Инженерный анализ в среде SolidWorks Simulation. Новое в версии 2015

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

Версия модулей Simulation 2015 года содержит ряд новых функций, а также развивает имеющиеся возможности с точки зрения удобства и надежности, что подтверждает репутацию SolidWorks стабильно развивающегося, востребованного в повседневной инженерной практике инструмента.

SolidWorks Flow Simulation

Расширенные параметры управления решающей программой

Новые параметры решающей программы предоставляют дополнительные возможности при подготовке проекта:

• глобальные цели в виде массы, энергии и импульса позволяют контролировать сходимость задачи;
• управление сохраняемыми результатами с целью уменьшения размера файла.

Усовершенствования инструмента Сравнение

С помощью инструмента Сравнение можно сопоставлять результаты различных проектов, полученных из конфигураций одной модели. Результаты сравнения доступны в виде столбчатых диаграмм и множественных графиков функций (рис. 1).

Рис. 1. Сравнение результатов — новые представления

Поддержка команды Копировать проект

При использовании команды Копировать проект результаты Flow Simulation добавляются в созданную папку или файл ZIP (рис. 2).

Рис. 2. Окно команды Копировать проект с результатами Flow Simulation

Сетка вращения

В дополнение к алгоритму вращающихся областей реализован метод вращающихся сеток, снимающий ограничение на осевой вход текучей среды (рис. 3). Новый функционал позволяет решать задачи с боковым входом, получать состояние потока в подвижной области в реальном времени без осреднения (рис. 4).

Рис. 3. Выбор вращающейся сетки в нестационарной задаче

Рис. 4. Вращающаяся область с подвижной сеткой
в мгновенном состоянии среды

Анализ нестационарных процессов

В решение нестационарных задач внесены следующие улучшения:

• ускоренный расчет анализа переходных процессов;
• остановка расчета при достижении заданного значения целевой функции;
• сохранение осредненных по времени результатов.

Повышенное удобство использования

Улучшения в общем интерфейсе программы:

• возможность назначать граничные условия на основе дискретных значений, определяемых в совокупности точек на грани, с автоматическим распространением на всю грань. Можно использовать таблицу, полученную из эксперимента или из результатов другого расчета (рис. 5);
• редактор формул — в формулу целевого уравнения можно добавить гравитацию (g), число p, универсальную газовую постоянную R и константу Стефана­Больцмана s;
• пакетный запуск проектов — в диалоговом окне Пакетный запуск проекты отображаются в том же порядке, что и в дереве проектов;
• данные для пористых сред — в базу данных включена информация о коммерчески доступных фильтрующих объектах;
• подготовка новых проектов в процессе выполнения решения — можно выполнить предварительную и последующую обработку других проектов в фоновом режиме вычислений;
• интенсивность излучаемого теплового потока как функция результатов свойства волны — для анализа, учитывающего зависимость от длины волны (радиационная модель дискретных ординат в модуле HVAC), можно отобразить тепловой поток как функцию длины волны;
• визуализация утечек — связь между компонентами в инструменте Поиск утечек отображается как двухцветная кривая, помогая локализовать местоположение зазора (рис. 6).
• обзор компонентов — в Обзоре компонентов можно быстро найти настройки материалов, которые определены в проекте для каждого элемента сборки. Имеется возможность настроить приоритет материалов компонентов (рис. 7).

Рис. 5. Табличное задание граничных условий

Рис. 6. Двухцветное представление траектории утечки

Рис. 7. Обзор компонентов

SolidWorks Simulation

Введена новая конфигурация Simulation Standard, поставляемая и лицензируемая самостоятельно, подобно Simulation Professional и Simulation Premium. Simulation Standard позволяет выполнять статический расчет деталей и сборок с последующим анализом на многоцикловую усталость, включает функционал Motion (без движений, управляемых событиями).

Контакт

Соединение «кромка — кромка» для оболочек

Можно создать связь между некасающимися кромками оболочек. Когда программное обеспечение формирует промежуточные поверхности листового металла (или твердотельных деталей, которые рассматриваются в качестве оболочек) для создания оболочек, между кромками соседних поверхностей может присутствовать зазор. Его можно виртуально ликвидировать посредством связывания в наборах контактов. При этом сетка КЭ будет несовместной, то есть узлы кромок оболочек, участвующих в контакте, не сливаются (рис. 8).

Рис. 8. Контакт оболочек «кромка — кромка»

Самокасание

Новый параметр позволяет во время моделирования обнаруживать самокасание для граней тела или деталей, у которых области соприкасаются геометрически. Параметр Самокасание доступен только для нелинейных и статических исследований при использовании опции Большие перемещения (рис. 9).

Рис. 9. Контакт Нет проникновения с параметром Самокасание

Усталость

Можно спрогнозировать поврежденность или остаточный ресурс конструкции, подверженной циклической нагрузке, источником которой является вибрация (модель гармонических колебаний) или случайные колебания. Ранее расчет многоцикловой усталости базировался на результатах статического или модального динамического расчета.

Результаты усталости на основе гармоник

Исследование усталости на основе амплитудных напряжений как функции частоты, полученных на базе расчета по модели гармонических колебаний как варианта линейного динамического исследования гармоник, прогнозирует остаточный ресурс и поврежденность.

Результирующая поврежденность рассчитывается согласно гипотезе линейного суммирования повреждений, или правилу Майнера:

 ,

где E [D] представляет собой прогнозируемую поврежденность, ni— количество циклов для соответствующей рабочей частоты, si — амплитудное напряжение, Ni — число циклов, вызывающее разрушение при напряжении si согласно кривой усталости (S­N) материала.

Результаты усталости на основе случайных колебаний

Для оценки ресурса конструкций, на которые действуют нагрузки, имеющие случайную природу, предусмотрены соответствующие инструменты:

• метод узкополосного сигнала;
• трехполосный метод Стейнберга (Steinberg);
• метод Виршинга (Wirsching).

Прогноз ресурса под действием случайных нагрузок основан на предположении, что параметры отклика (напряжение и деформация) модели являются случайными, неизменяемыми и имеют Гауссово распределение. В отличие от других исследований усталости, в данном случае кривая усталости материала определяется уравнением Басквина (Basquin):

 ,

где N — допустимое количество циклов до разрушения; B — характерная для S­N­кривой константа; Se — размах напряжений циклической нагрузки; m — тангенс угла наклона линейной ветви кривой усталости к вертикали.

В данном уравнении показано, что при постоянной по амплитуде циклической нагрузке существует линейная связь между числом циклов до разрушения N и диапазоном напряжений Se при отображении эпюры в логарифмическом масштабе.

Диаграммы частотного и динамического анализа

Результаты частотных и линейных динамических исследований можно анализировать с помощью новых диаграмм зависимости:

• частоты от номера гармоники;
• частоты от коэффициентов массового участия;
• частоты от результирующего коэффициента массового участия.

Новые диаграммы позволяют определить, достаточно ли собственных форм, рассмотренных в ходе вибрационного анализа, для моделирования реального динамического отклика системы (рис. 10).

Рис. 10. Новые диаграммы в динамических исследованиях

Нагрузки

Усовершенствования в определении нагрузок включают новый интерфейс менеджера Внешние нагрузки в статическом исследовании, поддержку цилиндрических и сферических координат для неравномерного распределения силы, крутящего момента или давления, а также удобный доступ к назначению перемещения.

Менеджер нагрузки для статических исследований

В статическом исследовании появился инструмент Внешние нагрузки, позволяющий создавать линейные комбинации действующих факторов в виде как сил, так и перемещений. Он облегчает манипуляции с нагрузками и выделение их наиболее опасных сочетаний (рис. 11).

Рис. 11. Окно менеджера Внешние нагрузки

Рис. 12. Просмотр результатов анализа в менеджере Внешние нагрузки

После проведения вычислений результаты отображаются на вкладке Просмотр результатов (рис. 12).

Заданное перемещение в качестве внешней нагрузки

В папку Внешние нагрузки добавлена возможность применять заданные перемещения. Это не добавляет новой функциональности, а только улучшает методологию работы с программой (рис. 13).

Рис. 13. Команда на заданное перемещение

Рис. 14. Цилиндрическая и сферическая системы координат

Цилиндрические и сферические системы координат для неравномерно распределенных сил и давлений

Интерфейс пользователя для назначения силы и крутящего момента с неравномерным распределением поддерживает цилиндрические и сферические координаты (рис. 14).

Материалы

Можно создать папку с часто используемыми материалами и применять их к многотельным объектам и сборкам, минуя диалоговое окно Материал (рис. 15).

Рис. 15. Часто применяемые материалы

Рис. 16. Инструменты диагностики сетки

Сетка

Если при создании сетки происходит сбой, то для отображения проблемных деталей предоставляются дополнительные инструменты. Можно запустить инструмент Диагностика сбоя сетки для визуализации этих деталей в закрашенном виде, а детали с успешно созданной сеткой отображаются в режиме каркасного представления (рис. 16).

Нелинейные исследования

Усовершенствования для нелинейных исследований включают просмотр промежуточных результатов в процессе решения и учет граничных условий циклической симметрии.

Промежуточные результаты в нелинейном анализе

Доступны промежуточные результаты в ходе нелинейного решения. Отображение сведений о процессе решения позволяет выбрать одно из следующих действий: остановить моделирование, выполнить настройки данных или разрешить решающей программе продолжить работу с текущими настройками.

Настройка отображаемых диаграмм осуществляется в Параметрах Simulation (рис. 17 и 18).

Рис. 17. Диаграмма напряжений в ходе выполнения нелинейного анализа

Рис. 18. Диаграмма перемещений в ходе
выполнения нелинейного анализа

Циклическая симметрия
для нелинейных исследований

Граничное условие циклической симметрии подходит для имитации моделей, в которых геометрия, закрепления и нагрузки повторяются циклически относительно общей оси (рис. 19 и 20).

Рис. 19. Геометрическая модель: полная и с фрагментом, реализующим циклическую симметрию

Рис. 20. Отображение результатов для модели с циклической симметрией

Производительность

Повышение производительности вычислений состоит в сокращении времени решения для исследований Simulation с определенными функциями, улучшении решающих программ Direct Sparse и FFEPlus для статических и нелинейных исследований, добавление новой решающей программы Intel Direct Sparse для крупных задач, а также возможность запуска выбранных исследований Simulation:

• новая решающая программа Intel Direct Sparse на основе технологий Intel доступна для статических, тепловых, частотных, линейных и нелинейных динамических исследований. В ней используются улучшенные алгоритмы распределения памяти и возможности многоядерной обработки, что повышает скорость решения задач (рис. 21);
• для исследований с несколькими телами из листового металла, которые преобразуются в оболочки, время обработки между созданием сетки и запуском решающей программы значительно сокращено. Данное улучшение позволяет снизить общее время решения приблизительно в пять­девять раз;
• сокращено общее время обработки для определения связанных контактов и контактов без проникновения;
• для решающей программы FFEPlus производительность улучшена путем введения новых типов элементов для описания соединителей, жестких связей и контактов без проникновения;
• доступна информация о ходе расчета при использовании решателя Large Problem Direct Sparse;
• повышена точность решения для линейных статических исследований, которые содержат оболочечные сетки с прикрепленными к элементам податливыми пружинами и активным параметром Большие перемещения.

Запуск выбранных исследований

Можно отобрать некоторые исследования Simulation для выполнения из списка всех имеющихся. Выбранные исследования выполняются автоматически в пакетном режиме (рис. 22).

Рис. 21. Выбор решателя Intel Direct Sparse

Рис. 22. Запуск выбранных исследований

Оболочки

Менеджер оболочки

Новый интерфейс Менеджер оболочки позволяет более эффективно определить, отредактировать и организовать множественные определения оболочек, выполнить визуализацию и проверку свойств оболочек в соответствии с типом, толщиной, ориентацией или материалом, а также предоставляет возможность предварительного просмотра ориентации оболочек перед созданием сетки.

Менеджер оболочки допускает следующие действия:

• создание определений оболочек из тел поверхностей или граней твердых тел;
• назначение свойств оболочек: тип (утолщенный или тонкий), ориентация (верхняя или нижняя грань), толщина и материал;
• сортировку оболочек по типу, толщине или материалу, а также применение временных цветов к оболочкам с одинаковой толщиной или материалом для улучшения визуализации;
• группировку оболочек с одинаковыми свойствами (тип, толщина, единицы измерения или материал) и распространение изменений на все оболочки в группе (рис. 23).

Реверс граней оболочки

Перед созданием сетки для верхних и нижних граней оболочки можно выполнить реверс их ориентации и отобразить расположение граней относительно срединной поверхности (рис. 24).

Рис. 23. Менеджер оболочки

Рис. 24. Редактирование определения оболочки

Оптимизация палитры цветов для людей с дальтонизмом

Цветовая гамма оптимизирована для пользователей с нарушениями восприятия красного и зеленого цветов. Это помогает таким пользователям более качественно интерпретировать результаты моделирования при просмотре диаграмм (рис. 25).

Рис. 25. Режим оптимизации цветовой палитры

SolidWorks Plastics

SolidWorks Plastics Standard, SolidWorks Plastics Professional и SolidWorks Plastics Premium доступны как отдельно лицензируемые продукты, которые можно использовать с SolidWorks Standard, SolidWorks Professional или SolidWorks Premium.

Поддержка eDrawings для эпюр результатов SolidWorks Plastics

Результаты Plastics Simulation можно экспортировать как файлы eDrawings (рис. 26).

Рис. 26. Диаграмма заполнения в eDrawings

Улучшения генератора сетки

Благодаря добавлению новых параметров управления сеткой для тетра­ и гексаэдральных элементов улучшено качество генерации сетки:

• новые настройки тетраэдральной сетки для управления дискретизацией в литниковом канале (рис. 27 и 28);
• параметр для установки значения Минимальное число элементов по толщине (Minimum number of elements through thickness) — установка элементов пограничного слоя в разделе Тетраэдральная сетка. Настройка предназначена для улучшения генерации элементов сетки по толщине в тонких деталях (реб­ра, стенки и т.п.) — рис. 29.

Для гексаэдральной сетки представлен новый алгоритм Marching в качестве замены алгоритма Regressive, а также новый алгоритм Non­orthogonal Voxel, который автоматически добавляет дополнительные элементы в областях, где требуется более одного слоя сетки (рис. 30).

Рис. 27. Настройка тетраэдральных элементов в литниках

Рис. 28. Сетка в литнике до и после улучшенной генерации

Рис. 29. Сетка до и после применения управления числом элементов по толщине

Рис. 30. Сетки, созданные новыми алгоритмами

Консультант по номинальной толщине стенки

Консультант по номинальной толщине стенки (Nominal Wall Thickness Advisor) анализирует геометрию и определяет общую номинальную толщину стенки в модели, а также погрешность (в процентах) отклонения толщины от номинального значения.

При разработке техпроцесса литья под давлением унификация толщин стенок изделия является важным моментом. Это способствует равномерному распределению по детали давления и температуры, а значит, оптимизируется весь цикл производства: время заполнения, время охлаждения, а также снижается вероятность коробления и неравномерности объемной усадки по изделию.

Детали с равномерной толщиной стенки обеспечивают оптимизированные технологические циклы и уменьшают вероятность неравномерной усадки и коробления (рис.  31).

Рис. 31. Консультант по номинальной толщине стенки

Анализ симметричных систем

Благодаря поддержке симметричных литниковых систем можно сократить время моделирования за счет анализа одной детали, а не всей модели. Модель должна быть симметричной по отношению к одной или двум плоскостям либо собственной оси (для круговой симметрии).

Анализ симметрии поддерживается в следующих случаях:

• однонаправленные литниковые каналы с одним коленом: половинная симметрия (тип T), четвертная симметрия (тип X), круговая симметрия (рис. 32);
• разнонаправленные литниковые каналы, в которых направления вторых и третьих колен изменяют ориентацию в соответствии с направлением первого колена: половинная симметрия (тип S), половинная симметрия (тип T), четвертная симметрия (тип H), четвертная симметрия (тип X) — рис. 33.

Рис. 32. Типы симметрии для однонаправленных литников

Рис. 33. Типы симметрии для разнонаправленных литников

Рис. 34. Диаграмма распределения давления выходных газов
(Venting Pressure)

Расчет выпоров

Расчет выпоров позволяет оценить распределение давления в литейной форме в местах выхода газов для анализа возможности появления локальных прожигов на поверхности изделия вследствие дизель­эффекта. На этапе проектирования литейной формы расчет выпоров позволяет оптимизировать места расположения точек выхода газов (рис. 34).

САПР и графика 10`2014