигатель, приводящий сборку в движение,

- варьировать размер сопряжений «Расстояние» или «Угол», а также взаимосвязи между кривыми выбранного объекта,

- динамически изменять свойства компонента. Можно скрыть или отобразить компоненты и выбрать режим их отображения (каркасное представление, скрыть невидимые линии, закрасить и т.д.),

- изменять ориентацию вида и выбор вида,

- изменять цвет или текстуру компонента,

- изменять свойства освещения и камеры,

- изменять расположение элементов эскиза;

• физическое моделированиепозволяет:

- вводить двигатели,

- моделировать линейные и торсионные пружины и демпферы (в том числе с нелинейными характеристиками), трехмерные контакты для выбранных деталей, учитывать действие линейных и круговых двигателей с различными законами движения, в том числе определяемыми формулами, а также силу тяжести. В процессе физического моделирования учитывается масса конструкции.

Физическое моделирование включает функциональность процедуры «Физическая динамика», которая сохранена в SolidWorks 2008;

• COSMOSMotion позволяет выполнять полноценный кинематический и динамический анализ сборки с учетом разнообразных соединений, локальной податливости деталей, наличия податливых втулок с выводом результатов в произвольной форме, а также экспортировать нагрузки движения в COSMOSWorks.

Объекты, созданные в расчетной модели «нижнего» уровня, доступны в «верхних» уровнях в новой функциональности. Например, трехмерный контакт, сгенерированный в типе исследования «Физическое моделирование», где не учитываются трение и податливость при контакте, может быть дополнен этими свойствами при переходе к COSMOSMotion.

Как и в предыдущей версии, COSMOSMotion входит в конфигурацию SolidWorks Office Premium и COSMOSWorks Professional.

Подключение COSMOSMotion  —в новой версии активизация COSMOSMotion как добавления SolidWorks не приводит к появлению вкладки COSMOSMotion рядом с деревом конструирования SolidWorks, а весь эффект этого действия состоит в том, что в выпадающем списке «Тип исследования» появляется позиция COSMOSMotion, ну и, естественно, в доступности соответствующей функциональности.

Интеграция с SolidWorks  —абсолютное большинство соединений COSMOSMotion имеют аналоги в SolidWorks. Более того, развитие SolidWorks в части кинематического и динамического анализа происходит за счет переноса функциональности из COSMOSMotion. В частности, в версии 2008 года в COSMOSWorks добавлены такие сопряжения, как «Блокировка», «Линейный/линейная муфта», «Сопряжение пути» (нахождение точки детали на некоторой траектории), «Винт», «Универсальный шарнир (шарнир Кардана)», имеющие аналоги в COSMOSMotion. При этом сопряжения в соответствии с их физическим смыслом объединены в три группы: стандартные, дополнительные и механические (рис. 21). Также в SolidWorks независимо от наличия COSMOSMotion можно определять для сопряжений грани, несущие нагрузку (с целью трансляции в COSMOSWorks для синтеза граничных условий на базе динамических нагрузок), и параметры трения, а также формировать на базе сопряжений податливые втулки, предназначенные для имитации податливости. Эти объекты и настройки будут учитываться в расчете динамики в COSMOSMotion (рис. 22). Доступна также новая функция SolidWorks под названием «Изолировать компоненты», управляющая состоянием отображения не используемых в диалоге деталей.

Рис. 21. Классификация сопряжений SolidWorks

 

Рис. 22. Определение свойств сопряжения SolidWorks применительно к динамическому анализу

Изменения в менеджере движения

Менеджер движения стал неотъемлемой составляющей системы SolidWorks/COSMOSMotion. Теперь помимо имитации движения сборки и анимации менеджер движения выполняет управляющие функции и для COSMOSMotion.

Сворачиваемая панель  — панель менеджера движения может быть свернута/развернута нажатием соответствующей кнопки.

Фильтры  — в менеджере движения есть фильтр, позволяющий выбрать для визуализации все объекты, анимированные объекты (детали, перемещающиеся или изменяющиеся в процессе анимации), управляющие объекты (объекты, являющиеся причиной движения или других изменений), фильтр результатов (отображение сущностей, появившихся в результате моделирования).

Ключевые точки  — в ключевых точках можно изменить параметры двигателя, величину силы (только в COSMOSMotion), погасить или высветить сопряжения.

Объекты процедуры «Физическое моделирование»  — двигатели и пружины продублированы в менеджере движения.

Функциональность COSMOSMotion

Функциональность COSMOSMotion изменилась не слишком существенно. Мы рассмотрим только улучшения, не связанные с изменением терминологии и интерфейса.

Демпфирующие свойства пружин  — демпферы можно не только создавать как самостоятельные сущности, но и ассоциировать демпфирующие свойства с пружинами в панели «Пружина».

Эпюры  —при создании эпюры результатов для компонента или сопряжения отображается система координат. Пиктограммы на эпюре можно скрыть и отобразить.

Обработка избыточных ограничений  — несмотря на то что до расчета желательно удалить избыточные ограничения, в новой версии можно прибегнуть к двум способам автоматической модификации модели с такими свойствами. Для этого в диалоговом окне «Дополнительные настройки моделирования» можно для переключателя «Обработка повторяющихся ограничений» выбрать одно из двух положений:

• автоматически удалять повторяющиеся ограничения — алгоритм удалит все повторяющиеся ограничения, оставив сборку полностью определенной;
• заменять повторяющиеся ограничения втулками — заменяет все сопряжения, порождающие избыточные связи податливыми втулками.

COSMOSFloWorks

Физические модели

Реальные газы — в инженерную базу данных добавлен набор из нескольких реальных газов, что позволяет решать задачи, для которых модель идеального газа не может быть применена. База данных является пополняемой. Реализованная модель позволяет рассчитывать поведение реального газа в широком диапазоне значений параметров, включая около- и сверхкритические области. Также возможен расчет смеси реального и нескольких идеальных газов.

Теплопередача в пористых телах  — можно учитывать теплопроводность пористого каркаса при расчете задач с пористыми телами, задавая теплопроводность и другие теплофизические свойства пористой среды. Возможно использование изотропной, однонаправленной, осесимметричной/двухосевой или ортотропной модели теплопроводности.

Интерфейс и удобство использования

Препроцессор

Точечные цели — позволяют отслеживать значения параметра в заданной точке. Можно задать сразу несколько точечных целей для набора точек, заданных координатами или выбранных непосредственно в графической области. Как и цели других типов, точечные цели могут быть использованы и для задания условий завершения расчета.

Солнечное излучение, зависящее от географического положения, времени и погоды,  — теперь для того, чтобы задать параметры солнечного излучения, вам достаточно выбрать в базе данных один из городов и указать число, время и погодные условия (облачность). Можно добавлять новые населенные пункты и любые другие точки на поверхности земли в базу данных или напрямую задавать широту и полушарие (Северное или Южное). В случае нестационарной задачи параметры солнечного излучения будут меняться с течением времени, отражая изменение положения солнца в течение дня.

Утилита для создания крышек  — автоматически создает крышки (заглушки) для всех отверстий в выбранной плоской поверхности модели, освобождая пользователя от необходимости создавать крышки самостоятельно. Крышки, закрывающие все внешние отверстия модели, необходимы при расчете любой внутренней задачи.

Автоматическое исправление контактов  — модель с геометрией нулевой толщины, возникающей при соприкосновении твердых тел по линии или в точке, не может быть использована для расчета. Теперь в местах таких контактов автоматически создаются тела малого объема и модель становится корректной без приложения каких-либо дополнительных усилий, кроме случаев, когда линией соприкосновения является кривая.

Вентиляторы и тепловые источники, включаемые и выключаемые в зависимости от значения цели , — в нестационарной задаче вентиляторы и тепловые источники могут включаться или выключаться по достижении заданного значения цели. Можно указать «мертвую зону», то есть задержку включения/выключения, задаваемую непосредственно или через приращение значения цели.

Улучшенная и расширенная инженерная база данных  — она переработана и дополнена. Свойства некоторых текучих сред и материалов уточнены. Добавлены новые неньютоновские жидкости, такие как клей и кровь. База данных обычных жидкостей дополнена такими веществами, как жидкий кислород и жидкий азот.

Проект сохраняется в файл модели  — теперь созданный проект сохраняется непосредственно в файле геометрической модели, что устраняет потребность в отдельном файле проекта.

Монитор

История сходимости — теперь монитор сохраняет для каждой цели историю сходимости, то есть номер итерации, на которой данная цель сошлась. Соответствующие параметры отображаются в списке целей и на графике. Кроме того, помечаются цели, сошедшиеся на одном этапе расчета, но утратившие это качество при его продолжении.

Уведомление о завершении расчета по электронной почте  — можно получить письмо с уведомлением о завершении расчета на назначенный адрес.

Постпроцессор

Обрезка графиков и изображений результатов по минимальным и максимальным значениям — в сечениях можно не отображать области, в которых функция находится вне назначенных границ.

Прозрачные графики и изображения  — сечения, диаграммы на поверхности и трехмерные графики могут иметь управляемую пользователем прозрачность.

Отображение расположения минимумов и максимумов  — в графическом окне можно локализовать точки с критическими значениями функции.

Относительное давление как параметр для отображения  — параметр «Относительное давление» добавлен в список отображаемых параметров.

Как видите, модули инженерного анализа семейства COSMOS приобрели функциональность, вполне достаточную для профессионального моделирования сложных объектов. Получив эти преимущества, продукты не потеряли того, что делает их доступными для многих инженеров, — связи с базовой системой проектирования SolidWorks. Такое сочетание позволяет приобретать новых пользователей как из числа только начинающих применять современные методы анализа, так и из тех, кто хочет повысить эффективность своей работы за счет отказа от трудоемкой трансляции моделей и их доработки применительно к конкретной расчетной процедуре, использования эргономичного интерфейса, современных эффективных методов подготовки расчетных моделей и собственно расчета.

В заключение отметим, что в рамках данной статьи приведена только конспективная информация о новых возможностях модулей инженерного анализа. Подробные сведения о базовой функциональности и об изменениях, сопровождаемые наглядными примерами, можно найти в новом издании книги «SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике», выпущенном издательством «БХВ-Петербург».

САПР и графика 11`2007