Применение программного комплекса APM WinMachine в расчетах прочности судовых конструкций

Сергей Чижиумов,
к.т.н., доцент, главный специалист отдела тестирования и верификации НТЦ «АПМ»

Сергей Розинский,
директор по развитию НТЦ «АПМ»

В статье рассматриваются возможности отечественного программного комплекса APM WinMachine для компьютерного моделирования и расчетного анализа судовых конструкций. Кратко представлены ключевые инструменты моделирования, позволяющие создавать и работать со стержневыми (балочными), а также стержнево-пластинчатыми конечно-элементными моделями. Приведены примеры моделей и результаты расчетов на прочность для нескольких конструкций: палубного перекрытия, корпуса беспилотного катера и пассажирского катамарана из полимерного композиционного материала.

Введение

Компания НТЦ «АПМ» существует уже более 30 лет и занимается разработкой программного обеспечения для численного моделирования инженерных задач. За это время уже более двух тысяч предприятий стали пользователями и успешно эксплуатируют CAE-системы APM в самых разных отраслях промышленности. Одной из таких систем является программный комплекс APM WinMachine, который позволяет решать широкий круг вопросов: от механики машин и механизмов до различных задач прочностного анализа, в том числе с учетом мультифизических постановок и оптимизации. В данной статье будут рассмотрены примеры применения APM WinMachine в расчетах прочности судовых конструкций. Работа пользователя при этом проходит в двух основных модулях: APM Studio и APM Structure3D.

Основные инструменты создания расчетных моделей

Для создания расчетной модели на основе CAD-геометрии применяется модуль APM Studio. Детали в нем создаются на основе классических 2D-эскизов с последующими преобразованиями. Затем они собираются в сборки. Чаще, конечно, пользователи импортируют уже готовые 3D-модели, используя несколько основных форматов (*.step, *.iges, *.sat, *.jt, *.x_t, *.x_b, *.c3d, *.m3d, *.a3d). APM Studio имеет эффективный набор инструментов для автоматизации исправления ошибок и упрощения геометрии: преобразование тонко-стенных трехмерных (solid) тел в двумерные; диагностика и удаление дефектов (коротких и самопересекающихся ребер, мелких, вытянутых и кривых граней и пр.); удаление отверстий, фасок и скруглений, булевы операции и т.п. Эта тема подробно рассмотрена в статье [1].

Далее в APM Studio формируется конечно-элементная расчетная модель и выполняется полный цикл анализа конструкции, включающий: автоматическую генерацию КЭ-сеток (как на объемных телах, так и на поверхностях); задание граничных условий (нагрузок, закреплений); выполнение расчета (линейного или нелинейного, статического или динамического) и анализ результатов (по цветовым картам распределения, графикам, таблицам и т.д.).

При необходимости расчетная модель из APM Studio может быть автоматически передана в модуль APM Structure3D, который является наиболее полным по возможностям конечно-элементного моделирования. В него можно импортировать конечно-элементные модели, созданные в ANSYS, NASTRAN и других CAE-системах (командные файлы в двоичном или текстовом форматах: *.dat, *.cdb, *.bdf.). В 2025 году появилась возможность создавать скрипты на языке Python. APM Structure3D наиболее приспособлен для создания расчетных моделей «с нуля», то есть путем непосредственного формирования пользователем структуры конечных элементов без использования геометрической модели.

В модуле APM Structure3D быстрое построение регулярных сеток обеспечивается применением примитивов — шаблонов из стержней и пластин, а также командами выталкивания, выравнивания, деления на части (с возможностью автопривязок) и совмещения узлов [2]. В новой версии системы библиотека профилей пополнилась судостроительным прокатом, в том числе с присоединенным пояском (для создания стержневых моделей). Для правильного расположения балок по высоте применяется установка точек привязки профилей. Удобным средством контроля и анализа балочно-стержневых моделей является пространственная визуализация балок, а также рассчитанных в них напряжений (рис. 1).

Рис. 1. Средства создания и анализа стержневых моделей в APM Structure3D

Высокое качество графики в конечно-элементных модулях обеспечивается ядром C3D от компании C3D Labs. На рис. 2 показаны примеры визуализации напряжений в балке-стенке с вырезами, лежащей на двух опорах и нагруженной поперечной, равномерно распределенной по длине нагрузкой (показана симметричная половина балки).

Рис. 2. Примеры визуализации полей напряжений: а — эквивалентные напряжения SVM (по критерию Мизеса); б — наибольшие главные напряжения S1; в — векторное поле наибольших главных напряжений в районе опоры и вокруг выреза

Примеры моделирования судовых конструкций

Стержневая модель палубного перекрытия

На этапах эскизного и технического проектирования судовые конструкции в первую очередь формируются на основе требований Регистра судоходства (РС), в которых предполагается стержневая (балочная) идеализация перекрытий. Стержневые расчетные модели судовых корпусных конструкций позволяют выполнять анализ аналитическими методами. Именно этим объясняется их традиционно широкое применение, однако для сложных неоднородных конструкций аналитические расчеты чрезмерно трудоемки.

На рис. 3 приведен пример моделирования перекрытия палубы с грузовым люком сухогрузного судна (рассмотрена четверть перекрытия — с  учетом двух плоскостей симметрии).

Подобные модели создаются в модуле APM Structure3D, при этом система стержней с узлами их пересечения формируется на основе готовых шаблонов или путем копирования и «выталкивания» узлов и стержней. Например, на рис. 3б показаны узлы, созданные по координатам точек (координаты Z узлов отличаются, так как палуба имеет погибь). Массив продольных стержней с остальными узлами формируется одной командой «выталкивания», в которой задается число и шаг узлов по оси X, а также отмечается опция создания стержней. После этого «лишние» узлы и стержни в площади люка просто выделяются рамкой и удаляются (рис. 3в). Поперечные стержни (по оси Y) могут создаваться мышью по готовым узлам (рис. 3г). Стандартные профили стержней задаются из базы данных, а нестандартные сечения предварительно строятся в специальном графическом 2D-редакторе (поддерживает импорт DXF) — рис. 3д.

Рис. 3. Формирование стержневой модели: а — чертеж перекрытия (план);
б — исходные узлы; в — результат операции выталкивания узлов с продольными стержнями; г — план готовой стержневой модели; д — 3D-вид модели с визуализацией профилей стержней

Закрепления и условия симметрии по контуру модели перекрытия задаются фиксацией крайних узлов по соответствующим степеням свободы. В упругих закреплениях задаются коэффициенты жесткости упругих опор или заделок. Например, балки в направлении Y (рамные бимсы) упруго связаны с рамными шпангоутами у борта, так как их угол поворота зависит от изгиба шпангоутов. Для определения жесткости упругой заделки следует решить отдельную задачу изгиба поперечной шпангоутной рамы. Коэффициент жесткости упругой заделки может быть определен через коэффициент опорной пары, если он известен или нормативно задан.

На рис. 4 представлены некоторые результаты расчета перекрытия на нормативное поперечное давление.

Рис. 4. Результаты расчета стержневой модели: а — эпюра изгибающих моментов, Н·м; б — суммарные перемещения, мм; в — продольные напряжения, МПа

Следует отметить, что применение балочных моделей для тонкостенных конструкций сопровождается допущениями, которые иногда значительно искажают реальную картину напряженно-деформированного состояния, а кроме того, препятствуют автоматизации создания расчетной модели.

В частности, при задании поперечного давления на настил оно условно распределяется по балкам. Если расстояния между балками (шпации) обоих направлений отличаются более чем в два раза (см. рис. 3), то это давление достаточно точно распределяется только по балкам основного направления. Однако если расстояния между балками обоих направлений отличаются не существенно, то задача условного приведения распределенной по площади нагрузки к стержням или узлам становится нетривиальной и довольно громоздкой. Если при этом перекрытие имеет криволинейную форму (например, борт судна в оконечности), а давление неравномерное по площади, то задача еще более усложняется. Автоматизация ее решения в известных программных средствах пока отсутствует.

Еще одна проблема состоит в том, что настил или обшивка перекрытия в стержневой модели заменяется условными присоединенными поясками балок, определение ширины и толщины которых далеко не всегда однозначно. При поперечном изгибе перекрытия обычно считается, что ширина присоединенного пояска равна расстоянию между балками или 1/6 от пролета, в зависимости от того, что меньше. Однако если структура нерегулярная
и/или жесткости перекрестных балок на изгиб имеют один порядок, то понятие пролета становится неоднозначным. Например, обычно рамные балки являются достаточно жесткими опорами для балок основного набора. Но при увеличении длины рамной балки между опорными кромками перекрытия она перестает поддерживать балки основного набора и, наоборот, начинает загружать их.

В случае изгиба палубного перекрытия при наличии сжимающей нагрузки (от общего изгиба всего корпуса судна) возможна местная потеря устойчивости пластин настила. При этом они перестают воспринимать сжатие частью своей площади. Такое снижение несущей способности гибких элементов в строительной механике корабля учитывается редуцированием, то есть уменьшением условной ширины присоединенных поясков сжатых стержней. Для этого необходим предварительный анализ устойчивости пластин настила. Если устойчивость теряется, то после редуцирования требуется расчет во втором приближении.

Кроме того, реальная картина напряжений балочной моделью значительно искажается в районах книц и вырезов, при большой высоте балок, при наличии несимметричных профилей и различных других особенностей.

В связи с этим при анализе прочности судовых конструкций желательно применять пластинчатые или пластинчато-стержневые модели.

Расчет перекрытия траловой палубы рыболовного судна

На рис. 5 представлена пластинчато-стержневая модель палубного перекрытия траулера, основной расчетной нагрузкой для которого является вес тралового мешка с уловом. Модель создана в процессе проектирования конструкции по начальному варианту конструктивных чертежей в модуле APM Structure3D, сразу в виде конечно-элементной сетки. Листовые детали (настил, рамный набор, кницы и пр.) моделируются элементами пластин, а катаные балки основного набора (полособульб) моделируются стержневыми элементами.

Рис. 5. Модель палубного перекрытия

Для достоверного учета взаимодействия перекрытия с поперечной переборкой вблизи действия нагрузки верхняя часть переборки также включена в расчетную модель. Внутренние выгородки, соединяющие перекрытие с вышележащей палубой, моделируются жесткими элементами.

На рис. 6 показана визуализация результатов расчетов. Приведены карты перемещений, напряжений, а также показана форма потери устойчивости в элементах ограждения и некоторые собственные формы конструкции.

Рис. 6. Результаты расчетов палубного перекрытия

Применение пластинчато-стержневой идеализации перекрытия позволяет повысить качество расчетной модели и провести ее виртуальные испытания в приближенных к реальности условиях нагружения.

Моделирование конструкций из слоистого композиционного материала

При расчете конструкции из слоистого композиционного материала (КМ) вначале определяются материалы отдельных слоев (обычно с анизотропными свойствами). Далее из слоев формируется композитная структура, в которой определяются толщины и направления армирования каждого слоя (рис. 7). Структура КМ может быть создана в другом ПО, в частности в новом приложении «КОМПАС-Композиты» от компании АСКОН.

Рис. 7. Пример задания структуры полимерного КМ типа «сэндвич»

При формировании общей расчетной модели конструкции из КМ задается ориентация слоев для отдельных деталей относительно общей системы координат.

Расчет прочности корпуса безэкипажного катера

В одном из вариантов проекта высокоскоростного безэкипажного катера, выполняемого в ПКБ «Петробалт», корпус катера предлагается изготовить из полимерного КМ. Обшивка днища из КМ включает более двух десятков слоев стеклоткани, образующих биаксиальную схему армирования, рекомендуемую для маломерных судов (0° — 90° — 0° — 90° — … — 0°). На рис. 8 показан общий вид корпуса катера (поверхностная модель), заданная расчетная нагрузка и сетка конечных элементов. На расчетной сетке светло-зелеными линиями отображаются направления армирования слоев КМ.

Рис. 8. Модель корпуса катера из стеклопластика

На рис. 9 представлено сравнение результатов расчетов напряжений в крайних слоях композита в программах APM Studio и ANSYS Workbench (нормальные напряжения по Х (продольные), по Y (поперечные) и приведенные по Мизесу). Видно хорошее согласование результатов. В любой точке можно посмотреть распределение напряжений (нормальных и касательных) по толщине.

Рис. 9. Результаты расчета напряжений и деформаций днища катера

Моделирование корпуса пассажирского катамарана

Геометрическая модель корпуса круизного катамарана, представленная на рис. 10, импортирована в модуль APM Studio в виде поверхностной модели. Для обеспечения совместности перемещений отдельных деталей выполнен автоматический поиск контактов элементов сборки. Далее автоматически создана конечно-элементная сетка. После этого были заданы расчетные нагрузки и закрепления. На этом же рисунке представлены некоторые результаты проведенного статического расчета. На рис. 11 показана модель катамарана с надстройкой из трехслойного КМ (углепластиковых сэндвич-панелей). Набор имеет П-образный профиль с заполнением из пенопласта.

Рис. 10. Модель корпуса катамарана и результаты расчета

Рис. 11. Модель катамарана с надстройкой (3D-модель и КЭ-сетка)

Заключение

Кроме представленных примеров были проведены и другие верификационные и практические расчеты судовых конструкций, на основе которых можно заключить, что в настоящее время программный комплекс APM WinMachine в большинстве практических задач прочности судов вполне может заменить импортные САЕ-средства. При этом функциональные возможности постоянно развиваются, в немалой степени благодаря взаимодействию и сотрудничеству со специалистами проектно-конструкторских бюро и партнерами по консорциуму «Развитие» — компаниями АСКОН, ТЕСИС, Ладуга и др.

Ознакомиться и собственноручно опробовать возможности APM WinMachine может каждый! Для этого достаточно скачать бесплатную временную версию ПО с официального сайта www.apm.ru. А быстрому старту поможет информация, в том числе и в видео-формате, размещенная на сайте с документацией — www.help.apm.ru.

Список использованной литературы:

1. Бутин О. Опыт использования C3D Modeler для построения расчетных моделей // САПР и графика. 2025. № 4. С. 35-41 (www.sapr.ru/article/26815).
2. Основы компьютерного анализа инженерных конструкций в системе APM WinMachine: учебное пособие / С.Д. Чижиумов, С.М. Розинский. СПб, Петергоф: ВИ (ЖДВ и ВОСО), 2024. 209 с.