Инженерный анализ в среде SolidWorks. Новое в версии 2012

Андрей Алямовский. К. т. н., ведущий инженер компании SolidWorks Russia
Максим Шаломеенко. Инженер компании SolidWorks Russia

Соблюдая сложившуюся традицию выводить на рынок программное обеспечение задолго до наступления календарного года, компания SolidWorks также «опередила» время, выпустив версию 2012 в сентябре текущего года.

Однако, несмотря на такое «ускорение», система была тщательно проверена заинтересованными фирмами и лицами в ходе конкурса  бета­тестеров. Как всегда, сотрудники фирмы SolidWorks Russia приняли самое активное участие в этом мероприятии. В нынешнем году были заняты первые места в разделах SolidWorks и SolidWorks Simulation и третье — в Enterprise PDM. Всё это способствовало тому, что коммерческая версия стала вполне качественным продуктом.

SolidWorks Flow Simulation

Физические модели и технологии

Разрешение усложненной геометрии

Усовершенствованная технология создания сетки обеспечила улучшение представления CAD­геометрии с помощью вычислительной сетки. Результатом является повышение точности расчетов при использовании меньшего количества ячеек. Предыдущие версии содержали неполные ячейки, которые упрощали геометрию, разрезая острые углы, имеющиеся в ячейке. В новой технологии применяется дополнительная информация из САПР (например, кромки) для построения неупрощенной геометрической модели, где это возможно.

Модель излучения DO (модуль HVAC)

Модель излучения DO улучшена и обладает повышенной точностью в тех случаях, когда геометрическая оптика (например, фокусирующие линзы, затенение) необходима для моделирования.

В модель DO были добавлены три параметра дискретизации уровней: уровень 5 (2­го порядка), уровень 6 (2­го порядка), уровень 7 (2­го порядка).

Для направленного (солнечного) излучения новый алгоритм всегда включен, обеспечивая более резкие тени позади объектов. Для диффузионного (теплового) излучения он может быть включен посредством выбора одного из трех новых уровней дискретизации.

Коэффициент сквозняка (модуль HVAC)

Добавлен новый параметр комфорта — Draught Rate, обозначающий количество людей, выраженное в процентах, ощущающих дискомфорт от сквозняков (ISO 7730).

Гибридная технология для изотермической кавитации

Для разрешения гидравлических (изотермических) проблем кавитации введен новый гибридный метод. Гидравлическая (изотермическая) кавитация возникает в потоках жидкости, когда давление падает ниже критического уровня. В результате часто возникает сверхзвуковой поток в двухфазных зонах кавитации. Для разрешения подобных проблем гибридная решающая программа использует как несжимаемые (зона жидкости), так и сжимаемые компоненты (двухфазная область). Гибридный метод автоматически использует нужный подход в зависимости от режима потока. Он применяется только к изотермической кавитации.

Thermal Joint

Новый инструмент Thermal Joint позволяет моделировать теплопередачу от одной грани к другой путем указания теплового сопротивления. Тепло может быть передано с одной грани (или сборки граней) на другую грань (или сборку граней) без моделирования самого проводника. Для этого необходимо определить параметр теплопередачи в виде либо Интегрального коэффициента передачи тепла (W/K), либо теплового сопротивления (K/W).

Исследование трассировщика (модуль HVAC)

Благодаря новой функции трассировщика можно быстро моделировать источник концентрации, конденсацию на поверхности или испарение жидкостных примесей (например, водяного пара или токсичного газа) в жидкости­носителе (например, в воздухе). Наличие примеси незначительно влияет на поток жидкости носителя. Трассировщик представляет собой примесь, присутствующую в низкой массовой доле в жидкости­носителе и не оказывающую на нее (пассивного) влияния. В качестве трассировщика можно рассматривать газовую примесь низкой концентрации (примеры трассировщиков в воздухе: водяной пар, H2, CO, NO, NO2, Cl2, HCl, NH3, H2S, SO2).

Препроцессор

Настройки автоматического перестроения

В новой версии стало возможно отключать автоматическое перестроение модели. При тестировании различных сценариев проектирования отключение этого параметра во время моделирования Flow Simulation и изменения проекта повышает эффективность работы.

Условное обозначение при недопустимом контакте

Теперь можно добавлять обозначения, отмечающие неверные поверхности контакта, которые впоследствии можно было бы исправить. Обозначения экономят время, указывая причины ошибок геометрии.

Контактное сопротивление

Параметр Apply to solid/solid only в диалоговом окне Contact Resistance позволяет указать сопротивление контакта только на перекрывающихся деталях контактирующих твердых поверхностей.

Постпроцессор

Шкала

Некоторые улучшения, облегчающие использование, реализованы для Color Bar:

• динамическая настройка размера, положения палитры и количества уровней Color Bar;
• новый параметр Автомасштаб в диалоговом окне Шрифт, автоматически регулирующий размер шрифта для текста на Color Bar;
• определение значения по умолчанию и внешний вид цветовой полосы в разделе General Options;
• ряд новых палитр, оптимизированных для визуализации распределения температур, в диалоговом окне Color Bar (рис. 1).

Рис. 1. Палитра цветов для отображения поля температур

Анимация контекста

Сохранить отображенную анимацию можно при помощи одно­именного инструмента.

Область обрезки для траекторий потока

Определение трехмерного прямо­угольника для обрезки траекторий потока дает возможность ограничить область визуализации линий тока, чтобы сосредоточиться на интересующей области в больших моделях (рис. 2).

Рис. 2. Ограничение области визуализации линий тока

Экспорт результатов

Можно одновременно экспортировать несколько параметров поверхностей в Microsoft Excel.

Высококачественное выделение

Высококачественное выделение доступно для указания на выбранных эпюрах или траекториях. Это дает возможность выделить контуры различных параметров на одной эпюре (рис. 3).

Рис. 3. Многоконтурное выделение

Parameter List

Диалоговое окно Parameter List имеет улучшенный интерфейс, позволяющий более легко выбирать параметры при просмотре результатов. Их можно сортировать по имени, группе или единицам.

Отчеты

Для создания отчетов могут использоваться настраиваемые шаблоны при анализе результатов в режиме пакетной обработки результатов. Аналитические отчеты могут создаваться и в формате HTML в дополнение к формату файлов Microsoft Word.

SolidWorks Motion

Оптимизация движения

Теперь можно связывать параметры с элементами Simulation или исследования движения с помощью единого интерфейса. Параметризованные элементы Motion могут использоваться в исследованиях проектирования для выполнения оптимизации или оценки отдельных сценариев проекта. Элементы Motion, которые могут быть связаны с параметрами: двигатели, пружины, демпферы, контакт и свойства исследования (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Определение параметра исследования движения для задачи оптимизации

Рис. 5. Результаты оптимизации

Включение результатов расчета движения в датчики

На основе результатов движения можно определить датчики данных движения (рис. 6).

Рис. 6. Датчик с параметрами движения

SolidWorks Simulation

Усовершенствования, внесенные в новую версию, включают наличие балок в линейных динамических исследованиях, отпечатывание действительных поперечных сечений для связи соединений, оценку постоянных кручения и более реалистичную визуализацию профилей балок.

Балки

Балки в линейных динамических исследованиях

Балочные элементы поддерживаются в линейных динамических исследованиях, которые включают: модальную временную диаграмму, анализ случайных и гармонических колебаний и анализ спектра реакции (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма перегрузки сварной конструкции при гармонических колебаниях

Возможные варианты задания нагрузок:

• силы и моменты как функции времени (модальный анализ);
• силы и моменты как функции частоты колебаний (гармонические и случайные колебания);
• возбуждение однородного или выбранного основания (анализ случайных колебаний и спектра реакции).

Соединение балок

Когда шарниры балок соединяются с соседней гранью твердого тела или оболочки, действительное поперечное сечение балки разбивается на сетку и отпечатывается на грани твердого тела или оболочки, создавая более точное соединение. При создании сетки элементы создаются в области нанесения сечения балки. Конечное соединение балки присоединяется ко всем элементам внутри области нанесения сечения, формируя более реалистичное представление о соединении (рис. 8).

Рис. 8. Улучшенный контакт «балка — тело»

Константы кручения балок

SolidWorks Simulation рассчитывает константу кручения (крутильную жесткость) и коэффициент сдвига для сечений балок. Наряду с нейтральной осью отображается линия центра жесткости для всех балок.

Для расчета касательных напряжений при кручении в программе применяется константа кручения и расстояние от центра секции до точки максимальной крутильной жесткости для всех сечений балок. Для расчета сдвиговых напряжений от перерезывающей силы при сдвиге программа рассчитывает два коэффициента сдвига, которые учитывают неравномерное распределение напряжений в сечении балки (рис. 9 и 10).

Рис. 9. Жесткость при кручении и коэффициент сдвига

Рис. 10. Нейтральная ось и центр сдвига балки

Результаты балок

Сетка балки и эпюры результатов теперь могут отображаться на фоне действительной геометрии балки. В предыдущих версиях сетка и эпюры результатов для исследований балки отображались в цилиндрах, а не в действительной геометрии балки. Теперь предусмотрена возможность отображения результатов либо в цилиндрах, либо в геометрии балки (рис. 11 и 12).

Рис. 11. Сетка балочных конечных элементов

Рис. 12. Осевые напряжения в балках в различных вариантах отображения

Отображение результатов балок в eDrawings

Результаты балок могут быть сохранены на действительной геометрии балки и отображаться в eDrawings так, как они отображаются в SolidWorks Simulation. Ранее результаты балок отображались в eDrawings на цилиндрических поверхностях (рис.13).

Рис. 13. Диаграмма напряжений балок в eDrawings

Соединители

Усовершенствования в области соединителей включают повышенную точность для соединителей торцевых сварных швов, поддержку всех соединителей (за исключением болтов и упругих оснований) для линейных динамических исследований, а также создание болтовых или штифтовых соединителей на одном и том же компоненте (рис. 14):

Рис. 14. Определение болта-соединителя

• расчет сварного шва для соединителя торцевых сварных швов является более точным благодаря улучшению алгоритма связывания кромок и граней оболочки;
• все соединители, за исключением болтовых соединителей и упругих оснований, поддерживаются в линейных динамических исследованиях;
• возможность импорта исследования собственных частот с соединителями в новое линейное динамическое исследование;
• возможность создания штифтового или болтового соединителя для цилиндрических граней или кромок одного и того же компонента.

Интерфейс параметров проектирования

Диалоговое окно Параметры имеет улучшенный интерфейс, позволяющий создавать и связывать параметры с компонентами элементов Simulation или исследований движения (рис. 15).

Рис. 15. Окно настройки параметров

Нелинейные исследования

Улучшения в области сходимости контактов и обработки данных ввода­вывода способствуют повышению общего качества нелинейного анализа:

• повышение производительности на 15...30% для большинства исследований способствует сокращению общего времени решения. Отдельные исследования показывают повышение производительности на 50%;
• связь на основании поверхностного контакта теперь включена и в нелинейные исследования;
• улучшены сходимость и точность решения в алгоритме для поверхностного контакта. В результате улучшена обработка нелинейных проблем со следующими элементами:

­ контакт связи поверхностей и соединителей,

­ контакт «нет проникновения» с трением,

­ сочетание «горячей посадки» и контакта «нет проникновения».

Оболочки

Усовершенствования в области оболочек включают следующее:

• автоматическое обнаружение контактных пар между соприкасающимися кромками оболочек, связанными с гранями, распространено на комбинации с неплоскими гранями и круговыми кромками;
• повышенная точность алгоритма связывания кромок оболочек и граней твердых тел для статического, нелинейного и частотного исследований, а также для исследований потери устойчивости;
• импорт данных о температурах и давлениях из SolidWorks Flow Simulation.

Автоматическая связь кромок оболочек с гранями

Автоматическое обнаружение соприкасающихся кромок оболочек, связанных с гранями твердых тел или оболочек, упрощает создание контактных пар между кромками оболочек и гранями, когда связанный контакт указывается локально или глобально (рис.16).

Рис. 16. Автоматический поиск контактов «кромка — грань»

Связывание оболочек с гранями твердых тел

Алгоритм связывания кромки оболочки и грани твердого тела улучшен с учетом толщины оболочки. При определении глобальной или локальной связи программа виртуально отпечатывает толщину кромки оболочки на соприкасающейся грани твердого тела и применяет связь автоматически (рис. 17).

Рис. 17. Улучшенный контакт «оболочка — тело»

Импорт данных Flow Simulation

В новой версии предусмотрена возможность импортировать результаты анализов Flow Simulation, выполненных над тонкими твердотельными деталями или деталями из листового металла и оболочками, в исследование Simulation. Импортированные данные включают температуру, давление, напряжения сдвига и коэффициент конвекции.  Кроме того, доступен просмотр графической диаграммы импортированных данных (рис.18 и 19).

Рис. 18. Диаграмма импортированного давления из Flow Simulation

Рис. 19. Диаграмма распределения эквивалентных напряжений

EMS и HFWorks

Наряду с перечисленными модулями механического анализа SolidWorks может быть расширен инструментами для моделирования электромагнитных эффектов. Все они основаны на методе конечных элементов и как в плане  реализации, так и по интерфейсу имеют много общего с SolidWorks Simulation.

Низкочастотный электромагнитный анализ реализуется посредством EMS, выполняющего следующие типы расчетов (рис. 20):

• электростатический анализ;
• расчет проводимости;
• магнитостатический анализ;
• намагничивание переменным током;
• нестационарный магнитный анализ.

Второй модуль — HFWorks — предназначен для имитации высокочастотного излучения:

• расчет параметров рассеяния (S­parameters);
• анализ резонанса;
• построение электромагнитных моделей антенн.

Новая версия EMS также содержит немало усовершенствований. Они коснулись интерфейса, сделав его еще более дружелюбным, а также собственно функциональности.

Рис. 20. Модель намагничивания постоянным током

Рис. 21. Расчет яркости лампы

Генератор сетки и препроцессор:

• появились инструменты анализа сетки;
• усовершенствованы инструменты управления плотностью сетки;
• встроенная библиотека дополнена материалами с нелинейными характеристиками и характеристиками потерь.

Связанный анализ движения:

• экспорт нагрузок из EMS в Motion Simulation;
• последующее уточнение электромагнитных сил;
• поддержка линейных двигателей и двигателей вращения;
• поддержка нескольких двигателей;
• анимация модели совместно с результатами.

Электростатический анализ и расчет проводимости:

• емкость может вычисляться после собственно расчета;
• доступно управление точностью расчета;
• уточнена модель плавающего проводника.

Магнитостатический анализ:

• параметры схем могут вычисляться после собственно расчета;
• упрощена модель обмоток исходя из сортамента проводов или диаметра провода;
• включена модель возбуждения проводника напряжением;
• возможен расчет сопротивления проводника постоянному току на основе спецификаций провода;
• усовершенствованы граничные условия для потока.

Возбуждение переменным током:

• в качестве результатов доступны параметры гистерезиса, омических, вихревых потерь в раздельное дополнение к общим потерям;
• автоматический расчет парамет­ров схем;
• модель слоистых материалов;
• расширение расчетных параметров, характеризующих связь обмоток с разнообразными сущностями;
• усовершенствованная модель многосвязных проводящих областей.

Нестационарный расчет:

• параметры схем могут вычисляться после собственно расчета;
• результаты расчета могут служить исходными данными для теплового анализа;
• усовершенствованные модели обмоток и граничных условий для потока, аналогичные возбуждению переменным током;
• пользовательские функции для закона возбуждения обмоток;
• повышение устойчивости и улучшение сходимости нелинейного решателя.

Визуализация результатов:

• построение закона изменения функции вдоль сплайна;
• увеличение номенклатуры пространственных диаграмм, в частности напряжения и потока;
• увеличение номенклатуры табличных результатов, в частности потерь в сердечнике, омических и гистерезисных потерь;
• анимация трехмерных диаграмм, в частности для расчетов, совмещенных с моделью движения, нестационарного магнитного анализа, намагничивания переменным током;
• экспорт трехмерных диаграмм в нейтральные форматы;
• отображение результатов расчета нескольких исследований и/или нескольких конфигураций посредством двумерных диаграмм в одном окне;
• формирование отчетов в HTML или Word с внедрением в модель SolidWorks.

OptisWorks

Еще одна сфера инженерной деятельности — оптика и светотехника — также охвачена инструментарием модулей SolidWorks. Наиболее популярным является OptisWorks, позволяющий как моделировать соответствующие эффекты, так и проектировать (оптимизировать) оптические/светотехнические системы (рис. 21). Данный модуль также поставляется в версии 2012 года, которая содержит ряд усовершенствований. Помимо этого обновлены модули Optical Design (оптическое проектирование) и Laser Propagation (имитация распространения лазерного излучения).

САПР и графика 10`2011