11 - 2009

Инженерный анализ в среде SolidWorks Simulation. Новое в версии 2010

A.А. Алямовский, М.А. Шаломеенко

Версия SolidWorks 2010 года продолжила традиционный курс на удовлетворение потребностей широкого круга пользователей в инструментах инженерного анализа. Основными направлениями развития, как и ранее, являются расширение возможностей за счет привлечения более совершенного математического аппарата, а также повышение удобства использования расчетных инструментов в единой среде моделирования и анализа. Подобно версии 2009 года, эта среда носит название Simulation и содержит несколько уровней функциональности.

В любой конфигурации SolidWorks присутствуют расчетные процедуры: COSMOSX­press для анализа статической прочности детали при простых граничных условиях; COSMOSFloXpress — для расчета течения воды или воздуха в замкнутой односвязной области; Движение сборки и Физическое моделирование для имитации кинематики сборки, содержащей канонические сопряжения SolidWorks и реальные контакты с неопределенной границей, а также динамики под действием сил и моментов.

В новой версии сохранена структура и иерархия модуля прочностного анализа Simulation: собственно SolidWorks Simulation — расчет деталей и сборок произвольной сложности в линейной статической постановке; SolidWorks Simulation Professional — расчет собственных частот, форм потери устойчивости, модель многоцикловой усталости, тепловой анализ без учета движения среды, имитация падения и параметрическая оптимизация, в дополнение к статической модели — имитация сварных соединений; Simulation Premium — модели физически и геометрически нелинейных систем, динамический анализ в различных формулировках, в дополнение к статической модели — оболочки из многослойных композитов.

SolidWorks Flow Simulation

Основные усовершенствования SolidWorks Flow Simulation 2010 направлены на повышение качества интерфейса, а также на внедрение новых физических моделей.

Физические модели

  • Перфорированные заглушки на входах и выходах — если в конструкции на входе или выходе установлена тонкая пластина со множественными отверстиями, то ее можно заменить виртуальной сущностью Perforated Plate — перфорированной пластиной. В расчетной модели этот объект можно накладывать на объект граничным условием Environment Pressure (Давление окружающей среды) или на вход, или выход виртуального вентилятора (включая внутренний вентилятор). В базе данных программы присутствуют пластины с круглыми и прямоугольными отверстиями, а также с отверстиями в виде правильных многоугольников. Допускаются отверстия другой формы, заменяемые значением коэффициента потерь;
  • модель кавитации для жидкостей со свойствами, назначаемыми пользователем, — в дополнение к инженерной модели кавитации в воде реализована изотермическая модель для имитации этого явления в жидкости со свойствами, назначаемыми пользователем. Параметры жидкости, позволяющие смоделировать кавитацию, — это молярная масса растворенного газа, давление насыщения и температура. В настоящее время в качестве растворенных газов могут использоваться воздух, углекислый газ, гелий и метан. В соответствии с названием изотермическая модель не учитывает изменение температуры жидкости, а также предполагает, что жидкость является несжимаемой, а газ — идеальным;
  • условие проскальзывания на стенках для неньютоновских жидкостей — для объема в целом или для жидкостного субдомена, заполненного неньютоновской жидкостью, можно назначить условия проскальзывания в соответствии с законом Навье:

Здесь:  — напряжение сдвига;  — предельное напряжение сдвига, определяемое пользователем; C1, С2 — константы пользователя; VGI — скорость проскальзывания у стенки;

  • расширение базы данных неньютоновских жидкостей применительно к модели Cross­WLF и с вязкостью, определяемой таблично.

Модель с виртуальным перфорированным отверстием и с отверстием эквивалентного «живого» сечения

Модель с виртуальным перфорированным отверстием и с отверстием эквивалентного «живого» сечения

Редактирование расчетной области

Редактирование расчетной области

Производительность

  • Повышение скорости решателя для сеток с существенно различными размерами ячеек;
  • увеличение устойчивости счета для задач с кавитацией и конденсацией;
  • cпециальная вычислительная процедура для задач с излучением.

Препроцессор

  • Динамическое редактирование расчетной области посредством перетаскивания стрелок в графическом окне;
  • усовершенствование процедуры Проверка геометрии для моделей с булевыми операциями.

Постпроцессор

  • Расчет параметров на поверхности и в объеме с использованием панелей в стиле Менеджера свойств;
  • расчет параметров на поверхности и в объеме с использованием панелей Surface и Volume Parameters (Параметры на поверхности и в объеме) в стиле Менеджера свойств;
  • редактирование местоположения плоскости в процедурах Cut Plot (Картины в сечении) и 3D Profile Plot (Трехмерный график) посредством перетаскивания стрелок в графическом окне.

SolidWorks Motion

SolidWorks Motion обрел законченную функциональность, позволяющую использовать его в качестве надежного инструмента анализа кинематики и динамики механизмов с жесткими связями с возможностью учета локальной податливости и демпфирования. В версии 2010 года существенно превзойдена функциональность, имевшаяся в COSMOSMotion 2008  года до его полной интеграции в SolidWorks. Необходимые опции, описывающие свойства объектов, встроены непосредственно в Менеджер свойств SolidWorks, остальные представлены в Менеджере движения.

Общие усовершенствования

  • Жесткие группы — можно отобрать совокупность компонентов и сформировать одну или несколько жестких групп, что позволяет сократить время моделирования в Анализе движения. При этом перемещение компонентов внутри группы игнорируется; сопряжения между компонентами внутри группы игнорируются; масса и момент инерции жесткой группы складываются из всех компонентов; если жесткая группа обладает одним зафиксированным компонентом, то вся она считается зафиксированной для расчета движения;
  • контактные группы для движения — в расчетной модели сборки можно сформировать Контактные группы, объединяющие детали по принципу того, что потенциальный контакт внутри группы игнорируется, а между деталями групп — учитывается.

Функциональность SolidWorks Motion

В новой версии SolidWorks Motion приобрел ряд функций, позволяющих рассматривать широкий класс моделей движения, а также улучшены имеющиеся процедуры:

  • контакт Кривая­Кривая — для исследований Анализа движения можно сформировать контактные пары, состоящие из двух кривых, принадлежащих различным деталям. Контакт может быть непрерывным (по умолчанию) или прерывистым. В обоих случаях реализуется условие непроникновения объектов. При выборе контактирующих кривых можно в фоновом режиме использовать Менеджер выбора SolidWorks, что не требует вспомогательных объектов для формирования составных траекторий;
  • исследование движения на основе события — в дополнение к алгоритму управления движением на основе временной шкалы можно определять движение в сборке посредством событий. В этом случае управляющие объекты Менеджера движения: двигатели, силы и сопряжения — могут связываться с началом/концом событий (задачами) или с процессами в Датчиках SolidWorks (последние, в частности, приобрели процедуру идентификации расстояния между объектами в ходе движения). Под Задачей понимается совокупность действия, условия его выполнения — Триггера, а также времени, в течение которого выполняется действие. Действие — это включение/выключение двигателя, силы, сопряжения, а также изменение параметров Серводвигателя. Этот объект появился в версии 2010 года и представляет собой двигатель, управляемый Задачей. В ходе выполнения расчета формируется Граф событий, наглядно отображающий связь и последовательность выполнения Задач с учетом реального времени;
  • структурный анализ Simulation в контексте модели движения — к традиционной возможности использовать результаты динамического расчета для анализа прочности в среде Simulation добавилась функциональность, позволяющая сделать это в контексте расчета движения. Для этого в панель инструментов Исследования движения встроены кнопки, позволяющие настроить параметры расчета (интересующий интервал времени и характеристики сетки конечных элементов) с одновременным выбором деталей, подвергающихся расчету; выполнить расчет; отобразить диаграммы перемещений, эквивалентных напряжений и запаса прочности. Характеристики материалов деталей предполагаются определенными в контексте геометрической модели SolidWorks. Прочностной расчет доступен только при наличии лицензии Simulation в любой его конфигурации.

Ограничения функциональности, присутствующие в данной модели, также вполне традиционны для пары Motion — Simulation: невозможность передачи контактных сил, упрощенное моделирование соединений (замена конкретной кинематики реакциями опор) и собственно независимое (с точки зрения прочности) функционирование деталей/тел. Поэтому данный инструмент может служить первым шагом в расчете прочности подвижных систем, конкретизировать который можно посредством процедур динамического анализа (линейного и нелинейного) в SolidWorks Simulation.

Шкала событий

Шкала событий

Прочностной расчет в контексте анализа движения

Прочностной расчет в контексте анализа движения

Интерфейс

  • Усовершенствование окон Менеджера свойств Сила и Двигатель — окна выполнены в единообразном интерфейсе SolidWorks и содержат предварительные графики с законом движения;
  • установка точного времени для ключевых точек и временной шкалы — для ключевых точек можно задать точное время и временную шкалу в наносекундах или других единицах;
  • 3D­контакт Менеджера свойств переименован в Контакт.

SolidWorks Simulation

Основные усовершенствования SolidWorks Simulation 2010 связаны с развитием виртуальных конструктивных сущностей, улучшением эргономичности качества интерфейса, а также повышением эффективности вычислительных процедур.

Информация об элементе

Информация об элементе

Критерии сравнения NAFEMS

В учебные пособия по статическим, тепловым, нелинейным исследованиям, расчету частот и анализу линейных динамических моделей добавлены критерии сравнения NAFEMS (National Agency for Finite Element Methods and Standards). Они позволяют оценить точность реализованных алгоритмов применительно к решению типовых инженерных задач.

Интерфейс Simulation

  • Усовершенствования Дерева исследований Simulation:

- имена элементов в Дереве исследования Simulation отличаются большей наглядностью и информативностью,

- при наведении курсора на элемент в Дереве или на его обозначение в графической области отображается подробная информация об этом элементе,

- по значку закрепления в Дереве можно определить его тип,

- крепления, нагрузки и соединители можно группировать в папках;

  • усовершенствования окон Менеджера свойств:

- объекты можно выбирать в двух различных областях выбора окна Менеджера свойств,

- возможность выбора нескольких элементов для одновременного редактирования всех введенных компонентов.

Окно Менеджера свойств для силы

Окно Менеджера свойств для силы

Исследования Simulation

  • Расширенные возможности автовосстановления — настройки резервного копирования и восстановления SolidWorks действуют и в исследовании Simulation. После создания сетки и запуска исследования выполняется резервное копирование с возможностью восстановления информации;
  • улучшения в окнах создания сетки и решающей программы — в окне Процедура создания сетки отображаются сведения об использовании памяти, прошедшем времени, количестве компонентов, для которых не удалось создать сетку, ходе выполнения процедуры;
  • в окне Статус решающей программы отображаются сведения об использовании памяти, прошедшее время, информация о решающей программе и ходе выполнения операций;
  • для проверки состояния исследования достаточно навести указатель на вкладку запущенного исследования;
  • расширенные функциональные возможности Консультанта Simulation — консультант Simulation теперь имеет новый интерфейс, который взаимодействует с окнами Менеджера свойств соответствующего Исследования и помогает новым пользователям при создании, определении, решении и просмотре результатов статических исследований;
  • упрощенное и улучшенное исследование на усталость:

- кривые усталости материала определяются непосредственно в исследовании на усталость, а не в связанных исследованиях,

- при создании исследования на усталость выбирается тип события — с постоянной или переменной амплитудой. Команда Изменить тип события удалена,

- в Дереве исследования на усталость отображаются значки тел, позволяющие определять кривые усталости S­N,

- в эпюре Повреждения поврежденность выражается не дробным числом, а процентами;

  • эпюра усталости — на основе результатов статических исследований проводится предварительный анализ усталостных свойств детали. Эпюра усталости создается на базе характеристик сопротивления усталости (предела выносливости), предела текучести и корректирующего коэффициента асимметрии (по Гудмену). На эпюре усталости модель отображается в двух цветах. Для составных оболочек или балок эпюра усталости не отображается;
  • упрощение сборок для нелинейных исследований — в нелинейных исследованиях сборки и многотельные детали можно упростить. Выбранные тела будут рассматриваться как одно жесткое тело, что позволяет
    сэкономить время вычислений.

Диаграмма поврежденности

Диаграмма поврежденности

Исследование проектирования

В новой версии оно может как выполнить оптимизацию, так и оценить выбранные сценарии проектирования.

  • Модуль Сценария проектирования — позволяет выполнять заданные Сценарии проектирования и просматривать их результаты без осуществления оптимизации. Для настройки модуля Сценария проектирования необходимо определить элементы:

- Переменные — могут быть определены как Дискретные значения или Диапазон при шаге (при выборе типа Диапазон программа выполнит параметрическую оптимизацию),

- Ограничения — выбираются из списка заранее определенных датчиков или определяется новый датчик;

  • модуль оптимизации — по результатам реализованного Сценария проектирования можно в едином со Сценарием интерфейсе выполнить параметрическую оптимизацию конструкции с учетом геометрических и функциональных ограничений. Переменные проектирования могут назначаться в некотором интервале или назначаться в виде множества дискретных значений. Ограничения определяются на основе свойств определенных датчиков или вычисляемых программой параметров. Для определения целей используются датчики SolidWorks. В таблице, содержащей историю поиска, оптимальный вариант отмечается в соответствующем столбце зеленым цветом. Недопустимые проекты выделяются красным цветом.

Настройка Сценария проектирования для расчета 
с ограничениями по массе и частоте

Настройка Сценария проектирования для расчета с ограничениями по массе и частоте

Оптимизированный вариант модели

Оптимизированный вариант модели

Анизотропные материалы и конструкции

Смещение компонентов в слоистых пакетах композитов — можно управлять положением слоистой конструкции или многослойного пакета относительно граней, на базе которых строится оболочка. В предыдущей версии при создании модели необходимо было учитывать фактическое положение нейтральной поверхности, поскольку в расчете ее положение подразумевалось совпадающим с поверхностью исходной оболочки.

Балки

  • Поддержка балок в нелинейных исследованиях — теперь балки можно определять в нелинейных исследованиях (статических и динамических), а также объединять их с твердыми телами и оболочками. Генерируются все диаграммы и эпюры внутренних усилий, доступные для балок;
  • корректная идентификация нейтральных осей коротких балок — в предыдущих версиях идентификация нейтральных осей для коротких балок (соотношение длины к ширине < 3) не всегда выполнялась с достаточной точностью. Новый инструмент Определить нейтральную ось балки призван скорректировать нейтральную ось балки, выбранную программой;
  • сопряжение балок с криволинейными оболочками — балки, выступающие в роли подкрепляющего набора, теперь можно связывать с оболочками или телами из листового металла. Программа автоматически связывает балки с поверхностями, если они соприкасаются или между ними имеется малый зазор. Эта функциональность применима к статическим исследованиям, исследованиям собственных частот и потери устойчивости. Кроме того, улучшена реализация контакта Связанный для граней твердых тел или оболочек с балками подкрепляющего набора;
  • информация о балках в отчетах — информацию о балках можно включать в отчеты и сохранять результаты расчетов в файле eDrawings.

Соединители

  • Соединители для ряда отверстий — внесены следующие улучшения, упрощающие работу пользователя:

- программное обеспечение автоматически группирует соединители — болты, предназначенные для группы отверстий, — в отдельной папке. В случае изменения одного из болтов в группе это изменение применяется и к остальным болтам,

- можно разбить серию болтов, разорвав связь между ними, и тогда каждый элемент можно редактировать отдельно. Разбив серию болтов, ее впоследствии можно восстановить;

  • соединитель­пружина для оболочек — теперь виртуальную пружину можно определять вместе с объектами, принадлежащими телам поверхностей и телам из листового металла. Это можно сделать в статических исследованиях, исследованиях собственных частот и потери устойчивости;
  • соединители торцевых сварных швов — в статическом исследовании между двумя гранями тел, оболочек и объектов из листового металла можно вставлять соединители, имитирующие угловые и стыковые сварные швы. Они позволяют оценить размер сварного шва для надлежащего соединения двух компонентов. Программа рассчитывает размер сварного шва в каждом узле на кромке сварного шва. Доступно четыре типа сварных швов:

- угловой, двусторонний,

- угловой, односторонний,

- стыковой, двусторонний,

- стыковой, односторонний;

  • просмотр результатов для соединителей угловых сварных швов — статический расчет дает оценку заданного размера сварного шва между выбранными деталями. Если назначенный размер сварки больше, чем рассчитанный по условиям нагружения, то кромка сварного шва отображается зеленым цветом (шов «надежный»), в противном случае — красным (шов «ненадежный»);
  • соединители­подшипники между деталями — подшипники­соединители теперь можно определять между цилиндрическими гранями вала и цилиндрическими или сферическими гранями втулки;
  • рабочие нагрузки для круглых отверстий в оболочках — теперь Рабочие нагрузки (виртуальная сущность, имитирующая взаимодействие вала со втулкой) можно определять на:

- круговых кромках оболочек,

- цилиндрических гранях оболочек.

Рабочая нагрузка действует перпендикулярно выбранным кромкам или граням и может иметь следующие законы распределения:

- синусоидальный,

- параболический.

Нейтральные оси балок

Нейтральные оси балок

Оболочка, подкрепленная балками

Оболочка, подкрепленная балками

Результаты расчета сварной конструкции

Результаты расчета сварной конструкции

Диаграмма для «надежного» сварного шва

Диаграмма для «надежного» сварного шва

Сетка

  • Усовершенствования процедур создания сетки:
  • генератор сетки на базе кривизны поддерживает создание совместной сетки между соприкасающимися гранями твердых тел,
  • перед созданием сетки проверяется интерференция между телами. В случае обнаружения интерференции процесс создания сетки приостанавливается, а конфликтующие детали указываются в окне Проверка интерференции,
  • возможность создания сеток на моделях с элементами малых размеров по отношению к общим габаритным размерам,
  • создание совместной сетки на общей границе оболочек и балок подкрепляющего набора,
  • более эффективное использование памяти генератора сетки, что позволяет создавать сетки большей размерности, состоящие из элементов, существенно отличающихся по масштабу.

Определение оболочки путем выбора граней

Выбранные грани твердых тел, тел из листового металла и тел поверхности можно определить как оболочки. Исходные тела из анализа исключаются. Доступны следующие действия:

  • создание сеток на твердых телах как на оболочках, что позволит провести анализ быстрее, определив эти тела как оболочки;
  • несколько способов создания оболочки на основе тела поверхности или тела из листового металла. Для граней, принадлежащих одному телу, можно задать разную толщину оболочек и различные свойства материала. Грани можно группировать по общим свойствам и поместить эти группы в отдельные папки Дерева исследования.

Решение контактных задач

  • Улучшения, касающиеся наборов контактов:

- выбор наборов контактов и определение их типа в едином интерфейсе,

- автоматический поиск наборов контактов для соприкасающихся и не соприкасающихся граней в пределах определенного зазора доступен для компонентов, тел и сборок верхнего уровня,

- процедура Найти контакты со сборкой производит поиск наборов контактов для отдельного компонента или тела с соприкасающимися гранями прилегающих компонентов,

- в случае определения нового набора контактов, конфликтующего с ранее созданным набором, появляется соответствующее предупреждающее сообщение. Новый набор контактов отменяет набор, определенный ранее;

  • контакт компонентов — инструмент Контакт компонентов позволяет определить тип контакта для выбранных компонентов, тел и сборок верхнего уровня. Особенности этого инструмента:

- новое поведение при выборе контакта Нет проникновения. В процессе моделирования компоненты или тела не проникают друг в друга, независимо от изначально заданного для них условия контакта. Если деформация, имеющая место во время моделирования, приводит к самопересечению, тела не проникают сами в себя,

- параметр Контакт отсутствует отменяет существующие контакты компонентов;

- контакт в нелинейных исследованиях — внесенные усовершенствования:

- доступны параметры контактов Нет проникновения и Связанные. Реализация контактов обеспечивает более корректные результирующие напряжения в местах соприкосновения поверхностей с несовместными сетками,

- контакт Нет проникновения можно применять на обеих сторонах оболочки,

- контактные наборы можно переносить из статических исследований в нелинейные и наоборот.

Результаты

- Обработка больших файлов результатов — значительно сократилось время, необходимое для первой загрузки и просмотра эпюр результатов после выполнения линейных или нелинейных динамических исследований;

  • усовершенствования эпюр:

- для внесения изменений в окна Редактировать определение, Параметры графика и Параметры не требуется отображать эпюру,

- в эпюрах со свободными или общими значениями для параметра Числовой формат теперь можно выбрать тысячный разделитель «,»,

- настройка параметров отображения эпюр балок позволяет повысить их информативность.

SimulationXpress

В SimulationXpress посредством нового интерфейса, идентичного с Исследованием проектирования, можно выполнять параметрическую оптимизацию по критерию минимума массы с использованием в качестве переменной проектирования единственного размера. Единственное (также) ограничение может быть наложено на максимальное эквивалентное напряжение по Мизесу, максимальное перемещение или минимальный запас прочности.

В начало В начало

САПР и графика 11`2009