Автоматизация конечно-элементных решений задач динамики и прочности для анализа механического оборудования и конструкций с использованием APM StructFEM

Владимир Шелофаст,
д.т.н., профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, генеральный директор НТЦ «АПМ»

Сергей Розинский, заместитель генерального директора
по развитию
НТЦ «АПМ»

Вопросы импортозамещения в России стоят достаточно остро, поскольку по большой номенклатуре программных продуктов отечественным компаниям не удалось создать аналоги, которые могут на равных конкурировать с зарубежными лидерами рынка. Что касается рынка CAE-услуг, то можно сказать, что отставание отечественных систем от современных зарубежных аналогов постоянно сокращается. Российские компании способны конкурировать на рынке, но для этого необходимо постоянно изучать зарубежный опыт, количественно расширять номенклатуру решаемых задач, совершенствовать алгоритмы предлагаемых решений и улучшать механизмы препроцессорной визуализации моделей и постпроцессорной обработки результатов анализа. Проповедуя эту идеологию в области разработки систем инженерного анализа, компания НТЦ «АПМ» последовательно улучшает свои программные продукты и в данном направлении добилась значительных результатов. В настоящей статье речь пойдет о возможностях прочностного и динамического анализа, которые получили дальнейшее развитие в новой, 17-й версии программного продукта APM StructFEM.

К 2020 году приурочен выход новой, 17-й версии программных продуктов компании НТЦ «АПМ». В мае текущего года был проведен Форум пользователей, на котором подробно рассматривались новые возможности, появившиеся в обновленном релизе. Частично информация по новым возможностям опубликована в «САПР и графика» № 6’2019. Следует напомнить, что компания НТЦ «АПМ» создает программное обеспечение в области CAE-анализа мультифизических процессов. Среди программных продуктов, предлагаемых компанией, наибольшим спросом пользуются продукты прочностного и динамического анализа (рис. 1). В связи с этим мы посчитали уместным предложить вниманию читателей журнала полный перечень современных возможностей продукта APM StructFEM V17, предназначенного для решения вышеупомянутых задач.

Рис. 1. Карта распределения эквивалентных напряжений в крышке второго гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС

Программный продукт APM StructFEM предназначен для решения широкого круга инженерных задач. Построен он на основе математического ядра для конечно-элементного анализа — APM Structure3D — базового расчетного модуля программ для ЭВМ компании НТЦ «АПМ». Предложенные нами решения в этом году прошли аттестацию в ФБУ «Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности» с целью проверки корректности получаемых решений. По результатам экспертизы программа для ЭВМ — APM Structure3D получит разрешение на использование при проектировании объектов атомной энергетики и других объектов повышенной опасности.

Основные функциональные возможности APM StructFEM

Программный продукт APM StructFEM позволяет проводить анализ напряженно-деформированного состояния (с помощью метода конечных элементов) трехмерных объектов любой сложности при произвольном закреплении, статическом или динамическом (силовом или температурном) нагружении.

Инструментарий продукта позволяет подготовить к расчету модель конструкции с использованием различных типов конечных элементов. Конечно-элементная сетка может быть построена автоматически или вручную. При этом исходную геометрию можно получить из сторонних CAD-систем путем импорта файлов форматов STEP, SAT, IGES, X_T, X_B, IPT, IAM, DXF, C3D.

В состав продукта также входит специализированный расчетный модуль APM Joint, необходимый для анализа соединений в конструкциях. Это позволяет, получив информацию о нагружении соединения, подобрать его оптимальные характеристики, например минимально необходимые диаметры и количество болтов или заклепок, катет и длину сварного шва и т.д.

APM StructFEM предназначен для применения в следующих областях: автомобильная, атомная, нефтегазовая, тяжелое и подъемно-транспортное машиностроение, железнодорожный транспорт, образование (подготовка студентов вузов технических специальностей) и т.п.

Кроме того, помимо базовых возможностей для продукта доступны дополнительные функциональные возможности (опции):

• Composite — расчет конструкций из композиционных материалов;
• Fracture — расчет конструкции с анализом распространения трещин;
• Fatigue — усталостный расчет, расчет с использованием случайных нагрузок;
• Pipe — использование специальных КЭ для расчета трубопроводов;
• TopOpt — топологическая оптимизация конструкций.

Для представления возможностей APM StructFEM приведем перечень основных решений и специализированного функционала, предназначенного для создания расчетных моделей.

Линейные решения

• Расчет напряженно-деформированного состояния (статический расчет);
• расчет коэффициентов запаса и форм потери устойчивости;
• расчет температурных полей в режиме стационарной и нестационарной теплопроводности;
• расчет напряженно-деформированного состояния в случае смешанных силового и теплового воздействий.

Нелинейные решения

• Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций с учетом геометрической и физической нелинейности;
• расчет напряженно-деформированного состояния для случая контактного взаимодействия твердотельных и оболочечных объектов. Контакты без учета сил трения, при наличии трения и проскальзывания и в случае контакта типа «склейка»;
• расчет больших перемещений и напряжений высоконелинейных механических объектов с учетом геометрической и физической нелинейности при наличии кинематического либо изотропного упрочнения для твердотельных и оболочечных моделей;
• анализ деформирования гиперупругих элементов, имеющих линейные и нелинейные упругие характеристики (резина, пластмассы и др.).

Динамический анализ

• Определение частот и форм собственных колебаний, в том числе с предварительным нагружением (модальный анализ);
• расчет вынужденных колебаний моделированием реакции системы в режиме реального времени при заданном законе изменения вынуждающей нагрузки;
• гармонический анализ с учетом демпфирующих свойств материалов;
• спектральный анализ динамики сложных механических систем;
• расчет усталостной прочности под действием циклической внешней нагрузки при постоянном и переменном режимах нагружения;
• решение задач трещиностойкости средствами механики разрушения, а также с использованием метода конечных элементов (FEM) и XFEM-метода в линейной и нелинейной постановках (моделирование трещин и оценка параметров их неразрушения в случае твердотельных и пластинчатых элементов для изотропных и ортотропных материалов при силовом и температурном воздействиях);
• прогнозирование трещиностойкости моделей при переменном характере внешнего воздействия, включая гармоническое, блочное, стохастическое (случайное), а также моделирование процедур «рождения» и «смерти» конечного элемента;
• расчет вибрации оснований;
• моделирование быстротекущих динамических процессов (ударные взаимодействия) и анализ контактной прочности при ударе;
• моделирование поведения конструкций при сейсмических воздействиях (заданные по СП либо спектрами ответа).

Оптимизация моделей конструкций

• Параметрическая;
• топологическая.

Совместные расчеты

• Проведение совместных расчетов газогидродинамики и прочности — расчет FSI (совместно с FlowVision, компания ТЕСИС).

Типы конечных элементов (для создания расчетной модели)

• Стержневые, произвольных поперечных сечений;
• гибкие элементы односторонней и двусторонней жесткости: канаты, тросы, ванты и т.д.;
• оболочечные и пластинчатые: изопараметрические первого порядка — 3-, 4-узловые, а также второго порядка — 6- и 8-узловые;
• твердотельные (объемные): изопараметрические первого порядка (4-, 5-, 6-, 8-узловые) и высших порядков (10-, 13-,15-, 20-узловые);
• трубчатые: прямолинейные, криволинейные и Т-образные;
• суперэлементы метода подконструкций;
• специальные элементы: упругие связи, упругие опоры односторонней и двусторонней жесткости, контактные элементы, сосредоточенные массы и моменты инерции и т.д.

Типы материалов

• Изотропные;
• ортотропные;
• анизотропные;
• многослойные;
• композиционные;
• гиперупругие;
• грунтовые;
• стекло;
• железобетон;
• дерево.

Механические характеристики конструктивных материалов

• Линейные;
• кусочно-линейные;
• нелинейные;
• пользовательские;
• абсолютно жесткие.

Доступные типы граничных условий

• Абсолютно жесткие опоры и опоры с частично освобожденными связями;
• упругие опоры с двунаправленными связями;
• упругие опоры с однонаправленными связями;
• жесткие соединения элементов, шарнирные соединения с частично освобожденными связями и соединения эксцентрично зафиксированных элементов (соединения со смещением);
• опоры с заданными линейными и угловыми значениями возможных перемещений (кинематически нагруженные опоры);
• контактные элементы (жесткий контакт, скользящий контакт, «склейка», балочный контакт).

Нагрузки и воздействия

Силовое воздействие:

• сосредоточенные силы и моменты (постоянные и переменные во времени);
• нагрузки, распределенные по длине, площади и объему (постоянные, переменно зависящие от координат и переменные во времени);
• нагрузки, заданные линейным и/или угловым перемещением (постоянные и переменные во времени);
• снеговые, ветровые (с учетом пульсационной ветровой составляющей), а также сейсмические нагрузки (по СП), с учетом распределенных и сосредоточенных масс, линейных и вращательных степеней свободы;
• гидростатическое давление жидкости;
• давление контактного типа;
• расчетные сочетания усилий (РСУ);
• расчетные сочетания нагрузок (РСН);
• центробежные (заданные линейным и/или угловыми скоростями, либо линейными или угловыми ускорениями);
• гравитационные;
• подвижные нагрузки;
• случайные воздействия;
• силовые факторы — переменные во времени, импульсные и ударные.

Тепловое воздействие:

• температуры локальных участков;
• тепловые потоки;
• параметры конвекционного теплообмена;
• параметры теплоизлучения (радиации).

Критерии прочности (теории предельных состояний)

• Наибольших нормальных напряжений;
• наибольших относительных деформаций;
• наибольших касательных напряжений;
• Мизеса;
• Кулона — Мора;
• Друкера — Прагера;
• другие.

Результаты расчетов

• Числовые параметры выводимых значений, которые представляются в форме отдельных записей, таблиц и графиков;
• цветовые карты и эпюры главных напряжений, компонентных напряжений по произвольным площадкам и эквивалентных напряжений;
• изолинии и изоповерхности расчетных параметров конструкции;
• цветовые карты и эпюры линейных, угловых и суммарных перемещений;
• цветовые карты и эпюры распределения деформаций по элементам конструкции;
• цветовые карты и эпюры распределения внутренних усилий;
• цветовая карта распределения усилий в контактной зоне;
• коэффициенты запаса и формы потери устойчивости;
• цветовая карта распределения коэффициентов запаса и числа циклов по критерию усталостной прочности;
• цветовая карта распределения коэффициентов запаса по текучести и прочности материала конструкции;
• внутренняя энергия деформации;
• координаты центра тяжести, вес, объем, длина, площадь поверхности, моменты инерции модели конструкции;
• моменты инерции, статические моменты и площади поперечных сечений стержневых конечных элементов;
• реакции в опорах и суммарные реакции, приведенные к центру тяжести модели;
• анимационное представление полученных результатов.

Цветовые карты распределения доступны как по поверхности, так и в сечении стержневых и объемных элементов.

Примеры промышленного применения

Благодаря широким возможностям программный продукт APM StructFEM находит соответствующее применение в разных областях промышленности. Среди наиболее активных пользователей можно выделить отрасль подъемно-транспортного оборудования. На рис. 2 показаны результаты расчета напряженно-деформированного состояния конструкции козлового крана. Также продукт позволяет вести оценку прочности конструкций подвижного состава железных дорог. В частности, на рис. 3 показана карта напряженного состояния вагона-хоппера. При расчете прочности, жесткости, оптимизации массы автомобильного транспорта APM StructFEM может стать верным помощником. На рис. 4 мы видим пример карты деформированного состояния кузова и рамы полуприцепа-самосвала. Множество задач может быть решено и для нужд нефтегазовой отрасли — начиная с расчетов отдельных элементов трубопроводных систем (рис. 5) и заканчивая сложным технологическим оборудованием (рис. 6). Энергетика — отрасль, отличающаяся сложнейшим оборудованием. Объекты АЭС и ГЭС всегда подвергаются тщательному расчетному анализу. В качестве примера можно привести результаты расчета теплообменного аппарата при штатных и нештатных условиях эксплуатации (рис. 7), а также сейсмических воздействиях. Даже там, где, казалось бы, речь не идет о высоких технологиях — в индустрии развлечений, но важна надежность, находит применение своим возможностям APM StructFEM. На рис. 8 приведены примеры результатов расчета колеса обозрения, а на рис. 9 — расчетная модель аттракциона «Биоробот».

Рис. 2. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния конструкции козлового крана

Рис. 3. Карта эквивалентных напряжений вагона-хоппера

Рис. 4. Пример карты деформированного состояния кузова и рамы полуприцепа-самосвала

Рис. 5. Пример результатов расчета корпуса клиновой задвижки на сейсмическое воздействие

Рис. 6. Демонстрация собственных форм колебаний аппарата воздушного охлаждения

Рис. 7. Пример результатов расчета теплообменника для АЭС

Рис. 8. Пример вывода результатов расчета по объекту «Колесо обозрения»

Рис. 9. Расчетная модель и элементы конструкции аттракциона «Биоробот»

Заключение

Мы постарались представить всю масштабность выполненных работ, научных исследований аналитиков, математиков, программистов НТЦ «АПМ» по направлению динамики и прочности механических систем. Приведенные при этом возможности APM StructFEM помогут сориентировать конструкторов и специалистов-расчетчиков в «океане» предложений CAE-продуктов и сделать для себя правильный выбор!