Инженерный анализ в среде SolidWorks Simulation. Новое в версии 2013 и практика использования

Максим Шаломеенко, Aндрей Алямовский

Версия SolidWorks 2013 была представлена на XIV Форуме SolidWorks, прошедшем с полным аншлагом в октябре в здании Российской академии наук. Таким образом, был соблюден привычный ход событий: объявление особенностей обновления в начале лета, трехмесячное бета-тестирование и начало поставки в середине осени. Традиционно специалисты нашей компании активно участвовали в конкурсе бета-тестеров. В этом году результаты конкурса, как всегда, соответствуют уровню компании SolidWorks Russia: нашим специалистам принадлежат первые места в разделах SolidWorks и SolidWorks Simulation (с уверенным отрывом от последующих призеров) и второе место в Enterprise PDM. Также завоеваны призы в отдельных номинациях.
При тестировании, помимо собственно надежности и функционала, акцент делался на качестве локализации программ, в частности на специфической терминологии Simulation.

SolidWorks Flow Simulation

Режим сравнения конфигураций

Инструмент Режим сравнения конфигураций предназначен для сравнения исходных данных и результатов исследований течения жидкости. Результаты сравнения можно использовать для улучшения проекта.

Режим сравнения конфигураций позволяет проанализировать:

входные данные различных проектов;

результаты проектов, полученные из разных конфигураций.

Данные различных конфигураций отображаются на плоских и поверхностных диаграммах. Результаты сравнения доступны в табличном виде и в виде графиков (рис. 1).

Рис. 1. Сравнение результатов анализов

Эпюра эрозии

При применении Исследования частиц эпюра эрозии позволяет визуализировать распределение скорости развития эрозии на поверхности. Это особенно удобно в случаях двухфазного потока во взаимодействиях «частица — стенка».

Помимо интегральных параметров эрозии и движения частиц, SolidWorks Flow Simulation 2013 содержит локальные параметры процесса, которые позволяют получать полную количественную и качественную оценку двухфазных потоков (рис. 2).

Рис. 2. Эпюра эрозии

Алгоритм равноудаленных линий тока при обтекании поверхности

В алгоритме Равноудаленные линии тока используется технология на базе графического процессора Novel, позволяющая визуализировать равноудаленные линии тока при обтекании поверхности в интерактивном режиме в реальном времени. Это обеспечивает оптимальное распределение линий тока по данной поверхности.

Новый алгоритм улучшает визуализацию результатов, обновляя распределение линий тока в реальном времени при управлении моделью, включая масштабирование отдельных областей.

Линии тока рассчитываются на основе значения произвольного вектора, указанного в качестве параметра (скорости, теплового потока и т.п.). Линии тока можно отображать в дополнение к траекториям потока и векторным графикам (рис. 3).

Рис. 3. Равноудаленные линии тока

Улучшенное дерево элементов

В SolidWorks Flow Simulation 2013 улучшено отображение геометрических форм и конфигураций с исследованиями потока. В дереве анализа Flow Simulation исследования отображаются в соответствующих конфигурациях SolidWorks (рис. 4).

Рис. 4. Дерево элементов

Улучшенное управление геометрией

Новый набор инструментов обеспечивает большую гибкость в управлении сложной геометрией при создании жидкостных моделей или определении граничных условий. Новые возможности позволяют сократить время подготовки геометрии модели для выполнения анализа потока жидкости:

• режим Без жидкости — улучшает обработку сложных или больших моделей, позволяя сократить время настройки моделирования потоков жидкости;
• Leak Tracking — инструмент поиска в модели отверстий или зазоров, препятствующих созданию герметичного внутреннего объема жидкости (он необходим для постановки внутренней задачи), визуализируя маршрут от какой­либо внутренней грани компонента к внешней (рис. 5);
• Разбить компонент на грани — применение заданного граничного условия поверхностного типа ко всем граням выбранного компонента;
• Скопировать условие в экземпляры одного компонента — копирование условия (тепловой источник, материал, инженерная цель и т.п.), примененного к одной детали, в другие ее экземпляры в сборке;
• Разрешение результатов — управление точностью решения посредством параметров сетки и условий для завершения расчета. Значение 9 вместо 7, заданное для максимального уровня сетки в локальных параметрах, позволяет получить более мелкую сетку и еще более точное разрешение моделирования;
• Параметры сетки — в параметрах управления сетки удалено ограничение на 1000 ячеек в каждом направлении. Для сложных и больших моделей можно задать более мелкую сетку.

Рис. 5. Окно инструмента Leak Tracking и результат поиска «протечки»

Низкотемпературная конденсация

При моделировании конденсации теперь можно исследовать температуры ниже –70 °C. Это позволяет моделировать парообразование или влажность в экстремальных условиях.

Например, при моделировании прохождения парогаза через систему труб возможность использования низкотемпературной конденсации позволяет визуализировать места образования конденсата с учетом температуры трубы (рис. 6).

Рис. 6. Места образования конденсата в трубе

Рис. 7. Окно параметрического исследования

Режим параметрического исследования

Параметрическое исследование может описывать самый широкий круг задач. Простой в использовании интерфейс позволяет (рис. 7):

задавать входную переменную в качестве граничного условия (входных данных), назначать размер или сопряжение модели, а также аргумент из таблицы параметров;

задавать выходные параметры в качестве целей исследования;

отображать отчет сравнения целей, который можно экспортировать в таблицу Excel.

Улучшенные эпюры eDrawings

Были улучшены эпюры результатов, которые сохраняются из Flow Simulation в формате eDrawings. Теперь в них отображается легенда эпюры результатов (в том числе с показом нескольких диаграмм различных типов — рис. 8).

Рис. 8. Эпюра eDrawings с легендой результатов

SolidWorks Simulation

Балки

Можно создать список сил и моментов реакции, действующих в зафиксированных концах балок (рис. 9).

Рис. 9. Результаты в узлах балочных конечных элементов

Контакт

Расширенные возможности контактов включают следующие усовершенствования:

• отсутствие ограничений на количество наборов контактов для статических, нелинейных исследований и испытаний на ударную нагрузку;
• улучшенное обнаружение контактных пар между сплайнами поверхности и соприкасающимися гранями (рис. 10);
• автоматическое обнаружение касающихся граней в случае пересечения поверхности оболочки с твердым телом (рис. 11);
• определение контакта Связанные между кромками оболочек и гранями тел из листового металла с балками (рис. 12).

Рис. 10. Контакт по кривой

Рис. 11. Обнаружение касающихся граней

Рис. 12. Контакт «оболочка — балка»

Инкрементное создание сетки конечных элементов

Функция инкрементного создания сетки конечных элементов обеспечивает большую гибкость, позволяя создавать точные сетки отдельных компонентов большой сборки. Повторное создание сетки только для выбранных твердых тел или оболочек, а не для всей сборки позволяет сократить общее время расчета.

Инкрементное создание сетки дает возможность генерировать сетку для отдельных компонентов, не затрагивая всю сборку. Если перед запуском исследования для некоторых тел SolidWorks Simulation сборки была создана сетка, то во время исследования сетка будет генерироваться только для компонентов без сетки.

Если для некоторых компонентов не удалось создать сетку, то можно повторить попытку только для этих компонентов — существующая сетка для остальных компонентов не будет изменена (рис. 13).

Рис. 13. Инкрементное создание сетки конечных элементов

Интерфейс

Для улучшения организации элементов в папке Соединения автоматически создается отдельная подпапка для виртуальных соединителей (рис. 14).

Рис. 14. Подпапка для соединителей

Сообщения об ошибках

Связывание сообщений об ошибках решающей программы с геометрией упрощает устранение ошибок в настройке исследования Simulation. Сообщения об ошибках находятся в диалоговом окне Что неверно рядом с элементом исследования, в котором обнаружена ошибка (рис. 15).

Рис. 15. Сообщение об ошибке

Материалы в исследованиях проектирования

Новый параметр в исследованиях проектирования позволяет использовать материал компонента (детали или тела) в параметрическом и оптимизационном анализе. С помощью этой функции пользователь может оценить различные варианты проектирования или оптимизировать текущий проект, определив для тел множество материалов, из которых в исследовании проектирования будет выбран наилучший (рис. 16).

Рис. 16. Материалы в исследовании проектирования

Рис. 17. Коэффициент запаса прочности для выбранных тел

Результаты

Коэффициент запаса прочности для выбранных тел

После выполнения статического исследования можно просмотреть эпюру запаса прочности только для выбранных тел (рис. 17).

Эпюры для выбранных объектов

Новый параметр просмотра результатов позволяет отображать результаты (напряжения, перемещения и деформации) только для назначенных объектов (рис. 18).

Трехмерная визуализация толщины оболочек

Рис. 18. Результаты для выбранных объектов

Рис. 19. Трехмерный вид сетки конечных элементов оболочки

Сетку конечных элементов и результаты для оболочек можно отобразить с помощью трехмерного представления тел оболочек (рис. 19 и 20). Новая процедура позволяет отображать толщину оболочки в эпюрах результатов (напряжение, перемещение и деформация), а также при просмотре сетки.

Рис. 20. Трехмерный вид диаграммы эквивалентных напряжений в оболочке

Хранение результатов

Пользователи могут управлять объемом данных, хранящихся в файле результатов моделирования, сокращая размер файла и повышая скорость его загрузки, особенно для переходных анализов.

К новым возможностям хранения результатов относятся следующие:

• возможность не сохранять результаты напряжений и деформаций в файле результатов (*.cwr) статических исследований;
• возможность сохранять результаты только выбранных шагов решения для исследований переходных термических процессов (рис. 21).

Рис. 21. Выбор результатов для сохранения

Датчик переходных процессов

Датчик переходных процессов позволяет отслеживать результаты исследований переходных процессов (нелинейных, динамических, нестационарных термических и испытаний на ударную нагрузку). После выполнения соответствующего исследования можно построить график значений, сохраненных в датчике, относительно периода времени или частоты шагов решения (рис. 22).

Рис. 22. Определение датчика переходных процессов

Создание подмоделей

Новая функция создания подмоделей позволяет улучшить результаты исследования с большим количеством тел в критических областях без необходимости повторно запускать анализ для всей модели. Уточнение сетки для выбранной части модели и повторный анализ только подмодели позволяют сократить время расчета. Эта функция доступна в конфигурации SolidWorks Simulation Professional и выше.

После запуска задачи с относительно грубой сеткой можно определить группу тел подмодели, для которых значение напряжения могло быть вычислено неправильно из­за сложной геометрии и нагрузки. Уточнив сетку для тел подмодели, задачу можно запустить повторно, чтобы улучшить результаты только для подмодели, не вычисляя повторно результаты оставшейся части модели.

Исследование подмодели производится из соответствующего родительского исследования. Чтобы последнее могло использоваться для исследования подмодели (рис. 23 и 24), оно должно удовлетворять следующим условиям:

• исследование должно быть статического линейного или нелинейного типа, содержать более одного тела и не являться исследованием подмодели. Родительским исследованием не может быть исследование 2D­упрощения;
• выбранные тела, составляющие подмодель, не должны иметь контакта Нет проникновения с невыбранными телами, создающего контактное давление в вырезе по границе;
• выбранные тела подмодели не должны иметь общих соединителей с невыбранными телами.

Рис. 23. Переход от исследования родительской модели...

Рис. 24. ...к исследованию подмодели

SolidWorks Plastics

В новой версии в поставку (и в состав лицензии) SolidWorks может входить модуль Plastics, являющийся развитием приложения SimpoeWorks. Он предназначен для моделирования процесса изготовления изделий из термопластичных пластиков.

Практика использования инструментов Simulation при решении инженерных задач

Форум SolidWorks в России включал, помимо пленарного доклада, ряд специальных секций. Одна из них была посвящена модулям инженерного анализа, в частности описанию реальных задач, решенных в ходе внедрения и обучения или технической поддержки. Мы не будем описывать методические подробности (они были изложены в докладе, а также доступны в ходе консультаций), а ограничимся некоторыми иллюстрациями.

На рис. 25 показана расчетная геометрическая модель, а также первая и четвертая собственные формы антенны, изготавливаемой ОАО «Государственный рязанский приборный завод». Одной из особенностей данной задачи, помимо значительной размерности (фрагмент сетки приведен на рис. 26), является учет податливости подшипниковых узлов и приводов в конструкции.

Рис. 25. Собственные формы колебаний антенны

Рис. 26. Фрагмент сетки конечных элементов для антенны

Рис. 27. Сетка конечных элементов для задвижки

Сетка конечных элементов для статического расчета задвижки, принадлежащей ООО «Гусевский арматурный завод», показана на рис. 27. Диаграмма результирующих перемещений представлена на рис. 28, а эквивалентные напряжения — на рис. 29. В расчетной модели учтены натяги, вызванные резьбовыми соединениями и пружинами, корректно описаны нелинейные контакты.

Рис. 28. Результирующие перемещения задвижки

Рис. 29. Эквивалентные напряжения в задвижке

Также определялись резонансные частоты. Одна из резонансных форм показана на рис. 30 — она обусловлена подвижностью соединений деталей в задвижке. При расчете собственных частот, помимо подвижности, учитывались натяги и уменьшение жесткости в резьбовых соединениях.

Рис. 30. Форма резонансных колебаний задвижки

Для ЗАО «Диэлектрические кабельные системы» (г.Тверь) была уточнена методика моделирования перфорированных конструкций, подобных представленной на рис. 31. Отрабатывались различные конечно­элементные представления: твердотельное, оболочечное, балочное и варианты их упрощения с целью обеспечения достаточной точности при минимальных требованиях к ресурсам (рис. 32).

Рис. 31. Геометрия перфорированного модуля

Рис. 32. Сравнение результатов, полученных различными конечно-элементными аппроксимациями

Рис. 33. Геометрическая модель центробежного насоса

Рис. 34. Распределение давления в сечении

Возможности модулей Simulation применительно к задачам гидрогазодинамики и теплопередачи можно проиллюстрировать задачами течения в трехступенчатом центробежном насосе ЗАО «Русская горно­насосная компания» (г.Ясногорск), модель которого показана на рис. 33, а распределение давления в сечении — на рис. 34.

Одна из характерных задач, возникающих в приборостроении, — тепловое состояние прибора с водяным охлаждением (рис. 35­37). Она решалась во взаимодействии с ОАО «Концерн «Моринформсистема­Агат» (Москва).

Рис. 35. Геометрическая модель прибора

Рис. 36. Температура тел

Рис. 37. Температура текучих сред в сечении

Подчеркнем, что подобных задач, появляющихся в ходе работы с пользователями, ежегодно насчитывается несколько десятков, — около 20 из них были обсуждены на форуме. Это говорит о высокой востребованности у пользователей как модулей семейства Simulation, так и услуг службы технической поддержки компании SolidWorks Russia.

САПР и графика 11`2012