Инженерный анализ в среде SolidWorks Simulation: новое в версии 2011

Aндрей Алямовский, Максим Шаломеенко

В сентябре 2010 года вышла новая версия SolidWorks. Как всегда, пользователи получили обновленную систему проектирования, в которую входит богатый набор инструментов инженерного анализа  — семейство модулей Simulation. Этому событию предшествовало около четырех месяцев тестирования бета­версий. SolidWorks Corporation провела эту процедуру в виде конкурса бета­тестеров, выделив несколько номинаций. Сотрудники компании SolidWorks Russia приняли самое активное участие в этом мероприятии. В разделе SolidWorks (здесь рассматривались вопросы, касающиеся собственно SolidWorks и большинства подключаемых модулей) было занято 3­е место, в разделе SolidWorks Enterprise PDM — 2­е место, в разделе SolidWorks Simulation — 1­е. При этом сумма баллов, полученных победителем конкурса Simulation, составила более 40% от общего числа баллов в этой номинации. В результате компания SolidWorks Russia внесла значительный вклад в улучшение качества системы.

Изменения в функционале системы в большинстве случаев можно охарактеризовать как эволюционные, однако некоторые из них, в частности в модулях Simulation и Flow Simulation, принципиальны. В любом случае при расширении функциональности все инструменты сохранили свои лучшие качества универсальных интегрированных систем анализа, позволяющих специалисту сосредоточиться на проблеме, не отвлекаясь на борьбу с интерфейсом.

SolidWorks Flow Simulation

Переход к версии 2011 года SolidWorks Flow Simulation ознаменовался реструктуризацией приложения. Ранее к поставке предлагался только Flow Simulation PE (Professional Edition). Сейчас PE может быть дополнен двумя специализированными модулями.

Модуль для расчета электронных устройств

В оригинале он называется Electronics Module и предназначен для моделирования электронных систем с учетом прохождения постоянного тока и наличия термоэлектрического нагрева. Среди его особенностей:

1. Имитация прохождения постоянного тока в проводящих сплошных средах.

Особенности:

• Flow Simulation позволяет рассчитывать прохождение постоянного тока в проводниках;
• сопровождающий это джоулев нагрев автоматически учитывается в задачах теплопроводности в телах;
• электрическая проводимость может быть изотропной, анизотропной и температурозависимой;
• результаты по току и напряжению доступны только для проводников.

Достоинства:

• оперативное решение задач в приложениях, где джоулев нагрев является определяющим источником тепла;
• достоверное решение задач, где нагрев приводит к потере мощности;
• адекватное моделирование теплового состояния электронных схем.

2. Генератор моделей многослойных печатных плат.

Особенности:

• инструмент позволяет рассчитывать двуосное тепловое состояние с учетом структуры пакета;
• геометрическая модель может быть произвольно ориентирована относительно глобальной системы координат.

Достоинства:

• элементарный практичный инструмент для имитации структурно­анизотропных тел;
• автоматическая идентификация ориентации плоскости слоев.

3. Виртуальные двухрезисторные объекты.

Особенности:

• двухрезисторная компактная модель применяется для однокристальных схем;
• назначаются тепловые сопротивления Junction­to­case resistance (Rjc) (Переход­корпус) и Junction­to­board (Rjb) (Переход­схема);
• модель применяется к имеющемуся пакету, состоящему из двух тел, которые имитируют переход и корпус.

Достоинства:

• модель апробирована в соответствии со стандартом JEDEC (Joint Electron Devices Engineering Council, http://www.jedec.org);
• приемлемая точность для проектировочных расчетов;
• увеличение точности по сравнению с имитацией одним телом;
• наличие библиотеки в базе данных;
• распространенный вариант предоставления информации поставщиками.

4. Виртуальные тепловые трубки.

Особенности:

• компактная модель тепловой трубки;
• назначается полное тепловое сопротивление при прохождении тепла, которое пользователь может легко изменить.

Достоинства: элементарный практичный инструмент для имитации сложных сущностей.

Модуль для расчета помещений с точки зрения вентиляции, отопления, кондиционирования

Расчетная модель для задачи нагрева постоянным током

Плотность электрического тока

В оригинале он называется HVAC Module и предназначен для решения упомянутых задач применительно к помещениям. Если же нужно проанализировать разводку соответствующих каналов, то требуется отдельный анализ. Особенности модуля следующие:

1. Уточненная модель излучения для тел и поверхностей.

Особенности:

• полупрозрачные для теплового излучения тела — учет преломления и объемного поглощения энергии;
• спектрально­зависимая степень черноты;
• назначение спектра излучения;
• виртуальная модель источника теплового излучения.

Достоинства: с учетом унаследованных процедур, связанных с разделением факторов излучения на тепловое и солнечное, данная модель является функционально законченной применительно к задачам теплообмена с учетом излучения. Ее возможности находятся на уровне светотехнических пакетов.

Распределение температуры

Многослойная печатная плата в Инженерной базе данных

Структура пакета платы

Виртуальный двухрезисторный компонент

Виртуальная тепловая трубка

2. Оценка параметров комфортности.

Особенности — расчет параметров:

• Predicted Mean Vote (PMV) — средняя прогнозируемая оценка (–3 — очень холодно; 0 — нормально; 3 — жарко);
• Predicted Percent Dissatisfied (PPD) — прогнозируемый процент неудовлетворенных (качеством воздуха);
• Operative Temperature — рабочая температура;
• Mean Radiant Temperature (MRT) — среднерадиационная температура;
• Draft Temperature — действующая температура сквозняка;
• Air Diffusion Performance Index (ADPI) — коэффициент воздушной диффузии;
• Contaminant Removal Effectiveness (CRE) — эффективность удаления загрязнений;
• Local Air Quality Index (LAQI) — местное качество воздуха;
• Flow Angle — угол прохождения потока;
• LACI (Local Air Change Index) — показатель локального воздухообмена.

Достоинства: возможности Flow Simulation как универсального инструмента вычислительной гидрогазодинамики гармонично сочетаются с функциональностью для решения частных задач — моделирования систем вентиляции, отопления и кондиционирования помещений. Данный модуль позволяет получить практически всю необходимую для специалиста информацию в терминологически корректном интерфейсе.

Спектрально-зависимый источник излучения

Характеристики преломления и поглощения для тел

Статистическое распределение процента неудовлетворенных

Прогнозируемый процент неудовлетворенных (качеством воздуха)

Расширенная инженерная база данных

Особенности:

• функциональная структуризация базы данных;
• наличие объектов, позволяющих выполнить достоверное моделирование как универсальных проблем, так и специфических задач в области электронных устройств и строительства.

Достоинства: разумное ограничение доступных сущностей применительно к конкретной группе задач.

Содержание инженерной базы данных в зависимости от структуры модулей

Конструктор функций для сил и двигателей

Определение закона движения вдоль пути, связанного с соответствующим сопряжением

Инерция отраженной нагрузки

Постпроцессор

Одновременное отображение различных параметров на одной модели;

• запоминание настроек монитора решателя;
• «мастер» для анализа движения частиц;
• полный доступ к модели при отображении анимации.

Исходная 3D-модель под нагрузкой

2D-упрощение

SolidWorks Motion

SolidWorks Motion в версии 2010 года имел вполне законченную функциональность, позволяющую использовать его в качестве надежного инструмента анализа кинематики и динамики механизмов с жесткими связями с возможностью учета местной податливости и демпфирования. Также определенную законченность приобрели процедуры расчета напряженно­деформированного состояния элементов конструкции на базе результатов исследования движения. В версии 2011 года изменения направлены на локальное улучшение функциональности и повышение эргономичности интерфейса.

Исходная 3D-модель под нагрузкой

2D-упрощение

Исходная 3D-модель под нагрузкой

Общие усовершенствования

1. Конструктор функций для сил и двигателей. Можно использовать конструктор функций, чтобы определить профили двигателя или силы из импортированного набора данных. Конструктор функций позволяет определить профили двигателя или силы математическим выражением или интерполяцией. Для профилей двигателя можно задать время, фазовый угол или их функции в качестве независимой переменной. Автоматически вычисляются первая, вторая и третья производные сгенерированного закона движения.

2. Движение вдоль пути. Сопряжение пути можно напрямую ассоциировать с назначенным пользователем законом движения. При этом используется универсальный для новой версии интерфейс конструктора функций.

Постпроцессор

• Инерция и масса отраженной нагрузки. Для линейных двигателей и двигателей вращения можно рассчитать и создать эпюры массы и инерции отраженной нагрузки соответственно.

SolidWorks Simulation

Основные усовершенствования SolidWorks Simulation 2011 связаны с совершенствованием процедур численного анализа в части сокращения времени расчетов, оптимизации распределения загрузки процессоров компьютера, повышением удобства работы пользователя с интерфейсом программы, а также с улучшением функционала по представлению результатов исследований.

Сетка конечных элементов для 2D-упрощения

Диаграмма эквивалентных напряжений для 2D-упрощения

Новые исследования Simulation

1. 2D­упрощение. Исследование дает возможность упростить некоторые трехмерные модели путем их имитации в 2D. При этом резко сокращается время анализа за счет меньшего числа конечных элементов сетки и более простых условий контакта, чем для соответствующих 3D­моделей. 2D­упрощение доступно для следующих типов исследований:

• статические (линейные и нелинейные);
• тепловые;
• проектирование сосудов давления.

Типы 2D­упрощений:

• плоское напряженное состояние (тонкостенные тела, нагруженные в «своей» плоскости);
• плоская деформация (толстостенные тела с нагрузкой в поперечной плоскости);
• осесимметричные тела;
• призматические тела (тепловые исследования).

2. Анализ спектра реакции. Исследование «Анализ спектра реакции» оценивает пиковые значения реакции модели на случайные или зависимые от времени нагрузки (землетрясения, ветровые нагрузки, вибрация двигателя и т.п.).

Методики сочетания режимов:

• абсолютная сумма — предполагается, что максимальные режимные отклики происходят одновременно для всех режимов;
• квадратный корень суммы квадратов (SRSS) — оценивается пиковый отклик по квадратному корню суммы квадратов максимальных режимных откликов;
• полноквадратичная комбинация (CQC) — принимаются во внимание коэффициенты перекрестной корреляции между двумя режимами и соотношения модального демпфирования;
• научно­исследовательская лаборатория NRL (Naval Research Labs) — метод использует абсолютное значение отклика режима с наибольшим откликом и добавляет его к отклику SRSS оставшихся режимов.

Исходная 3D-модель нагретого тела

Диаграмма распределения температуры для 2D-упрощения

Интерфейс Simulation

1. Организация тел. Улучшения в дереве исследований Simulation позволяют шире использовать функции организации и управления компонентами:

• группировка тел в папках в дереве исследований Simulation;
• отображение списков вырезов для балок и тел из листового металла в дереве исследований Simulation.

2. Фильтр дерева исследования Simulation. Новый инструмент позволяет выполнять фильтрацию дерева исследований Simulation:

• фильтрация выполняется по текстовым именам, по свойствам (например, по толщине оболочек) или фиксированной геометрии;
• недавно выполнявшиеся поиски сохраняются для применения в других документах.

3. Опции улучшения отображения:

• тело, исключенное из анализа, скрывается из исследования моделирования;
• при изменении материала тела в исследовании внешний вид тела обновляется с учетом настроек отображения для назначенного материала;
• отображение условных обозначений Simulation (нагрузки, крепления, соединители) управляется из основного меню программы Вид → Обозначения Simulation.

4. Выражения в полях ввода. Доступен ввод алгебраических выражений в поля, допускающие ввод числовых значений (силы, перемещения, давления, механические характеристики материалов и др.).

Динамическая модель колебаний

Диаграмма результирующего перемещения

Диаграмма результирующего ускорения

Папки с телами в дереве исследования

Списки вырезов в дереве исследования

Оболочки

1. Смещения для оболочек. Расположение сетки КЭ определяется по различным граням оболочки:

• средняя поверхность — по срединной поверхности;
• верхняя поверхность — по верхней грани;
• нижняя поверхность — по нижней грани;
• коэффициент смещения — по относительному смещению справочной поверхности по толщине оболочки.

Фильтр в дереве исследования

Фрагмент меню Вид SolidWorks

Выражение для значения силы

2. Ориентация слоев в композитных материалах (Premium). Расширенные опции для определения направления укладки слоев: задание углов для слоев в многослойном пакете относительно угла первого слоя.

3. Адаптивная ориентация слоев в композитных материалах относительно геометрии оболочки (Premium):

• поверхностное преобразование;
• плоское преобразование.

4. Информация составного стека оболочки (Premium). При определении многослойной оболочки данные ее стека (пакета) могут быть сохранены в форматах CSV или TXT.

Схема расположения сетки оболочки

Ввод коэффициента смещения

Определение многослойной оболочки

Поверхностное преобразование для многослойных оболочек

Плоское преобразование для многослойных оболочек

Балки

1. Неравномерная и частичная нагрузка на балки. Нагрузки на балки могут быть заданы как по всей длине объекта, так и на некотором участке с использованием предлагаемых типов распределения (треугольный, параболический, эллиптический, табличный).

Параметры распределения:

• распределение общей нагрузки — заданная нагрузка (сила или момент) распределяется по длине балки согласно выбранному типу;
• центральное распределение нагрузки — заданная нагрузка применяется к центру балки. Нагрузка уменьшается с каждой стороны от центра согласно выбранному типу распределения.

2. Конические и клиновидные балки. Твердые тела конической (клиновидной) формы могут быть рассмотрены как балки.

Треугольный тип распределения

Клиновидное тело и его балочные конечные элементы

Сварной шов по стандарту EN1993-1-8:2002

Настройка свойств исследования

Соединители

Стыковой сварной шов можно определить с использованием набора параметров по европейскому стандарту EN1993­1­8:2002:

• материал более слабой детали в соединении;
• максимальный предел прочности при растяжении;
• коэффициент корреляции (задается по стандарту);
• коэффициент частичной безопасности (задается по стандарту);
• приблизительный размер сварки.

Контакт

Автоматический параметр для упрощенного соединения. Решающая программа выбирает соединительный контакт на основании поверхности или узла с учетом определенных критериев производительности. Если используемое по умолчанию соединение «поверхность — поверхность» существенно замедляет решение, программа автоматически переключается на соединение «узел — поверхность». Новый параметр доступен для статических, частотных исследований, исследований потери устойчивости, а также линейной динамики.

Сетка

Усовершенствования процедур создания сетки:

• производительность генератора сеток оболочек и твердых тел повышена за счет использования нескольких процессоров компьютера;
• в качестве механизма создания сетки по умолчанию применяется алгоритм «на основе кривизны»;
• механизм создания сеток на базе кривизны поддерживает параметр Заново создать сетку из неудавшихся деталей с несовместимой сеткой.

Параметры сетки конечных элементов «на основе кривизны»

Диаграмма первой главной деформации

Нелинейные исследования

Улучшенная точность для нелинейных креплений (Premium). В нелинейных исследованиях используется точный метод моделирования граничных условий вместо метода штрафных функций.

Достоинства:

• исключаются сложности численной сходимости, возникавшие при применении метода расчета погрешности;
• повышение точности и скорости выполнения большинства нелинейных исследований;
• существенное улучшение производительности (сокращение до 20% времени анализа) для нелинейных исследований с многочисленными ограничениями и большой плотностью сетки.

Тепловая мощность объекта

Выделение балки в графическом окне, в Списке сил и в дереве исследования

Результаты

1. Нелинейные эпюры (Premium). Возможность построения диаграмм главных деформаций.

2. Тепловая мощность и тепловая энергия. Новый инструмент быстрого определения тепловой мощности, выделяемой или рассеиваемой выбранными элементами, в стационарных и нестационарных тепловых исследованиях.

3. Таблицы списков результатов:

• при выделении строки в диалоговом окне Шпилька/Болт/Подшипник или Список сил, действующих на балку, соответствующий соединитель или балка подсвечиваются в графической области и в дереве исследований Simulation;
• Отобразить только экстремальные значения — параметр для вывода максимальных значений результатов в списке по каждой балке;
• Отобразить только конечные точки — параметр для вывода результатов в конечных узлах каждой балки списка.

Экстремальные значения напряжений для балок

Узловые значения напряжений для балок

Результаты зондирования

Определение датчика исследования в нестационарной задаче

Формирование отчета исследования Simulation

Вставка изображения в отчет

4. Улучшения условных обозначений зондирования:

• результаты зондирования можно перемещать по графической области;
• редактируется состав отображаемых результатов зондирования;
• указывается номер шага решения для нестационарных процессов.

5. Датчики для исследования нестационарных процессов. Возможность определения датчиков для отслеживания результатов нелинейных исследований, испытаний на ударную нагрузку, линейной динамики и тепловых исследований нестационарных процессов. Датчики можно задавать для отслеживания значений на всех шагах, на конкретном шаге эпюры или в определенном режиме.

6. Отчеты исследований:

• стили и разделы отчетов — доступны различные стили отчетов. Включенные разделы можно изменять в соответствии с типом исследования. Отчеты доступны для исследований всех типов;
• вставка изображений — возможность вставки дополнительных изображений в созданные отчеты. Для нагрузок и закреплений можно добавлять соответствующие примечания;
• графики для свойств материалов — связанные графики для свойств материалов включаются в отчет исследования.

SimulationXpress

1. Отчеты исследований SimulationXpress. Отчеты исследований SimulationXpress генерируются как документы Microsoft Word.

2. Сокращение времени генерации сетки конечных элементов. Алгоритм изменен только для сетки «на основе кривизны».

3. Сокращение времени решения нелинейных исследований. Достигается за счет исключения из числа решаемых уравнений, соответствующих предопределенным степеням свободы.

Свойства материала со связанным графиком на странице отчета

Настройки отчета SimulationXpress

Время генерации сетки конечных элементов в зависимости от числа ядер процессора

Повышение эффективности нелинейного решателя

***

Подводя итог анализу новых возможностей модулей инженерного анализа SolidWorks, можно сказать, что уже в течение нескольких лет эта среда остается одним из лидеров в сегменте массовых продуктов. С точки зрения конечного пользователя, она сочетает функциональность, покрывающую абсолютное большинство типовых проблем, при вполне приемлемой, даже для отечественной ситуации, цене. Как показывает практика взаимодействия с реальными и потенциальными клиентами, для решения реальных (ненадуманных) задач достаточно применения базовых инструментов SolidWorks Simulation. Это утверждение касается машиностроения, приборостроения и строительства в части металлоконструкций и гидрогазодинамики.

Немалый вклад в популярность SolidWorks и SolidWorks Simulation вносит и активная политика фирмы SolidWorks Russia, не ограничивающаяся интенсивным продвижением данных систем, а также обеспечивающая адекватное сопровождение, обучение и поддержку. Систематической практикой является решение характерных задач клиентов, в частности тех, которые содержат те или иные особенности, требующие углубленного анализа. После выполнения результаты, как правило, оформляются в виде подробного описания с соответствующими методическими рекомендациями. Для заинтересованных клиентов обеспечивается свободный доступ к таким материалам.

САПР и графика 11`2010