Когда ошибки недопустимы: применение Femap в проектировании критически важных конструкций
Введение
Системы инженерного анализа (CAE) и, в частности, расчет методом конечных элементов (МКЭ) применяются многими производителями для контроля проектных решений до начала изготовления реальных изделий. Это позволяет гарантировать соответствие изделий предъявляемым требованиям и возможность их эксплуатации в суровых условиях.
В ряде случаев конструкция должна быть безупречной изначально, с первого образца. Например, если изделие запускается в космос, его невозможно вернуть обратно для устранения неполадок. В таких случаях уже на ранних этапах разработки требуется проведение точного численного моделирования и сложных видов инженерного анализа.
Проблемы
Тестирование изделий и проектных решений, которые в дальнейшем будут эксплуатироваться в условиях, отличных от обычных, затруднено. Воссоздание подобных экстремальных условий — весьма сложная задача. К тому же, принимая во внимание характер таких проектов, в некоторых случаях всё должно правильно сработать с первого раза: права на ошибку нет.
Для решения этих задач предприятия постоянно ищут возможности разработки всё более легких и эффективных конструкций при одновременном снижении себестоимости производства и затрат при эксплуатации.
Численное моделирование воздействия на изделие реальных условий является наилучшим способом достижения результатов. Данная технология позволяет исследовать различные варианты конструкции и материалов для получения оптимального проектного решения, которое гарантированно будет иметь необходимый запас прочности.
CAD- и CAE-модели капсулы с марсоходом
Работа в тяжелых условиях
Проекты машин, работающих в космическом вакууме и при температурах около абсолютного нуля, равно как и при высоких температурах, возникающих от трения при входе в плотные слои атмосферы, или же под громадным давлением на дне океана, требуют самой тщательной проработки и высокой точности исполнения.
Недостаточно по отдельности протестировать конструкцию на воздействие таких нагрузок, как нагрев, трение или давление. Численное моделирование должно полностью воссоздавать реальные условия эксплуатации, причем в различных сочетаниях нагрузок.
Высокая сложность конструкций
Изделия, работающие в столь экстремальных условиях, редко имеют простую конструкцию. Спутники, космические корабли, глубоководные аппараты и научные приборы высокого класса — всё это примеры крайне сложных, комплексных изделий. Нередко их компоненты разрабатываются с чистого листа и являются уникальными: это относится и к механической конструкции, и к методам инженерного анализа.
Тысячи отдельных деталей образуют готовое изделие, и каждый элемент должен безотказно функционировать в пределах допустимых отклонений, правильно взаимодействуя с другими.
У таких проектов имеется только одна попытка для успешного запуска, поэтому все детали и узлы каждой системы изделия должны быть самым тщательным образом испытаны, чтобы иметь гарантию, что все приборы и инструменты будут безупречно функционировать в предполагаемых условиях эксплуатации.
Таким образом, инженерам надо лучше понимать во всех аспектах режимы нагрузок, воздействующие на столь сложные изделия. Им необходимо средство, позволяющее смоделировать конструкцию, рассчитать ее и проверить, произойдет разрушение или нет. В частности, важно иметь возможность импортировать геометрию в любой 3Dформат и быстро перейти от виртуального образца к конечноэлементной модели, причем процесс импорта должен стабильно обеспечивать точность и корректность данных. Наличие виртуального макета необходимо для проведения прочностного и теплового анализа.
Комбинируя применение CAEрешателей и других программных инструментов, инженеры могут выполнять численное моделирование, чтобы убедиться, что детали не пересекаются друг с другом и не теряют прочность при огромных перепадах температур и сильных вибрациях в обычных и экстремальных условиях эксплуатации.
CAD- и CAE-модели марсохода
Новые материалы
В последние годы значительно расширилось применение композитных материалов. Они особенно подходят для изготовления критически важных, созданных на заказ конструкций, когда с целью защиты от агрессивной среды используются весьма экзотические сочетания материалов.
Возможность проведения численного моделирования и оценки определенных свойств композитных деталей является ключевым фактором для успешной реализации важнейших проектов.
Численное моделирование помогает при создании композитов и изделий из них. Более того, благодаря наличию редактора и просмотрщика, появилась возможность изменять свойства многослойных структур в интерактивном режиме, создавая и модифицируя слои материала.
Визуальный подход
При разработке сложных и критически важных конструкций всё более важным аспектом быстрого и эффективного решения расчетных задач становится визуализация результатов. Визуализация помогает выявить места возможного разрушения деталей и оценить поведение изделия при различных давлениях и температурах.
Инженерам становится проще понимать математические результаты выполненных решателем расчетов, их визуализация в системе Femap точно отображает, что происходит с конструкцией. Таким образом, визуализация оказывается ключевым преимуществом в ходе постпроцессирования (то есть обработки результатов расчетов).
Визуализация позволяет просматривать и истолковывать полученные данные, в том числе — контурные и критериальные графики, анимированные представления деформаций, частотные характеристики, а также настраиваемые плоскости сечений и изоповерхности.
С помощью удобных и мощных средств визуализации инженеры могут наблюдать и интерпретировать результаты, что облегчает понимание поведения модели. Чтобы повысить эффективность в случае работы со сложными изделиями, требуются и такие возможности, как моделирование стержневых конструкций и продвинутые средства формирования конечноэлементных сеток.
Визуализация является ключевым аспектом при расчете стержневых конструкций. Пользователи просматривают элементы такой конструкции в виде твердотельных моделей, оценивают смещения, графики сдвига и изгибающего момента.
Полная CAE-модель космического телескопа им. Джеймса Уэбба
CAE-модель рефлектора космического телескопа им. Джеймса Уэбба
Параллельные вычисления
С учетом высокой сложности не только самого изделия, но и внешних условий и вероятных режимов его эксплуатации, инженерный анализ должен проводиться для как можно большего числа вариантов исходных данных. Кроме того, расчет должен выполняться в жесткие сроки.
Эффективная параллельная обработка данных обеспечивает исключительно быстрый расчет конечноэлементной модели на многоядерных и многопроцессорных системах.
Параллельные вычисления могут на 30% сократить сроки расчета по сравнению с использованием однопроцессорных систем.
Заключение
Конечноэлементный анализ важнейших деталей и узлов на ранних этапах проектирования и при внесении конструкторских изменений гарантирует, что изделие будет соответствовать предъявляемым требованиям в плане деформаций, напряжений, вибраций и температур даже в наихудших условиях эксплуатации. Это кардинально повышает общее качество любого изделия, что особенно важно в тех случаях, когда ошибки недопустимы.
Результаты расчетов выявляют критически нагруженные места при деформирующих нагрузках и вибрациях, а также менее ответственные зоны, где можно снять лишний материал. Это позволяет уменьшить число изготавливаемых опытных образцов и сократить расходы, не снижая качества работ по проекту.
В частности, система Femap, разработанная компанией Siemens PLM Software, обеспечивает виртуальное моделирование деталей, узлов и целых систем с целью выявления соответствия их поведения в заданном пространстве граничных условий. Эта система обычно применяется в процессе проектирования для сокращения расходов на изготовление и испытание опытных образцов, для оценки различных вариантов конструкций и материалов, а также оптимизации по критериям прочности и минимизации массы.
В критически важных проектах система Femap применяется в качестве пре и постпроцессора. Она строит конечноэлементную сетку по CADмодели, а после расчетов выполняет визуализацию результатов и состояния конструкции под различными нагрузками.
Система работает со всеми видами композитных и многослойных материалов, а также поддерживает моделирование стержневых конструкций и формирование конечноэлементных сеток. Кроме того, в Femap имеются мощные средства визуализации.
Если речь идет о запуске космического телескопа, посадке на Марс или исследованиях океанского дна, цена ошибки оказывается огромной. Наличие автоматизированных и настраиваемых процессов численного моделирования гарантирует полную работоспособность конструкции согласно задуманному плану. Иными словами, в тех случаях, когда требуется безупречность, применение системы Femap гарантирует успех критически важных проектов.
