12 - 2008

Инженерный анализ в среде SolidWorks Simulation

A.A.Алямовский (Канд. техн. наук, сотрудник SolidWorks Russia)

SolidWorks Motion

SolidWorks Flow Simulation

SolidWorks Simulation

Дополнительные замечания о комплектации модулей SolidWorks Simulation

В 2008-2009 годах SolidWorks продолжил развиваться как универсальная система проектирования. Возможности модулей инженерного анализа также претерпели более-менее существенные изменения. Модификация затронула как собственно функциональность расчетных модулей, так и их взаимодействие с процедурами проектирования в среде SolidWorks. По сути, создана единая среда проектирования и анализа, по степени универсальности и соотношению «функциональность/цена» практически не имеющая аналогов среди сопоставимых продуктов.

Факт стирания различий между разными составляющими SolidWorks выразился в изменении названий основных расчетных модулей с включением в новые названия имени основного продукта — SolidWorks. В нашем рассказе мы будем оперировать новыми именами расчетных модулей, параллельно упоминая для удобства давно знакомых с SolidWorks читателей и старые названия. Вообще изменение имен носит «косметический» характер и на функциональности как таковой не отражается. В связи с этим в течение некоторого времени компания SolidWorks Russia предполагает одновременно с новыми названиями использовать и старые.

SolidWorks Motion

В SolidWorks Motion (бывший COSMOSMotion) дальнейшее развитие получили функциональность и интерфейс, объединяющие геометрическое проектирование и моделирование кинематики и динамики. Некоторые опции, описывающие свойства объектов, встроены непосредственно в Менеджер свойств SolidWorks, остальные представлены в Менеджере движения.

Новые возможности, в принципе, делятся на две группы: те, что действительно оригинальны относительно «старой» функциональности SolidWorks Motion, и те, что в определенном смысле восстанавливают возможности SolidWorks Motion, частично утраченные при переходе к «интегрированной» реализации 2008 года.

Кроме того, значительно повышена надежность работы как собственно вычислительных процедур, так и внутреннего интерфейса между графической оболочкой и расчетными алгоритмами.

Модель движения на базе блоков эскизов

Модель движения на базе блоков эскизов

Общие усовершенствования

  • Поддержка сокращенных сборок — анализ может выполняться в том числе и для сборок, в которых присутствуют сокращенные детали и узлы;
  • исследования движения для различных конфигураций — сборка SolidWorks может содержать различные конфигурации, а также набор исследований движения с результатами расчета. Контроль за соответствием активной конфигурации и модели движения возлагается на пользователя;
  • библиотека проектирования для элементов движения — элементы модели движения: двигатели, пружины, амортизаторы — можно сохранять в Библиотеке проектирования, откуда с помощью процедуры drag and drop их можно перетаскивать в другие модели движения;
  • точки расположения сопряжений — в Менеджер свойств сопряжений SolidWorks на вкладку Анализ добавлена опция Расположение сопряжения, позволяющая произвольно устанавливать местоположение сопряжения применительно к анализу движения независимо от его локализации в контексте геометрического редактора.

Модель с сопряжением пути

Модель с сопряжением пути

Функциональность SolidWorks Motion

Изменения функциональности при переходе на новую версию в целом можно классифицировать как эволюционные. Акцент сделан на адаптации алгоритма, ориентированного на идеальную модель механизма c жесткими объектами, для реальных задач функционирования податливых систем.

  • Движение в компоновочных эскизах — расчетную модель можно строить на основе компоновочных эскизов, которые, в свою очередь, являются совокупностью блоков эскизов. Массово-инерционные характеристики для блоков назначаются пользователем;
  • сопряжения пути — адекватно интерпретируются в SolidWorks Motion с возможностью получения результатов, ассоциированных с этим сопряжением;
  • специфические сопряжения для исследования движения — в SolidWorks Motion можно создавать сопряжения независимо как от сопряжений SolidWorks, так и от других моделей движения;
  • настройка параметров реакции системы на избыточные ограничения — в предыдущих версиях можно было автоматически заменить все избыточные (по мнению системы) ограничения так называемыми податливыми втулками. Это приводило к неконтролируемой модификации жесткости системы. Сейчас избыточные кинематические связи устраняются посредством втулок с назначенными характеристиками жесткости и демпфирования при поступательном перемещении или повороте. Это, разумеется, не отменяет возможности заменять конкретные сопряжения поступательного перемещения/вращения изотропными или ортогонально/цилиндрически-анизотропными втулками с требуемой жесткостью;
  • результаты для сил при избыточных ограничениях — для модели, в которой избыточные ограничения автоматически заменены втулками, остаются доступными практически все виды результатов. Ранее после автоматической модификации кинематически переопределенной модели результаты в модифицированных соединениях становились недоступными;
  • сопряжение SolidWorks Шарнир — в SolidWorks введено сопряжение «шарнир», фиксирующее два поворота и три перемещения связываемых деталей. Его использование вместо комбинации «совпадение (плоскостей или граней)» плюс «концентричность» исключает появление кинематической переопределенности.

Локальное сопряжение для модели движения

Локальное сопряжение для модели движения

В начало В начало

SolidWorks Flow Simulation

Основные усовершенствования SolidWorks Flow Simulation 2009 (бывший COSMOSFloWorks) направлены на повышение качества интерфейса (как графического, так и алгоритмического), а также на поддержку современных вычислительных средств.

Общие усовершенствования

  • Расширение номенклатуры API — расширена номенклатура процедур, доступ к которым может осуществляться через API;
  • поддержка многоядерности/многопроцессорности. В отличие от ранних версий, когда эти ресурсы можно было использовать только при решении нескольких задач одновременно, в новой версии распараллеливается и единственная задача. Решение выполняется в общей оперативной памяти. Эффективность использования многопроцессорности зависит от размерности задачи — чем больше удельная величина вычислений, тем она выше.

Параметры податливых втулок для замены избыточных ограничений

Параметры податливых втулок для замены избыточных ограничений

Физические модели

  • Расширение номенклатуры неньютоновских жидкостей:

- модель Cross-William-Landel-Ferry (Cross-WLF), более адекватно описывающая зависимость вязкости от температуры и давления,

- полиномиальная аппроксимация зависимости вязкости от скорости сдвига;

  • раздельное назначение параметров солнечного излучения и радиационного теплообмена. Свойства объектов — тел и поверхностей — относительно солнечной радиации и собственно теплообмена излучением назначаются независимо друг от друга. В принципе, этот подход является паллиативным относительно учета зависимости характеристик от длины волны излучения, однако для инженерного анализа он наиболее адекватен.

Сопряжение «шарнир»

Сопряжение «шарнир»

Препроцессор

  • Ярлычки для граничных условий на модели;
  • интерфейс для линий тока в стиле менеджера свойств SolidWorks.

Коэффициент использования ресурсов процессоров в Flow Simulation

Коэффициент использования ресурсов процессоров в Flow Simulation

Постпроцессор

  • Функция Probe на сечениях и поверхностных диаграммах;
  • расчет параметров:

- Air age — время действия воздуха — время прохождения воздухом расстояния от одной точки внутреннего объема до другой, находящейся в нем;

- Average age of air — среднее время действия воздуха (имеются в виду местные значения этого параметра для внутреннего проветриваемого объема);

- Local mean age of air — местное значение времени действия воздуха — среднее время прохождения воздухом расстояния от входа до какой-либо точки.

 

Полиномиальная аппроксимация вязкости

Полиномиальная аппроксимация вязкости

В начало В начало

SolidWorks Simulation

Основные направления развития SolidWorks Simulation (бывший COSMOSWorks) — создание и развитие виртуальных сущностей, призванных упростить построение расчетных моделей сложных систем при сохранении удобного интерфейса. В частности, это касается задач, где необходим анализ систем, содержащих конструктивные элементы в виде тел, оболочек и балок с разнообразными соединениями и неканоническими условиями нагружения.

Кроме того, уделяется внимание повышению вычислительной эффективности алгоритмов, что позволяет рационально использовать современные компьютеры.

Два множества характеристик объектов при теплообмене излучением

Два множества характеристик объектов при теплообмене излучением

 

Граничные условия на фоне модели

Граничные условия на фоне модели

 

Местное значение времени действия воздуха на фоне линий тока

Местное значение времени действия воздуха на фоне линий тока

Общие усовершенствования

  • Датчики структурного анализа интегрированы в SolidWorks — их функциональность расширена для учета результатов в нескольких исследованиях, за счет отслеживания запаса прочности соединителей, связывания с графиками Тенденция, а также с графиками переходных процессов: нестационарного теплового, нелинейного, линейного динамического и имитации падения;
  • библиотеки материалов Simulation и SolidWorks объединены в одну базу данных — сохранена возможность назначения свойств пользователя непосредственно в модуле Simulation. В свойствах материала введено поле Критерий прочности по умолчанию, используемое для расчета запаса прочности;
  • функция увеличительного стекла в моделях Simulation — для ее активации следует нажать кнопку G;
  • поддержка 64-разрядности при использовании прямого решателя при решении задач на собственные значения — в исследованиях на линейную устойчивость и собственные значения в 64-разрядной версии введена поддержка расширенного (относительно 32-разрядной версии) объема оперативной памяти;
  • функционирование решателя в фоновом режиме — одновременный запуск нескольких решателей с возможностью редактирования модели SolidWorks в фоновом режиме. Продолжение расчетов после завершения сессии SolidWorks с автоматическим сохранением результатов.

Интерфейс

  • Изменения в панелях инструментов, дереве исследования и менеджере свойств:

- панели инструментов объединены в единую панель с подсвечиваемыми активными командами,

- менеджер команд исследований зависит от выполняемого исследования и может настраиваться,

- в дереве исследования отображается только активное исследование, а остальные присутствуют в виде вкладок в Менеджере движения,

- в дереве исследования пиктограммы, обозначающие контактные и граничные условия, перегруппированы,

- в Менеджер свойств кинематических и статических граничных условий, а также соединителей добавлена вкладка Разделить, позволяющая в фоновом режиме построить линию разъема на соответствующей грани. Это облегчает локализацию соответствующих объектов;

  • опция Рассматривать интерференцию как горячую/тугую посадку в Менеджере свойств SolidWorks — размещена на вкладке Анализ. Если сопряжение порождает интерференцию в геометрической модели, то в структурном анализе это будет трактоваться как посадка с натягом.

Граничные условия

  • Упрощенный выбор граней для тепловых граничных условий на поверхности — для условий типа «температура», «конвекция», «тепловой поток», «тепловая мощность» и «излучение» можно выбирать грани, не находящиеся в контакте, посредством команды Выбрать все грани, находящиеся под воздействием. Это, по сути, неявный фильтр, отсекающий грани тел и деталей в сборке, находящиеся в контакте;
  • переформирование содержимого панелей Менеджера свойств с граничными условиями.

Сетка

  • Генератор сетки На основе кривизны доступен и в оболочечной модели — этот метод, предоставляемый в дополнение к процедуре на базе алгоритма Делано — Вороного, позволяет получать более адекватную сетку на существенно криволинейных объектах. Для данного типа сетки предоставляется возможность управления плотностью применительно к элементам геометрической модели;
  • автоматическая адаптация типа сетки применительно к типу геометрии:

- твердотельная геометрия автоматически аппроксимируется твердотельными конечными элементами,

- поверхностная геометрия автоматически покрывается оболочечными конечными элементами,

- тела из листового металла автоматически (неявно) преобразуются в поверхности, на базе которых строится сетка оболочек с автоматически назначаемой толщиной (за исключением исследования Испытание на ударную нагрузку). Более того, если такие тела контактируют между собой по граням, то оболочки сшиваются на участках с общей площадью,

- структурные элементы (балки) SolidWorks автоматически преобразуются в балки Simulation с возможностью корректировки подвижности/фиксации в соединениях. Соединения формируются автоматически с дальнейшей их модификацией;

  • модификация типа объекта и типа сетки — без изменений геометрической модели SolidWorks можно по-разному трактовать деталь из листового металла. Для этого введены команды Рассматривать как твердое тело и Рассматривать как листовой металл. Также в моделях сборок можно определять свойства тел как целого в вариантах:

- исключить из анализа,

- сделать жестким,

- сделать деформируемым,

- зафиксировать (при этом тело автоматически становится недеформируемым),

- перемещающийся;

  • независимые сетки для термоупругого анализа — тепловой стационарный расчет может быть связан с нестационарным, статическим или нелинейным анализом, даже если сетки у них различаются.

Несовместные сетки для термоупругого анализа

Несовместные сетки для термоупругого анализа

Изменения в реализации анализов определенных типов

  • Многослойные анизотропные оболочки — для линейных статических исследований, а также исследований на собственную частоту и линейную устойчивость введена модель многослойной анизотропной оболочки. Ориентация слоев назначается относительно оболочки без обязательного использования справочной геометрии. Поддерживаются следующие типы оболочек:

- симметричный относительно нейтральной поверхности многослойный материал в смысле толщины и углов укладки арматуры. Материалы слоев могут быть линейно-упругими ортотропными и изотропными,

- несимметричный по толщине и схеме армирования материал,

- сэндвич-панель, образованная симметричными наружными тонкими жесткими слоями и относительно толстым податливым внутренним слоем.

- Для оценки прочности анизотропных оболочек реализованы критерии прочности Цая — Ву и Цая — Хилла. Компоненты напряжений и деформаций автоматически вычисляются в системе координат, связанной со слоем;

  • балочные/стержневые модели — изменен интерфейс и усовершенствована функциональность при обработке балочно-стержневых моделей в части обработки структурных элементов, которые имеют зазор (кстати говоря, можно отметить появление функции SolidWorks, автоматически формирующей зазоры между структурными элементами) или пересекаются. Балочные/стержневые элементы с линейными свойствами материалов и геометрической линейностью поддерживаются и в нелинейном анализе;
  • поддержка дистанционной нагрузки/массы в линейных динамических моделях — дистанционная нагрузка/масса, а также процедура Рассматривать как удаленную массу (для тела) могут использоваться и в линейном динамическом исследовании.

Многослойные анизотропные оболочки

Многослойные анизотропные оболочки

Соединители

  • Расчет запаса прочности, в том числе и для соединителей — для виртуальных соединительных объектов «болт» и «шпилька» в статическом и нелинейном анализе выполняется расчет коэффициента запаса;
  • использование соединителей «болт» в моделях с оболочками — виртуальные болты можно использовать для пакетов, состоящих из тел, оболочек и объектов из листового металла;
  • соединители «болт» в нелинейном анализе — виртуальные болты, соединяющие пакет деталей, можно создавать и в нелинейных моделях. Также стало доступным условие симметрии для четверти или половины сборки;
  • использование соединителей «штифт» в моделях с оболочками — виртуальные штифты могут использоваться в моделях из оболочек или комбинаций тел с оболочками;
  • модернизированные виртуальные подшипники — как роликовые, так и шариковые виртуальные подшипники должны опираться на цилиндрическую грань. Переключение между моделью роликового/шарикового подшипника осуществляется посредством опции Разрешить самовыравнивание. Также введена опция Стабилизация вращения вала для ликвидации вероятной степени свободы вращения объекта как жесткого целого.

Напряжения в слое

Напряжения в слое

Контактные условия

  • Повышена эффективность алгоритма решения контактной задачи в нелинейном анализе — в последней версии рекомендуется использовать реализации Поверхность с поверхностью и Узел с поверхностью в совокупности с конечными элементами второго порядка;
  • автоматическое назначение контактного условия Связанные — в системах со следующими типами контактирующих объектов автоматически создаются условия контакта в расчетной модели:

- грань или кромка оболочки с гранью твердого тела,

- грань или кромка оболочки с гранью оболочки,

- оболочка, построенная на базе объекта из листового металла, со структурным элементом балочной геометрической модели;

  • учет фактической толщины оболочки при моделировании контакта — при моделировании контакта с непроникновением, в том числе и для условия Виртуальная стенка для оболочек, построенных на базе объектов из листового металла или поверхностей в статическом или нелинейном анализе, условие непроникновения автоматически реализуется с учетом конечной толщины объектов;
  • автоматическое формирование контакта для объектов из листового металла — если детали, построенные посредством команды Листовой металл, соприкасаются по граням, то они автоматически связываются.

Модель с комбинированной сеткой на базе конструкции с зазорами

Модель с комбинированной сеткой на базе конструкции с зазорами

 

Автоматическое связывание в сетке оболочек на базе модели из листового металла

Автоматическое связывание в сетке оболочек на базе модели из листового металла

Отображение и обработка результатов

  • Диаграммы запаса прочности доступны для оболочечных моделей и моделей с комбинированными сетками;
  • поддержка эпюр плотности энергии деформации для динамического анализа — данные эпюры можно создавать, в том числе для гармонического анализа и для модели случайных колебаний;
  • использование эпюры Design Insight в процессе редактирования геометрии — можно наложить эпюру Суть проекта на геометрическую модель в процессе ее редактирования;
  • 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 численного анализа в задачах гидрогазодинамики, оптики и светотехники этот путь не является оптимальным. В новой версии можно сохранить деформированный вид объектов, как тел, так и поверхностей, с сохранением гладкости.

Сохранение деформированной модели конструкции для последующего оптического анализа

Сохранение деформированной модели конструкции для последующего оптического анализа

В начало В начало

Дополнительные замечания о комплектации модулей SolidWorks Simulation

Примечание, касающееся COSMOSFloWorks PE — ныне SolidWorks Flow Simulation (Premium), заключается в том, что конфигурация STD как таковая более не поставляется и все пользователи SolidWorks Flow Simulation всегда получают его максимальный по функционалу вариант. Увидеть функционально ограниченную версию STD можно лишь в период эксплуатации до регистрации продукта.

Не изменяется ценовая политика в части отсутствия отдельных лицензий (соответственно дополнительной платы) за поддержку многопроцессорности/многоядерности и за работу в 64-разрядных операционных системах как 64-разрядного приложения. В стандартную поставку входят два установочных диска: для Windows XP/Vista для 32 и 64 разрядов.

Как всегда, лицензии для учебных заведений включают все расчетные модули SolidWorks без ограничения функциональности, в частности SolidWorks Simulation Premium. Единственным исключением на данный момент является отсутствие поставки 64-разрядной версии системы, что не отменяет, разумеется, возможности использования 32-разрядного приложения в 64-разрядной ОС. В этом случае лимитироваться будет только максимальная доступная для одной задачи оперативная память — порядка 2,5 Гбайт, чего более чем достаточно для решения абсолютного большинства как учебных, так и академических задач.

Что касается взаимодействия с учебными заведениями, то дальнейшее развитие получила подготовка преподавателей. В течение последних лет в рамках программы SWR-Академия производилось (а в перспективе будет развиваться) бесплатное обучение не только базовым возможностям SolidWorks, но и модулям семейства Simulation с такой же продолжительностью. Также фирма оказывает техническую поддержку и консультации по всем актуальным вопросам. При этом слушатели получают для дальнейшей работы методические материалы. Наряду с тем, что как у SolidWorks, так и у модулей семейства Simulation (пока за исключением Flow) русскоязычными являются не только интерфейс, но и справочная система и описания учебных примеров, формальные проблемы при организации учебного процесса у клиентов отсутствуют.

В заключение отметим, что в данной статье приведена только конспективная информация о новых возможностях модулей инженерного анализа, однако она свидетельствует об их непрерывном развитии. Кроме того, следует упомянуть еще об одном обстоятельстве, стимулирующем внедрение более свежих версий. Дело в том, что в новые продукты гласно (с публикацией в информационных материалах, доступных как поставщикам программного обеспечения, так и лицензионным пользователям), а для несущественных моментов — негласно вносится ряд изменений, исправляющих ошибки и неточности, имевшие место в предыдущих версиях программ. Разработчики, разумеется, стремятся внести изменения в действующие версии. В продуктах SolidWorks жизненный цикл обновлений, доступных лицензионным пользователям, составляет практически два года. Однако существуют функции, которые применяются в достаточно экзотических комбинациях, когда проблемы диагностируются в конце даже столь долгого жизненного цикла программ. В этом случае «работа над ошибками» переносится в следующую версию, а информация об изменениях становится доступной пользователям.

В начало В начало

САПР и графика 12`2008