Компьютерное моделирование изделий и CAE-системы
Пропасть между геометрической и расчетной моделями
Прочностной анализ изделия в DesignSpace
Динамический и кинематический анализ в Dynamic Designer
Современный рынок информационных технологий предлагает широкий спектр универсальных и специализированных
CAD/CAM- и CAE-систем, позволяющих пользователям обеспечить сквозную цепочку автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства новых изделий любой степени сложности. Высокий уровень развития этих программных средств в сочетании с их простотой и доступностью в процессе работы позволяет легко приобщиться к их использованию в повседневной производственной практике широкому кругу инженеров, не обладающих глубокими знаниями в области информационных технологий. В то же время даже самые «умные» на сегодняшний день компьютерные программы являются всего лишь инструментом в руках человека, а результат работы указанных систем существенно зависит от степени владения предметной областью специалиста, интеллектуальный труд которого и призваны автоматизировать эти программы. Это особенно актуально в отношении современных CAE-систем, где без глубинного понимания исследуемых процессов и овладения методами расчета, заложенным в программе, сегодня просто не обойтись.
Говоря об автоматизированном проектировании нового изделия, мы основную часть внимания уделяем вопросам создания CAD-моделей (графических моделей) отдельных деталей и сборок и разработке технологии изготовления деталей по построенным графическим моделям с привлечением CAM-систем. При этом за кадром остается важная часть процесса проектирования, связанная, в частности, с анализом работоспособности этого изделия, его способности воспринимать планируемые нагрузки и адекватно реагировать на окружающую среду. Прочностной и прочие виды анализа нового изделия, разумеется, требуются не во всех случаях, но и там, где это необходимо, они нередко игнорируются.
Современные программные средства в подавляющем большинстве случаев позволяют полностью или частично отказаться от натурного эксперимента, переведя все в область компьютерного моделирования с привлечением CAE-систем. Чем больше работ выполняется с применением CAD-систем и чем больше разрабатывается трехмерных графических моделей новых изделий, тем заманчивее представляется использование компьютерного анализа.
В то же время сближение CAD- и CAE-систем проходит крайне трудно. Настаивая на том, что графические и расчетные модели существенно различаются, разработчики последних зачастую настаивают на целесообразности разработки расчетных моделей с нуля, с использованием встроенных в CAE-программы редакторов.
Дыма без огня не бывает, и позиция разработчиков CAE-программ, безусловно, небеспочвенна. Попробуем на примере конечно-элементных программ разобраться в проблемах, возникающих на пути преобразования графических моделей в расчетные.
Пропасть между геометрической и расчетной моделями
Конечно-элементные программы решают задачи деформируемого твердого тела, теплофизики, гидрогазодинамики (в этом случае сам метод конечных элементов, возможно, не самый подходящий, однако часть задач гидрогазодинамики решается на его основе), позволяют анализировать электромагнитные поля, получать решения в области акустики.
Работа расчетчика в современной конечно-элементной программе начинается с постановки задачи и изучения особенностей чертежа или графической 3D-модели спроектированного изделия. При наличии графической модели логично использовать ее в CAE-программе для построения расчетной модели. Отличие расчетной модели от графической определяется в первую очередь наложением граничных условий в расчетной модели. К граничным условиям относятся действующие на изделие нагрузки, закон их изменения и условие закрепления. Кроме того, для выполнения расчета необходимо определить свойства материала изделия и условия окружающей среды, а также задать критерии жесткости (как правило, предел текучести) и прочности (зазоры — для прогноза возможного заклинивания). Таковы необходимые исходные данные, требующие корректного определения для успешного проведения расчетов.
По перемещениям и напряжениям, выдаваемым конечно-элементной программой в каждой точке изделия, производится оценка превышения допустимых пределов жесткости и прочности. Результатом оценки может стать конструктивное изменение, изменение условий нагружения, изменение свойств или использование другого материала. При этом конструктивные изменения выполняются вручную в исходной графической модели изделия.
Однако наложение граничных условий — это только часть преобразования графической модели в расчетную, к тому же, на мой взгляд, самая безобидная, поскольку не связана с изменением формы в исходной графической модели. Для того чтобы воспользоваться любым из существующих методов расчета в конечно-элементной программе, графическую модель следует разбить на некоторое число конечных элементов определенной формы.
Исходя из расчета конструкции на прочность, различают три типа расчетных моделей, которые могут одновременно применяться в одной расчетной модели:
- модели из стержневых элементов;
- модели из оболочечных элементов;
- модели из сплошных объемных элементов (солидов).
К одномерным стержневым элементам относятся тела, один из размеров которых на порядок (то есть в 10 раз) превышает два других размера. Оболочка — это когда один из размеров тела на порядок меньше двух остальных размеров (крыша автомобиля, днище автомобиля, крыло самолета, обшивка самолета и т.п.). Все остальные тела, имеющие соизмеримые по трем направлениям размеры, рассматриваются как солиды (типичные представители этой группы деталей — блок цилиндров, шатун, коленчатый вал). Степень сложности расчета растет от моделей из стержневых элементов к моделям из солидов.
Этап приведения геометрической модели к расчетной является самым сложным и пока мало поддающимся автоматизации. Без квалифицированного специалиста, разбирающегося не только в методах расчета, но и в исследуемом процессе, на сегодняшний день обойтись невозможно.
Вот несколько примеров. Нужно ли обшивку самолета или корабля рассчитывать с использованием модели из сплошных объемных элементов? Наверное, нет, поскольку здесь скорее применимы оболочечные модели, имеющие существенно меньшую размерность в расчетах. Да и точность результата может оказаться в этом случае выше именно у оболочечных моделей в сравнении с трехмерными.
Другим примером может служить прочностной анализ обычной лестницы. Есть ли смысл разбивать трехмерную модель лестницы или пролета моста на солиды или проще представить их в виде стержневой модели, сведя задачу до расчета балок и рам, и таким образом намного эффективнее достичь конечного результата?
Довольно большое число реальных объектов идеально вписываются в оболочечные и стержневые модели. Однако не все так просто. Вот один из примеров расчетов, проводимых в ЦАГИ и связанных с анализом напряженно-деформированного состояния крюка планера, за который он цепляется веревкой к самолету для разгона и набора необходимой высоты. Казалось бы, расчетчики имеют дело с самым что ни на есть классическим примером плосконапряженного состояния детали, изготавливаемой, кстати, из обыкновенного листа, что и было учтено в расчетной модели. Первый же расчет выявил достаточно нагруженную зону, на которую прежде никогда не обращали внимание. Но как только расчетчики перешли к модели из солидов и посчитали деталь с учетом других особенностей, выяснилось, что критическая по нагружению зона «размазалась», напряжения перераспределились, а выявленная зона на самом деле не является критичной по напряжениям.
Это к вопросу о выборе расчетной модели. Мы живем в трехмерном пространстве и не всегда его следует упрощать. При приведении объекта к любой из существующих расчетных моделей важно давать себе полный отчет в том, что именно мы считаем. Любая из моделей в приведенных примерах построена на определенных гипотезах и допущениях, упрощающих представление анализируемого объекта. Игнорирование этого факта может привести к неверной интерпретации результатов анализа. Поэтому важно знать, до какого предела возможно упрощение расчетных моделей.
На сегодняшний день любой CAE-комплекс следует рассматривать лишь как инструмент, который может «зазвучать» только в руках мастера.
 |
|
Расчет и анализ для всех
Несмотря на кажущуюся неразрешимость противоречий, возникающих на пути сближения CAD и CAE, логика прогресса неумолима. Шаг за шагом разработчики информационных технологий накапливают знания в области интеллектуализации компьютерных программ и неуклонно расширяют их функциональные возможности. Безусловно, человек-эксперт будет занимать главенствующую позицию всегда (по крайней мере, я на это надеюсь), но доступ к знаниям будут получать все большее число специалистов, не имеющих специальных познаний в смежных областях.
Что можно в работе конструктора автоматизировать уже сегодня? Если задача и сам расчет не очень сложны, а алгоритмы, заложенные в программе, уже десятилетиями апробированы и всесторонне изучены (так что сам факт возникновения ошибки маловероятен и пользователь не нуждается в глубоком и всестороннем анализе процесса — ему требуется только некоторый оценочный результат для принятия дальнейших шагов в разработке нового изделия), то возможно использование уже имеющихся для этих целей интегрированных с CAD приложений, специально разработанных для инженеров-конструкторов.
Примером таких приложений являются DesignSpace (ANSYS, Inc.) и Dynamic Designer (Mechanical Dynamics, Inc.), использующие графические модели, разработанные конструктором, как есть — без модификации формы изделия.
Dynamic Designer и DesignSpace выполнены в рамках общей концепции, предусматривающей обмен данными через CAD-систему. Данные, полученные в результате работы одного из приложений, сохраняются вместе с данными графической модели и доступны для работы в другом приложении. В рамках концепции могут быть задействованы такие CAD-системы среднего уровня, как Mechanical Desktop, Microstation Modeler, Solid Edge, SolidWorks. Системы Dynamic Designer и DesignSpace служат ярким примером переноса идеологии тяжелых САПР на уровень средних.
|
|
Прочностной анализ изделия в DesignSpace
Программа DesignSpace относится к классу систем среднего уровня. Кроме прочностных расчетов в DesignSpace могут решаться тепловые задачи, выполняться топологическая оптимизация формы изделия (предсказание оптимальной формы изделия под конкретные эксплуатационные условия) и анализироваться собственные частоты. В рамках DesignSpace полностью автоматизированы операции, выполняемые расчетчиками на профессиональных конечно-элементных пакетах, в том числе и построение конечно-элементной сетки. Сетки строятся из квадратичных параметрических тетраэдров с узлами при вершине и на серединах ребер, что позволяет достигать неплохих результатов.
Для прикидочной оценки работоспособности конструкции возможностей программы DesignSpace вполне достаточно. Программа без участия пользователя автоматически выполняет оптимизацию расчетных моделей. Апробированные многолетней практикой приемы позволяют достигать хороших результатов расчета. В частности, речь идет о разбиении на конечные элементы. Например, если внутри тела изделия встречается цилиндрическое отверстие, которое в плане может быть рассмотрено как окружность, то при построении сетки, в случае использования конечных элементов первого порядка, разбиение по дуге окружности должно идти через каждые 15°, а если используются элементы второго порядка, то не реже чем через 20-25°. В этом случае ошибка по напряжениям составит не более 5-10%. И если специалисты-прочнисты знают это, то инженер-конструктор может и не знать, поэтому вся работа по созданию конечно-элементной сетки в DesignSpace скрыта от его глаз. DesignSpace как бы ведет конструктора шаг за шагом по узкому коридору, выполняя за него требуемые операции и не позволяя ему ошибиться.
Разумеется, программа DesignSpace имеет свои пределы применимости — это большие перемещения и большие деформации, а также используется для решения сложных связанных задач. Для определения выхода за рамки ограничений по перемещениям и деформациям рекомендуется сделать поверочный расчет и убедиться, что полученные в результате деформации и напряжения не выходят за рамки, накладываемые упругими деформациями. В противном случае решение будет неверным.
Интересным представляется решение в программе задачи топологической
оптимизации изделия. Идея заключается в том, что пользователь задает один
или несколько расчетных случаев, в которых полностью определяет граничные условия
и задает некоторый процент редукции веса (например, 25 или 30%), который планируют
достичь в результате анализа. В рамках заданных допущений выполняется расчет,
в процессе которого итерационно для каждого случая определяется и строится поле
главных напряжений. По полученным полям выявляются наименее нагруженные участки.
Далее программа, с учетом заданного процента редуцирования, исключает их из
анализа, выполняет повторный расчет с построением поля главных напряжений. Таким
образом, в результате нескольких итераций пользователь получает некоторую приближенную
к равнопрочностной конструкцию, получаемую отсечением «лишних», не несущих для
заданных нагрузок, участков материала. Визуализация решения возможна в виде
цветовых заливок, подсказывающих конструктору, в каких местах изделие можно
утончить и где убрать лишний материал. 
В качестве алгоритма оптимизации веса детали взят один из двух доступных в системе ANSYS — как наиболее простой и основанный на так называемой псевдоплотности материала.
Другой интересной возможностью, о которой нельзя не сказать, является функция автоматической генерации отчетов о проведенном в заданный период времени анализе. Отчет формируется (правда, к сожалению, на английском языке) в формате HTML и включает в себя как все исходные данные по постановке задачи, так и самые подробные сведения о результатах расчета (напряжения, частоты, температуры и т.д.). В отчет также включаются и визуальные трехмерные изображения в формате JPG и VRML 2.0. Подобную функцию предполагается включить и в профессиональный CAE-пакет ANSYS.
|
|
Динамический и кинематический анализ в Dynamic Designer
Схожим, ориентированным на инженера-конструктора приложением, для двухмерного и трехмерного кинематического и динамического анализа является Dynamic Designer. Работая с ним, конструктор использует в качестве исходных данных CAD-модель сборки или отдельной детали, доступ к которой не требует выхода из графического пакета. Активизация приложения выполняется щелчком мыши на соответствующей пиктограмме, после чего пользователь расставляет необходимые связи, задает начальные и граничные условия, прикладывает внешние нагрузки, описывает заданные углы поворота и перемещения (а также силы, моменты, ускорения) и доводит тем самым графическую модель до расчетной, не меняя формы изделия. Характерными возможностями Dynamic Designer являются:
- анализ 2D- и 3D-механизмов;
- полная ассоциативность расчетных параметров с геометрией;
- использование всех типов геометрии — проволочной, поверхностной, твердотельной;
- интуитивно понятное, «ведущее» пользователя меню;
- построение шарниров при помощи функции drag-and-drop в окне отображения состава модели;
- прямое приложение предписанных перемещений и поворотов.
Кроме того, система оценивает работоспособность механизма, предсказывает вероятность заклинивания.
|
|
Пути сближения CAD и CAE
Один из путей сближения CAD- и CAE-систем мы уже фактически рассмотрели (когда берется «кусочек» профессиональной тяжелой CAE-системы и встраивается в CAD). Кстати, полученная в таком встроенном приложении расчетная модель может быть передана в профессиональную CAE-систему высокого уровня для дальнейшего более углубленного анализа и исследования.
Второй путь — это развитие и совершенствование средств создания расчетных моделей, ассоциативно связанных с геометрической моделью и переданных из CAD-систем.
Третий путь — использование универсальных сеточных генераторов. Сеточный генератор представляет собой компьютерную программу для создания дискретных моделей, так называемые сетки (плоские и пространственные), используемые в дальнейшем в любых расчетных программах, использующих принцип дискретизации пространства. Работа сеточных генераторов основана на принципе минимизации увязки ошибок. Он заключается в том, что строится первая сетка, выполняется расчет, проводится оценка разницы между работой упругих и внешних сил. Определяются такие места, где эта разница максимальна, и в них выполняется доразбивка конечного элемента. И так до тех пор, пока разность не достигнет заданного процента (чаще всего 5%).
В настоящее время сложно привести пример программы, в которой не требовалось бы участие квалифицированного расчетчика. По-прежнему главным остается понимание анализируемого процесса, владение спецификой предметной области и методиками расчета. В то же время сеточные генераторы год от года совершенствуются, становясь все менее притязательными к пользователю, в результате чего появляются все более совершенные сетки для расчетов.
Построение таких сеток по графической модели в значительной мере сопряжено с необходимостью учета дальнейшего ее использования. В зависимости от решаемой задачи на основе конечно-элементной сетки будет получено то или иное разбиение на конечные элементы. Другими словами, речь идет о развитии направления создания адаптивных сеток. Для быстрого получения наиболее точного решения очень важно оптимальное сгущение или разряжение сетки в критичных местах, соответствующее конкретной решаемой задаче. Например, если решается задача гидрогазодинамики, то очень важным становится качество сетки (или ее регулярности) в районе пограничного слоя. В связи с этим сеточные генераторы могут быть узкоспециализированными (направленными на решение определенных задач) или универсальными.
Между CAD-системой и сеточным генератором существует промежуточное звено, например уникальный в своем роде пакет CADfix, который занимается трансформацией геометрии с целью приведения ее к расчетной модели. Кроме того, программа является великолепным транслятором данных из одного формата в другой для различных CAD-систем. При работе с расчетными моделями в CADfix возможно удаление («сглаживание») различных несущественных для проводимого расчета геометрических тонкостей. В частности, могут быть удалены некоторые отверстия или фаски. А если есть некая сложная замкнутая область, она может быть разбита на более простые тела для гибкого оперирования с каждой из них.
Преобразованная в CADfix графическая модель может быть передана непосредственно в CAE-систему либо в сеточный генератор.
В приложениях, подобных CADfix, или в сеточных генераторах работа идет с графическими моделями из солидов. Это связано с тем, что стержневые или оболочечные расчетные модели, как правило, не нуждаются в очень сложных преобразованиях. Практически в каждой профессиональной CAE-системе есть собственный редактор, с помощью которого легко и просто формируются стержневые расчетные модели любой сложности.
«САПР и графика» 1'2001
