SimDesigner 2004 — новое поколение инструментов анализа и моделирования в среде системы CATIA V5
В последнее время все больше внимания уделяется инженерному анализу (Computer-Aided Engineering, CAE). А поскольку между конструкторами, которые используют инструменты CAD (Computer-Aided Design), и расчетчиками, применяющими CAE-системы, существует некий разрыв, то для его устранения служат встроенные системы Finite Element Analysis (FEA). Выигрыш от эффективного использования CAE-систем — огромный, и он будет еще больше, если модули предварительного анализа будут применяться на более ранней стадии проектирования. На рис. 1 и 2 приведены две схемы описания процессов проектирования, которые демонстрируют, каким образом можно значительно сократить время проектирования изделий за счет введения встроенных решений по анализу. Традиционный процесс проектирования требует значительных временных затрат и, как правило, обходится дорого (см. рис. 1). Для проведения исследования напряженно-деформированного состояния геометрические модели с помощью трансляторов нужно импортировать в CAE-систему из стандартных форматов, таких как STEP и IGES, или посредством прямого интерфейса CAD-системы, в которой создаются 3D-модели (при этом ассоциативная связь между CAD-моделями и модулями CAE-анализа полностью отсутствует). В новом процессе проектирования (см. рис. 2) при использовании встроенных решений по моделированию и анализу ассоциативная связь сохраняется и при этом предоставляются широкие возможности по управлению базой знаний.
CATIA V5-Анализ
«CATIA V5-Анализ» представляет собой новое поколение инструментов для анализа и моделирования. Процесс протекает в реальном масштабе времени и масштабируется от простого анализа к сложному (рис. 3). В «CATIA-Анализ» присутствуют ассоциативная база данных и база знаний; возможно повторное использование и автоматическое обновление изменений проекта; обеспечивается совместная среда для конструктора и расчетчика; данные изделия, определяемые из модели, также используются для анализа.
Инструменты анализа CATIA V5 могут использовать как конструкторы, так и эксперты по анализу. Конструкторы выполняют первый уровень анализа — это многократный выбор варианта проекта, выбор варианта для испытания, выбор альтернативной модели. Эксперты по анализу занимаются вторым уровнем анализа, а также решением критических проблем.
«CATIA V5 Анализ» является частью ядра CATIA V5 и обеспечивает конструкторам и экспертам интегрированное решение на основе базы знаний в пределах общих окон настроек системы CATIA V5. Анализ типа «Что будет Если» позволяет проводить исследование альтернативных вариантов проекта на ранней стадии проектирования. Все это дает возможность создавать более качественные проекты и снижать их себестоимость, поскольку не требуется никакой трансляции геометрии, а данные анализа полностью ассоциативны с геометрическими данными. Плюс к этому — прозрачное разбиение проекта, моделирование, позволяющее за один шаг проводить анализ, а также интуитивный графический интерфейс.
Использование интегрированного анализа при ведении всего проекта приводит к улучшению конечного продукта, к снижению затрат на организацию и развитие, к уменьшению числа опытных образцов и к сокращению времени выпуска изделия на рынок.
Геометрия в CAD-системе определяется отдельным твердым телом, поверхностью, каркасом, гибридной деталью, сборками твердых тел и поверхностями. Сборки могут характеризоваться соединениями между деталями (зазоры и контакты, пружины и балки, затяжка болтов, запрессовка, кинематические соединения, сварка и т.д.). Для проведения других типов анализа (анализ долговечности, акустический расчет, нелинейный расчет, термический расчет, динамика твердых тел) можно воспользоваться продуктами партнеров фирмы Dassault Systemes.
Представим основные модули, которые входят в «CATIA V5-Анализ».
Generative Part Structural Analysis (GPS)
Проводит статический и динамический анализ деталей, интегрирует моделирование и спецификации проекта с основными приложениями «CATIA V5-Анализ». В GPS включен мощный набор инструментов для задания условий нагружения и для визуализации результатов расчета (постпроцессор). На рис. 4 представлены общий вид самолета и напряженно-деформированное состояние крыла в линейной постановке. Расчетная схема и фрагменты создания конечно-элементной сетки показаны на рис. 5,6,7,8.
ELFINI Structural Analysis (EST)
Этот продукт имеет продвинутый препроцессор, решатель и постпроцессор с дополнительными опциями анализа. В качестве примера работы данного модуля можно привести структурный анализ двери в сборе из листового материала с учетом точечной сварки, который показан на рис. 9. Следует отметить, что сварку можно учитывать в виде сплошного шва.
Generative Assembly Structural Analysis (GAS)
Модуль осуществляет статический и динамический анализ сборок с учетом контакта между деталями. На рис. 10 и 11 изображены общий вид 3D-модели железнодорожной тележки и напряженно-деформированное состояние корпуса.
FEM Surface (FMS)
Модуль создает ассоциативную сетку на сложных поверхностях и при этом проводит продвинутый контроль спецификаций сетки. FMS включает в свой состав мощные инструменты для автоматического упрощения геометрии и удобной модификации сетки. Статический и динамический анализ тонкостенных и толстостенных деталей (например, для листового материала) показан на рис. 12.
FEM Solid (FMD)
Модуль создает ассоциативную сетку на твердых телах, четырехузловые элементы (GHS3D), 3D-элементы с помощью вытягивания (hexa, penta). К тому же FMD имеет продвинутый генератор сеток.
Generative Dynamic Response Analysis (GDY)
Данный модуль предсказывает динамический отклик системы от динамических воздействий.
Tolerance Analysis of Deformable Assembly (TAA)
ТАА проводит назначение допусков, указанных на сборках, и позволяет оценивать не только влияние погрешностей деталей, но и влияние деформаций, возникающих в процессе монтажа сборки. Кроме того, модуль обеспечивает анализ чувствительности для идентификации ключевых характеристик сборки.
DMU Engineering Analysis Revue (ANR)
Результаты анализа визуализируются в окружении цифрового макета изделия DMU (Digital Mock-Up), включая навигацию, анимацию и интерференцию анализа с деформированными деталями.
SimDesigner 2004 for CATIA V5
MSC.Software и Dassault Systemes совместно развивают новое поколение интегрированных PLM-решений на базе средств разработок Catia V5 CAA (Component Application Architecture), к которым относится семейство продуктов SimDesigner — программные системы анализа и моделирования нового поколения (Analysis and Simulation software) от корпорации MSC.Software, занимающейся разработкой и внедрением современных компьютерных технологий на предприятиях.
Продукты SimDesigner для CATIA V5 от золотого партнера CAA V5 Based — фирмы MSC.Software — интегрируются с системой автоматизированного проектирования CATIA V5. Данная система является одним из лучших PLM-решений (решений по управлению жизненным циклом изделия) и разработана всемирно известной фирмой Dassault Systemes. Система CATIA V5 и продукты SimDesigner имеют общие параметры окружения (Global and User Environments), что свидетельствует о высокой степени интеграции CAD- и CAE-систем.
SimDesigner 2004 for CATIA V5 позволяет инженерам эффективно выполнять проекты, работая с виртуальными моделями, что снижает потребность в создании дорогих опытных образцов. Полностью ассоциативная среда дает возможность инженерам и аналитикам сосредоточиться в основном на оптимизации и проверке проектов, а не заниматься импортированием математических моделей и чисткой геометрических данных.
Рассмотрим основные модули, которые входят в состав продуктов SimDesigner 2004 for CATIA V5.
SimDesigner Linear (SDL)
SimDesigner Linear расширяет пакет прикладных программ CATIA V5 по моделированию и позволяет применять MSC.NASTRAN, используя бесшовную технологию как решатель конечно-элементного анализа. Стандартизация решателя в FEA для проекта согласно требованиям моделирования снижает факторы риска и значительно сокращает затраты, связанные с использованием инструментов моделирования. SimDesigner Linear включает интерфейс доступа SimDesigner Gateway для MSC.NASTRAN, что обеспечивает пользователям экспорт файла данных в формате MSC.NASTRAN (BDF) для внешнего вычисления и импорт результатов внутри V5. Если же пользователям требуются файлы данных или доступ в общие ресурсы, они могут использовать и другие продукты SimDesigner Gateway вместе с имеющейся у них конфигураций. Мощный встроенный решатель MSC.NASTRAN не требует знания форматов данных и находится в пределах знакомой окружающей CAD-среды. На рис. 13,14,15 представлены результаты работы модуля — это общий вид подвески и ее конечно-элементный анализ.
SimDesigner Nonlinear (SDN)
Данный модуль позволяет моделировать большие деформации и сложные эффекты пластичности в материале, используя MSC.Marc в среде CATIA V5. Препроцессор, постпроцессор, транслятор и решатель интегрированы. В SimDesigner Nonlinear установлена специальная версия MSC.Marc.
SimDesigner Thermal (SDT)
SimDesigner Thermal позволяет выполнять анализ теплопередачи, причем модель берется непосредственно от GPS, а в качестве выходных данных получают температурное распределение, температурные градиенты и тепловые потоки.
Кроме того, эти результаты могут применяться в структурном анализе с использованием SimDesigner Linear, SimDesigner Nonlinear или ELFINI Structural Analysis (EST). В модуле SimDesigner Thermal Аnalysis присутствует нелинейный тепловой решатель MSC.Marc. Пример анализа с заданием различных контактных условий и с учетом тепловых нагрузок представлен на рис. 16, где двигатель является полностью анимационной моделью.
SimDesigner Advanced Structures Professional (ASP)
Этот совершенно новый продукт обеспечивает работу с различными конечными элементами и сетками не только в модулях SimDesigner, но и в таких продуктах CATIA V5, как GPS, FMS, FMD, GAS, GDY и EST.
SimDesigner Motion (SMO)
Программный комплекс SimDesigner Motion предназначен для моделирования динамики и кинематики механических систем. SMO обладает следующими возможностями: интеграция по бесшовной технологии в среде CATIA V5, автоматическое создание соединений в CATIA сборок с ограничениями, наличие обширных выходных и графических данных (включая перемещения, скорости, ускорения, реакции сил, мощности, моменты), способность моделировать кулачки, ремни, цепи, замки и другие детали с элементами контакта, способность учитывать эффект трения в системе движения, мощная визуализация и анимация.
Работа SimDesigner
SimDesigner является многофункциональным инструментом для виртуального прототипирования, полностью встроенным в среду CATIA V5. Создание сборок из 3D-тел позволяет пользователям ясно представить себе взаимное расположение деталей, выяснить, являются ли они совместимыми, и понять, как фактически будет работать издаваемый проект.
Этот продукт предназначен для конструкторов и инженеров, которые должны проверять различные аспекты работы механизмов, включая кулачки, зубчатые передачи, замки, ремни, рычажные механизмы, двигатели и цепи. Кроме того, можно проверить движение механизма с помощью анимации, провести пространственный анализ геометрических конфликтов и получить результаты в графическом виде.
Создание ометаемого объема при движении механизма дает возможность получить полную картину взаимодействия соседних деталей. На рис. 17, 18, 19, 20 изображен механизм с автоматическим описанием кинематических пар и представлены результаты расчета, включая вычисление ометаемого объема.
Некоторые выводы
В заключение можно сделать следующие выводы об использовании встроенных решений. Прежде всего, исключение из рабочего цикла проектирования временных затрат на трансляцию данных и доработку моделей окупает новое программное обеспечение за короткий срок. Кроме того, у аналитиков появляется больше времени и возможностей, чтобы найти оптимальные решения, что приводит к экономии средств и при испытании изделий, и при их производстве.
С дорогостоящими CAE-инструментами, как правило, могут работать только высококвалифицированные специалисты в области анализа, а со встроенными решениями, обладающими к тому же удобным интерфейсом, и специалисты более низкой квалификации. Встроенные аналитические системы проще в использовании, поскольку имеют меньшее число меню и функций управления, а такие основные функции, как ориентация модели в пространстве, являются общими как для CAD, так и для CAE-систем.
К тому же указанные решения обеспечивают более тесное взаимодействие между расчетчиком и конструктором, поскольку, используя одни и те же инструменты, они могут без особых сложностей вносить изменения в проект.
Каковы же главные преимущества моделирования внутри CATIA V5?
Первое — клиенты CATIA больше не нуждаются в переводе данных. Только щелкните кнопкой — и вы будете перемещаться от проекта до моделирования и обратно. Все изменения находятся в одном месте, а целостность данных гарантируется.
Второе — родная архитектура CATIA на основе базы знаний может использоваться в пределах среды анализа, имеется возможность оптимизировать изделия согласно правилам на основе базы знаний, а также проверять соответствие изделий экспертным правилам в проекте.
Третье — проверка проекта на виртуальных образцах сокращает количество необходимых физических опытных образцов и позволяет заранее выявить возможные ошибки проектирования.
Кроме того, CATIA V5 имеет открытую архитектуру, поэтому пользователи могут включить в систему собственные наработки, программы и функции, необходимые для расширения возможностей специализированных модулей. Использование программирования с помощью языков VB CATIA, JAVA, C++, VBA, Basic Script позволяет автоматизировать весь процесс проектирования.
Пакеты, продвигаемые компаниями MSC.Software и Dassault Systemes, дополняют друг друга и охватывают широкий круг задач, предназначенных для всех отраслей промышленности. В 2003 году компания «Гетнет» стала реселлером фирмы MSC.Software — ведущей компании по моделированию и анализу.
В статье использованы официальные материалы фирм MSC.Software, IBM и Dassault Systemes.
