WebBNR_YII2021_RU_728x90_1021
3 - 2004

Поверхностное моделирование в среде APM Studio: от проектировочной схемы до расчетной — один шаг

Дмитрий Шанин

Поверхностное моделирование

Создание поверхностной модели

Стратегия создания поверхностной модели

Обмен данными с другими 3D-редакторами

Генерация конечно-элементной сетки

Оценка напряженно-деформированного состояния модели

В настоящее время на многих предприятиях России активно идет процесс внедрения систем комплексной автоматизации проектирования сложных технических объектов. Выбрав зарубежное программное обеспечение, предприятия получают высокофункциональные качественные инструменты для конструирования и расчета изделия, однако подобные решения достаточно дорогие и требуют наличия в штате высококвалифицированных специалистов. Кроме того, в мощных зарубежных пакетах, как правило, отсутствует адаптация к отечественным стандартам.

Российские САПР имеют ряд преимуществ: русифицированный интерфейс, меньшую стоимость и оперативную техническую поддержку на русском языке. Но анализ рынка отечественных САПР показывает, что большинство российских компаний-разработчиков ориентировано на реализацию CAD/CAM/PLM-направлений, в то время как расчетной части любого проекта уделяется очень мало внимания. Данное обстоятельство вынуждает пользователей приобретать дополнительное программное обеспечение, что приводит к значительным финансовым затратам.

Однако на российском рынке есть отечественное программное обеспечение, позволяющее решить широкий спектр задач по конструированию и расчету сложных технических систем. Это CAD/CAE-система автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций APM WinMachine. В данной статье мы ознакомим читателей с новыми возможностями программного продукта компании НТЦ АПМ. Речь пойдет об оперативном переходе от создания трехмерной поверхностной модели изделия к полноценному анализу ее напряженно-деформированного состояния.

Поверхностное моделирование

При моделировании конструкций, расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) которых производится с помощью МКЭ, используются стержневые, пластинчатые и объемные (твердотельные) конечные элементы. Основная масса представленных сегодня на рынке 3D-редакторов предназначена для твердотельного моделирования. Такой подход вполне приемлем, если речь идет об объектах, которые имеют соизмеримые размеры по разным направлениям, — они действительно могут моделироваться только объемными элементами. Однако данный подход нельзя использовать при моделировании, скажем, крановой конструкции, или буровой вышки, или любой каркасной конструкции, состоящей из длинных и тонких балок и стоек (например, здания), модели которых содержат большое количество стержневых элементов. Подобного рода конструкции целесообразно представлять в виде стержневых или стержнево-пластинчатых моделей, а не моделей, состоящих только из объемных элементов.

То же самое касается и тонкостенных оболочек. Если необходимо оценить напряженно-деформированное состояние этих конструкций, то моделировать их объемными элементами просто нецелесообразно. Дело в том, что стенку оболочки необходимо разбивать на конечные элементы таким образом, чтобы по толщине укладывалось от 4 до 10 твердотельных элементов (в зависимости от типа объемного элемента). Данное обстоятельство влечет за собой увеличение размерности задачи и соответственно увеличение времени, затрачиваемого на расчет. Кроме того, для сложной конструкции велика вероятность некачественной генерации конечно-элементной сетки с неверными итоговыми результатами расчета.

Применение же вместо твердотельной модели поверхностной позволит избежать всех вышеперечисленных проблем. В связи с этим компания НТЦ АПМ предлагает высокофункциональный инструмент для создания сложных поверхностных моделей произвольной формы — APM Studio.

В начало В начало

Создание поверхностной модели

Создание любой трехмерной модели начинается с работы в двумерном эскизе. В рамках данного режима в APM Studio имеется полный спектр команд для создания сложных геометрических объектов, которые могут в дальнейшем выступать в качестве образующих разного рода поверхностей. При этом редактор создан таким образом, что пользователь, имеющий опыт работы в любом плоском графическом редакторе, включая APM Graph, не будет испытывать никаких трудностей при работе с двумерным эскизом.

Для создания сложных геометрических объектов используются стандартные процедуры. Прежде всего это операции «Выталкивание» и «Поворот вокруг оси». Они применяются при формировании осесимметричных и постоянных по длине поверхностей. На тот случай, если в качестве образующих выступают отличающиеся друг от друга геометрические объекты, предусмотрена функция «Выталкивание по сечениям» (рис. 1). Особое внимание хотелось бы уделить процедуре выталкивания произвольного контура по пути — это эффективный инструмент, позволяющий с минимальными затратами моделировать разного рода трубопроводы любой степени сложности (рис. 2). Известно, что в качестве пути может выступать как кривая, находящаяся в одной плоскости, так и кривая, принадлежащая одновременно нескольким плоскостям. Создание пространственных кривых стало возможным благодаря реализации такого рабочего пространства, как трехмерный эскиз. Кроме того, в APM Studio есть отдельные процедуры для построения контурных плоскостей и сферических поверхностей.

В начало В начало

Стратегия создания поверхностной модели

Вышеперечисленные инструменты для создания поверхностной модели в целом мало чем отличаются от аналогичных процедур, предназначенных для формирования твердотельных моделей и хорошо известных тем пользователям, кто имеет опыт работы с любым из известных 3D-моделлеров. Однако на этом сходство между оболочками и объемными элементами заканчивается.

Дело в том, что при работе над твердотельной моделью этих инструментов вполне достаточно, так что созданная с их помощью модель может считаться готовой (либо к последующему расчету, либо к каким-либо дальнейшим сборочным манипуляциям). А результат аналогичной работы с поверхностями не является итоговым. Полученные тонкостенные элементы, входящие в состав модели, не будут связаны друг с другом, что, во-первых, неадекватно отражает реальную конструкцию, а во-вторых, ведет к получению неверных результатов расчета. И произойдет это как минимум по двум причинам:

• несвязанность поверхностей автоматически приводит к несвязанности конечных элементов после их генерации, что, в свою очередь, отразится на общей картине распределения напряжений, деформаций и величин силовых факторов;

• в ряде случаев несвязанность поверхностей ведет к тому, что некогда единая деталь станет сборочной единицей, состоящей из целого ряда отдельных деталей.

Для того чтобы избежать подобных проблем, необходимо выполнить определенную последовательность действий. Прежде всего надо определить линии пересечения поверхностей, для чего в APM Studio имеется соответствующая функция. Заключительным этапом является процедура сшивки полученных поверхностей по найденным линиям их пересечений (рис. 3).

В начало В начало

Обмен данными с другими 3D-редакторами

Современное состояние ПО в области САПР диктует определенные нормы, касающиеся обмена данными между различными системами. В качестве обменного формата для работы с моделями, построенными в сторонних трехмерных редакторах, компания НТЦ АПМ выбрала STEP. Данный формат отличается качественной передачей данных (при условии корректной передачи данных сторонним редактором в формат STEP). Кроме того, формат STEP сертифицирован организацией ISO, что говорит о его высокой функциональности.

Возможность считывания вышеописанного формата позволяет производить в APM Structure3D расчет моделей, созданных ранее в других 3D-редакторах, но это еще не все: компания НТЦ АПМ рада предложить своим пользователям возможность оперативного и высококачественного перехода от твердотельной модели к поверхностной. То есть пользователь может выбрать вид считываемой модели: APM Studio по желанию пользователя воспримет изделие либо как твердотельную модель, либо как оболочечный каркас твердого тела. Отметим, что каркас создается таким образом, что при последующем разбиении на конечные элементы последние будут связаны друг с другом, даже если не произвести сшивку полученного набора поверхностей, образующих каркас. Такой подход, несомненно, является качественным прорывом в области подготовки изделия к расчету.

В начало В начало

Генерация конечно-элементной сетки

Заключительным этапом в процессе подготовки поверхностной модели является генерация конечно-элементной сетки. Данная операция реализуется автоматически, прямо в APM Studio. В качестве конечного элемента выбрана наиболее универсальная треугольная трехузловая оболочка (пластина) с шестью степенями свободы в каждом узле. Данный элемент позволяет получить качественные результаты за достаточно небольшой период времени, требуемый для расчета. Кроме того, при прочих равных условиях использование данного вида элементов позволяет эффективно уменьшать размерность решаемой задачи, что снижает требования к аппаратным средствам и соответственно сокращает время, затрачиваемое на расчет.

В генератор конечно-элементной сетки встроен автоматический «улучшатель», который следит за тем, чтобы в качестве конечных элементов применялись преимущественно равносторонние треугольники, являющиеся оптимальными с точки зрения минимизации погрешности расчета напряженно-деформированного состояния. Кроме того, в рамках генератора реализован алгоритм, отслеживающий правильность введения шага разбиения. В случае выбора величины шага, соизмеримой с габаритами внутренних контуров, пользователю будет выдано соответствующее предупреждение с указанием причин, которые могут привести к некорректности создаваемой модели (рис. 4).

В начало В начало

Оценка напряженно-деформированного состояния модели

Поверхностное моделирование находит применение при проектировании трубопроводов, разного рода емкостей и ряда металлоконструкций, для которых может быть критичным влияние потери местной устойчивости на устойчивость всей конструкции. При проектировании вышеописанных конструкций может потребоваться решить следующие задачи:

• определить толщину оболочек и параметров материалов, обеспечивающих требуемые коэффициенты запаса, при заданных внешних и внутренних воздействиях (избыточное давление, температурные перепады, сейсмические явления и т.д.);

• проследить влияние на общую картину напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов, представляющих собой локальные концентраторы напряжений;

• рассчитать коэффициент запаса по устойчивости конструкции и определить форму потери устойчивости;

• оценить характер поведения конструкции под воздействием нагрузок, изменяющихся во времени;

• определить критический размер трещин в оболочках под действием внешних и внутренних воздействий.

Все эти задачи решаются в комплексе конечно-элементного анализа APM Structure3D. Для этого необходимо вначале создать модель, затем произвести ее разбиение на конечные элементы (все это делается в APM Studio), а затем передать ее в APM Structure3D. После передачи необходимо задать опоры и действующие на элементы модели нагрузки и воздействия (в качестве нагрузки может выступать и собственный вес конструкции). Для этого в комплексе APM Structure3D предусмотрены специальные инструменты. Подробно мы на этом останавливаться не будем, так как на страницах журнала «САПР и графика» о APM Structure3D много рассказывали и его разработчики, и многочисленные пользователи. Отметим только, что учет таких воздействий, как ветровые, снеговые и сейсмические, реализован в соответствии со СНиП. Кроме того, пользователю доступна для работы обширная база данных по материалам и стандартным профилям, что важно при необходимости добавления в конструкцию стержневых элементов (рис. 5).

После проведения прочностного расчета можно просмотреть результаты по всей конструкции в целом и по каждому элементу в отдельности, а также карту результатов (напряжения, перемещения, нагрузки), в которой соответствующие величины показываются в виде цветовой шкалы (рис. 6). Численные значения компонентов силовых факторов доступны по каждому узлу и по отдельному элементу.
В заключение хотелось бы отметить, что направление поверхностного проектирования и расчета является одним из приоритетных для компании НТЦ АПМ и в дальнейшем будет совершенствоваться и развиваться.

В начало В начало

«САПР и графика» 3'2004