Вектор развития систем инженерного анализа в комплексе T-FLEX PLM от компании «Топ Системы»

Сергей Бабичев,
руководитель направления инженерного анализа, АО «Топ Системы»

В современных условиях развития технологий расчетные программы стали неотъемлемым инструментом работы инженера-конструктора и специалиста-расчетчика. Их актуальность и необходимость применения определяются рядом преимуществ, а прежде всего — повышением эффективности работы за счет автоматизации рутинных процессов. Современные решения существенно сокращают время на выполнение стандартных операций и позволяют инженерам сосредоточиться на творческой составляющей работы.
Экономический эффект от использования программных решений проявляется в снижении затрат на испытания и корректировку изделия, а также в сокращении сроков вывода продуктов на рынок. Это достигается благодаря уменьшению количества ошибок на этапе проектирования и возможности проведения виртуальных испытаний.

Развитие средств решения задач методом конечных элементов

В линейку расчетных систем от компании «Топ Системы» входит T-FLEX Анализ. Программа позволяет решать широкий круг статических, динамических и тепловых задач. Рассмотрим наиболее важные дополнительные и расширенные функциональные возможности, добавленные в новой версии T-FLEX Анализ на базе обратной связи, полученной от специалистов-расчетчиков.

Расчет металлоконструкций

Для расчета металлоконструкций реализован новый тип геометрического объекта — «балка». Балка создается по определенным правилам, стыкуется разными способами для образования рамных конструкций или ферм, поддерживает параметрическую геометрию профиля поперечного сечения и имеет множество вариантов стыковки, обрезки и удлинения на концах балок. При добавлении металлоконструкции в расчетную задачу вычисляются характеристики сечения балки, а сами балочные объекты преобразуются в элементы задачи на основе 1D-сеток.

При отображении балок в пре- или постпроцессоре применяется набор представлений балок, наиболее удобный для пользователя (рис. 1).

Рис. 1. Отображение результатов расчета металлоконструкций

Расчет слоистых композитов

Для проведения расчетов слоистых композитов, по-другому — «ламинатов», потребовалось добавление новой общесистемной модели материала под названием «составной материал». Для нее сначала выбирается уточняющий тип (рис. 2), а затем задаются или вычисляются параметры слоев, схема укладки, толщина пакета и компонентов слоя (рис. 3).

Рис. 2. Типы «составного материала»

Рис. 3. Параметры слоистого композита

Для результатов расчета «ламинатов» предусмотрены различные режимы отображения, в том числе по слоям (рис. 4). Оценка прочности слоистого композита производится с учетом определения коэффициентов запаса по критериям Цая — Ву или Цая — Хилла.

Рис. 4. Параметры результатов для детали из слоистого композита

Формирование состава задачи и новые сценарии управления сеткой

Для полноценной поддержки балочных объектов на основе 1D-конечных элементов (КЭ) необходимо реализовать расчет гибридных моделей, так как металлоконструкции редко состоят из одних балок. В таких конструкциях часто присутствуют «косынки» на основе пластинчатых 2D-элементов и объемные тела на основе 3D-элементов.

Для учета гибридной геометрии, наравне с выбором элементов задачи из сцены, реализован режим группировки элементов задачи. Группировка производится либо автоматически (по типам геометрии), либо вручную (например, по логическим признакам: «рама», «подвеска», «кузов» и т.д.).

Рис. 5. Формирование задачи на основе групп и задание параметров сетки в группе

При создании сетки группировка элементов задачи позволила реализовать недоступные ранее сценарии ее построения и обновления (рис. 5):

• задавать индивидуальные параметры КЭ для групп одного и того же типа;
• обеспечивать возможность поэтапного создания сетки для выбранных групп;
• частично перегенерировать сетку для выбранных групп, например, если геометрические размеры изменились;
• локализовать проблемные места на геометрии с применением групп и построением в них упрощенной сетки.

Анализ сетки

По сгенерированной конечно-элементной сетке не всегда понятно, хорошего или плохого качества сетка и по каким критериям оценивать ее качество? Для ответа на эти вопросы был разработан набор функциональности под названием «Анализ сетки», который позволяет:

• оценивать качество сетки на основе заданных критериев (рис. 6);
• выбирать области сетки, то есть производить фильтрацию сетки, скрывая или отображая выбранные области (рис. 7);
• выводить информацию о сетке (рис. 8).

Рис. 6. Подсвечены конечные элементы с учетом выбранного критерия и заданного диапазона значений

Рис. 7. Скрытие областей сетки для анализа ее состояния

Рис. 8. Вывод информации о сетке

Учет нелинейного поведения материала

Поддержка геометрической нелинейности была реализована еще в ранних версиях программы T-FLEX Анализ. Гиперупругое поведение материала впервые появилось в 17-й версии продукта, но это была начальная реализация, требующая дальнейшего развития. В 18-й версии были существенно доработаны алгоритмы гиперупругого поведения материала для моделирования поведения резин и эластомеров (рис. 9).

Рис. 9. Моделирование гиперупругого поведения материала

Также в 18-й версии продукта реализованы алгоритмы для моделирования пластичного поведения материала (рис. 10).

Рис. 10. Моделирование пластичного поведения материала

Новые общесистемные и сервисные возможности пре- и постпроцессора

В связи с большим количеством нововведений в функциональности потребовалось реализовать множество вспомогательных инструментов и сервисов для построения расчетной геометрии и создания расчетной модели. Представим некоторые из них:

• инструмент для получения серединных поверхностей в ручном и автоматическом режимах (рис. 11);
• сервисы для работы с оболочками и слоистыми композитами, позволяющие управлять положением серединной поверхности по толщине листового материала, отображать цветом верх/низ поверхностей, управлять отображением толщин оболочек, разработаны специальные режимы отображения результатов расчета для композитов;
• сервисы для работы с балочными объектами, такие как управление режимами отображения балок в сцене, специальные виды результатов в виде эпюр силовых факторов;
• общесистемный инструмент «Шкала», применяемый как при отображении результатов, так и при различных измерениях в T-FLEX CAD (рис. 12);
• единая сцена для геометрической и расчетной моделей, которая позволяет отобразить рассчитанные элементы вместе с окружением остальных конструктивных элементов (рис. 12, слева);
• одновременное отображение в сцене разнородных результатов для разных частей конструкции, как показано на примере водонапорной башни (рис. 13). Также появилась возможность объединения шкал, если результаты совместимы;
• сервис для сравнения результатов в разделенных окнах в синхронном режиме (рис. 14).

Рис. 11. Получение серединной поверхности

Рис. 12. Пример унификации инструмента «Шкала» для расчетных задач (слева) и оценки кривизны поверхности

Рис. 13. Отображение разных результатов (температуры и перемещений) в одной сцене

Рис. 14. Инструмент для сравнения результатов в разделенных синхронных окнах

Развитие инструментов анализа кинематики и динамики

Для моделирования кинематики и динамики движущихся механизмов используется программный продукт T-FLEX Динамика. Программа позволяет решать задачи имитационного моделирования с получением количественных и качественных результатов на подвижных моделях: траектории, скорости и ускорения любых точек под действием сил; временные характеристики и силы взаимодействия между элементами системы.

В T-FLEX Динамике существует возможность выгрузить геометрию в заданном положении для того, чтобы рассчитать, к примеру, прочность конструкции в программах на основе метода конечных элементов. Одной из возможностей в T-FLEX Динамике является определение наиболее неблагоприятного положения механизма в процессе работы, для которого в T-FLEX Анализ необходимо произвести расчет на прочность (рис. 15). Данный сценарий реализован и готов к использованию.

Рис. 15. Определение наиболее неблагоприятного положения механизма в процессе работы для последующей проверки на прочность

В 18-й версии продукта T-FLEX Динамика акцент сделан на упрощении задания условий задачи, удобстве инструментов и простоте взаимодействия с программой T-FLEX Анализ для совместного проведения расчетов.

Важной доработкой является инструмент для получения «ометаемых» объемов, при помощи которого можно получать опорную или габаритную геометрию для последующего проектирования (рис. 16).

Рис. 16. Использование «ометаемого» объема для получения эквидистанты смежных элементов конструкции

Расширение средств интеграции с партнерскими расчетными системами

На текущем этапе развития расчетных систем существует необходимость обмениваться данными с внешними CAE-продуктами. Например, T-FLEX Анализ учитывает пластическое поведение, но не учитывает разрушение материала, чтобы оценить остаточную жизнеспособность конструкции. В этих случаях компания «Топ Системы» предоставляет пользователям возможность обмениваться данными с внешними CAE-системами, где задача может быть решена.

Если необходимо произвести обмен данными на уровне инженера, то он выполняет это сам при помощи обменных файлов в случае, когда из T-FLEX CAD необходимо передать геометрическую модель во внешнюю расчетную систему в определенном формате. Если же разработчики внешней CAE-системы желают автоматизировать какие-либо операции или провести более глубокую интеграцию, встроив свой решатель в T-FLEX CAD, то для этого используется API. Компания «Топ Системы» при разработке программного комплекса T-FLEX PLM развивает API-функции. Процесс добавления новых API-функций постоянно осуществляется в сотрудничестве с разработчиками сторонних CAE-систем. Примером такой интеграции является решение CADFlo (рис. 17).

Рис. 17. Пример «бесшовной» интеграции T-FLEX CAD и CADFlo

Отдельным направлением является развитие универсального постпроцессора, позволяющего отображать внешние результаты через импорт данных в формате VTK непосредственно в постпроцессоре программы T-FLEX Анализ (рис. 18).

Рис. 18. Отображение средствами T-FLEX Анализ результатов расчета в CAE Fidesys

Развитие средств управления расчетными данными

Важным направлением деятельности, входящим в сферу интересов компании «Топ Системы», является разработка программных инструментов и механизмов для управления расчетными данными. Под «расчетными данными» понимаются любые данные, которые необходимы для постановки задачи (приказы, руководящие документы, модели, эскизы), проведения расчета (например, КЭ-сетка), а также любые результаты расчета произвольного характера (файлы выгруженных результатов, деформированное состояние и др.).

Система управления расчетными данными основана на возможностях платформы T-FLEX PLM, где CAD-система (T-FLEX CAD или любое другое внешнее ПО) является источником геометрических данных. CAE-система также может быть любого класса или уровня (FEA, MBD, CFD, 1D, специальное ПО). Базовые компоненты платформы T-FLEX PLM (группы и пользователи, управление доступом, бизнес-процессы, конфигурирование/версии/ревизии и т.д.) и платформенные решения (системная инженерия, управление данными об изделии и др.) — всё это является основой данного решения (рис. 19 и 20).

Рис. 19. Панель навигации с инструментами управления расчетными данными

Рис. 20. Пример специализированного расчета в системе управления расчетными данными

Основные задачи, которые решает система управления расчетными данными:

• обеспечение процесса проведения расчетов и сокращение их количества при разработке сложной техники;
• упорядочение и поиск расчетных данных (нагрузки, характеристики, свойства материалов);
• организация типовых расчетных процессов, их автоматизация и повторное использование;
• агрегация и хранение расчетных данных: исходных и результирующих;
• обеспечение связей между расчетными данными и их прослеживаемость.

***

В данной статье обозначены основные направления, над которыми трудятся разработчики, аналитики и тестировщики компании «Топ Системы». В следующих публикациях будут более подробно представлены функциональные возможности расчетных систем компании.