Обзор и анализ новейших разработок компании НТЦ «АПМ» в 2021 году

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

Максим Лушников,
ведущий инженер-прочнист ЦКТ «Сигма»

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

В статье представлен обзор онлайн-форума «НТЦ «АПМ»: на нас рассчитывают!». Освещены темы применения нового функционала, появившегося в продуктах линейки APM v19, а также рассказано о некоторых будущих полезных новинках, которые ожидаются к выходу предстоящей осенью. Представлен опыт реальных расчетных проектов, выполненных как сотрудниками компании НТЦ «АПМ», так и нашими пользователями.

В мае 2021 года состоялся ежегодный Форум «НТЦ «АПМ»: на нас рассчитывают!». По понятным причинам, проводился он в режиме видеоконференции. Поскольку в этом году все мероприятия были запланированы только на один день, то организаторам пришлось существенно сконцентрировать всю информацию, чтобы уложиться в сокращенное время вещания. На Форуме были представлены доклады по наиболее интересным и значительным разработкам компании в текущем году, а главное — анонсирована новая, 19­я версия программных продуктов линейки APM, старт коммерческой эксплуатации которой запланирован на осень текущего года. Впервые в нашей практике работа Форума проводилась параллельно на двух секциях: «Машиностроение» и «Строительство».

Одной из основных целей Форума является и то, что наша компания получает обратную связь, которая во многом формирует будущие планы разработки. Рекомендации пользователей в основном касаются интерфейсной части, которой мы уделяем много внимания. Пожелания к работе программного обеспечения идут также от нашего расчетного отдела, который при выполнении реальных расчетных работ по заказу предприятий сталкивается с различными задачами.

Исходя из вышесказанного, новые разработки в 19­й версии следует разделить на задачи интерфейсного характера и решение прикладных научных проблем, описание которых было приведено в наших сообщениях.

Если начинать с глобальных интерфейсных новинок, то необходимо отметить, что в 19­й версии в APM Studio была завершена работа по созданию ленточного интерфейса (рис. 1). Следует напомнить, что модуль APM Studio представляет собой геометрический редактор, дополненный расчетными возможностями, в котором можно выполнить полноценный конечно­элементный расчет и провести анализ его результатов. Ленточное представление является более удобным и понятным. Оно используется как при создании геометрических объектов, так и при проведении расчетного анализа. Для удобства работы пользователя в продукте реализовано «Дерево модели». Оно оформлено в виде набора папок, в которых собраны однотипные параметры формируемой модели, например «Материалы», «Нагрузки», «Типы контактов» и т.д. Отдельные элементы «Дерева» были и в 18­й версии, но в анонсированной версии их перечень значительно расширен.

Рис. 1. Новый ленточный интерфейс модуля геометрического моделирования с инструментами конечно-элементного анализа APM Studio

В этой статье мы не будем подробно обсуждать интерфейсные новинки, но не можем не отметить новые и необходимые функции, например исключение детали либо группы деталей из сборки при выполнении расчетных процедур, а также интерактивное редактирование геометрии деталей в сборке. Мы подготовили предварительный релиз 19­й версии, который будет опубликован ближе к завершению тестирования и выходу коммерческой версии продуктов. Так вот, количество позиций релиза APM Studio доходит до 30, а если взять, к примеру, наш модуль APM Structure3D, то в нем количество изменений и дополнений превышает 40. Понятно, что в рамках этой статьи не получится подробно описать все новинки, а потому остановимся только на более интересных и значительных.

Существенные дополнения, которые во многом изменили и улучшили среду проектирования в области подготовки расчетной информации в интерфейсе, реализованы в модуле APM Structure3D, который позволяет работать с объектом на уровне конечных элементов. Речь, в данном контексте, идет о создании расширенного дерева, которое обеспечивает подготовку информации к расчету, выполнение самого расчета и анализ получаемых результатов (рис. 2). Дополнен этот модуль расширенными возможностями в организации Log­файла, который вместе с другими интерфейсными улучшениями существенно упрощает работу с программным обеспечением и делает ее простой и понятной. Log­файл хранит содержание протокола о происходящих событиях при выполнении расчета разной степени детализации. В нашем случае предусмотрено четыре степени такой детализации.

Рис. 2. Обновленное дерево «Расчетная модель» в модуле конечно-элементного анализа APM Structure3D

Из значительных нововведений следует отметить возможность выполнения «Структурного анализа». Остановимся на этой новинке более подробно.

Под структурным, в данном контексте, понимается нелинейный статический анализ твердых деформированных тел и анализ переходных процессов в квазистационарной и нестационарной постановках (рис. 3). Расчеты выполняются с учетом множества возможных нелинейных «эффектов» в одном расчете и в идеологии переменного нагружения, что позволяет учитывать историю нагружения конструкции.

Рис. 3. Работа из дерева «Расчетная модель» с обновленными расчетными алгоритмами для нелинейного анализа

Из числа нелинейных эффектов структурный анализ позволяет учесть:

• контактное взаимодействие;
• пластичность в твердотельных элементах;
• гиперупругость в твердотельных элементах;
• наличие и учет больших перемещений и деформаций в твердотельных элементах;
• наличие только больших перемещений в оболочках;
• наличие только больших перемещений в стержнях;
• возможность расчета вариантов нагружения с историей.

Расчеты выполняются для изотропных линейно­упругих материалов, упругопластичных материалов с изотропным упрочнением по билинейному, мультилинейному и нелинейному законам, а также без упрочнения (идеально упругопластичный материал) и гиперупругих материалов (со сжимаемой моделью «нео­гуковского» типа). Кроме того, появится возможность расчета вязкоупругих материалов.

В 19­й версии раздел «Гармонический анализ» дополнен возможностью расчета с учетом широкополосной случайной вибрации. При подобных вычислениях доступна такая важная характеристика, как «Спектральная плотность мощности» (рис. 4).

Рис. 4. Расширение возможностей гармонического анализа конструкций — расчет ШСВ для заданной спектральной плотности мощности

Среди востребованных продуктов компании можно отметить возможность выполнения топологической оптимизации, которая в некотором объеме была и в более ранних версиях. Представим современные возможности этого направления. Топологическая оптимизация позволяет прогнозировать наилучшую форму детали, исходя их заданного пространства проектирования анализа силовых факторов, заданных материалов, условий закрепления и т.п. Определение формы детали реализуется в нескольких постановках, основные из которых — минимизация массы с ограничением напряжений, максимизация жесткости с ограничением объема. В качестве откликов (расчетных параметров) при оптимизации рассматриваются следующие:

• объем/масса;
• общая энергия деформации;
• проекция перемещения узла на направление;
• напряжение в элементе (SVM);
• напряжение в группе элементов (SVM);
• реакции в опоре.

Также для проведения оптимизации важно наличие конструктивных и технологических ограничений:

• минимальная толщина;
• максимальная толщина;
• условие симметрии у детали;
• возможность получения детали штамповкой;
• возможность получения детали экструзией;
• возможность реализации 3D­печати.

В 19­й версии функционал раздела «Топологическая оптимизация» дополнен следующими улучшениями:

• добавлен новый критерий работоспособности конструкции — «Устойчивость»;
• появилась возможность оптимизации с учетом собственных частот конструкции;
• появились новые отклики — полное перемещение узлов, а также полная реакция в опоре;
• появилась возможность ограничить реакции группы опор;
• создан и реализован новый метод оптимизации.

Следует остановиться еще на одном важном функционале, который появился в 19­й версии. Это возможности учета соединений, выполненных на базе специальных конечных элементов типа «жесткий элемент», «деформируемый элемент», «уравнение связи», при выполнении расчетов (рис. 5). Физический смысл этих элементов в том, что при использовании «жесткого элемента» выполняется автоматическое жесткое соединение одного независимого узла с группой зависимых узлов конечных элементов для организации эффективных соединений, а для соединения через «деформируемый элемент» характерно деформируемое соединение группы независимых узлов с одним зависимым удаленным. Такие соединения применяют, когда необходимо разные конструктивные элементы соединить друг с другом, например стержневой элемент с твердотельным. Для соединения через «уравнение связи» характерно задание функции связи между узловыми точками.

Рис. 5. Пример учета соединений, выполненных на базе специальных конечных элементов типа «жесткий элемент»

Кроме того, нужно отметить, что в новой версии появится редактор задания аналитических функций, который можно использовать для аналитического задания длин и углов при создании конечных элементов, вводе как статических, так и динамических силовых факторов, задании параметров материалов и т.д.

Одна из главных новинок APM v19 — появление нового раздела под названием «Технологическая механика», который предназначен для моделирования и расчета параметров технологических процессов литья, обработки металлов давлением, сварки и механообработки. Что касается наполнения его функционалом, то это только первые шаги, но актуальность создания подобного программного обеспечения не вызывает сомнений.

Большие изменения коснулись и задач строительного проектирования, а также задач механики жидкости и газа. Появились существенные дополнения и в приложении APM FEM для КОМПАС­3D v20, выход коммерческой версии которого ожидается уже в июле этого года.

Как было сказано ранее, кроме машиностроительной секции была организована также и секция «Строительство», где более подробно представлена наша технология расчета и проектирования строительных объектов и продемонстрированы примеры реализации выполненных проектов нашим расчетным отделом. В частности, в одном из докладов, посвященном расчетам металлоконструкций, особое внимание было уделено тому, что в нашем продукте APM Civil Engineering можно провести еще и полноценный анализ прочности какого­либо узла соединения, смоделировав его детально, например, в виде пластинчатой конструкции (рис. 6). Еще одной важной особенностью нашего комплексного подхода является возможность проведения мультифизических расчетов в строительстве, что было продемонстрировано в одноименном докладе на примере жилого района города и группы промышленных построек (рис. 7). Также впервые на нашем Форуме мы демонстрировали возможность импорта моделей строительных конструкций из BIM­системы Renga (рис. 8). Но, перефразировав русскую пословицу, отметим: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз прочитать!» Поэтому рекомендуем посмотреть эти материалы на нашем сайте www.apm.ru в разделе «Новости», так как они, на наш взгляд, представляют значительный интерес.

Рис. 6. Пример металлоконструкции и одного из ее узлов, смоделированных в APM Civil Engineering

Рис. 7. Пример моделирования обтекания воздухом строительных
конструкций. Карта распределения ветрового давления по площади поверхностей зданий

Рис. 8. Пример работы интеграционной связки BIM-системы RENGA и APM Civil Engineering

Понятно, что проблем при создании CAE­расчетов хватает, компания ежегодно представляет на рынок новые решения физически важных и актуальных задач. Есть, конечно, планы по разработке новых решений и в будущем. Не будем здесь останавливаться на них подробно, но хотелось бы подчеркнуть то, что было и неизменно остается нашим приоритетом — это работа над повышением быстродействия вычислительных процедур, над увеличением размерности решаемых задач и над совершенствованием интерфейсных возможностей. Для достижения этих целей мы работаем также в направлении создания Linux­версии наших программных продуктов, что позволит перейти от вычислений на обычных ПК к реализации суперкомпьютерных технологий.

Выполнение планов предполагает концентрацию наших интеллектуальных и финансовых ресурсов. Мы понимаем сложность в реализации наших задач, но компания верит в успех и с оптимизмом смотрит в будущее!

В заключение хочется пожелать всем нашим пользователям успехов в создании исключительных образцов современной техники с использованием программных продуктов компании НТЦ «АПМ» на благо процветания каждого из вас и России в целом!