4 - 2005

Комплексный инженерный анализ с использованием семейства программных продуктов COSMOS

Олег Абашев

Введение

Базовые возможности SolidWorks

COSMOSWorks

COSMOSMotion

COSMOSFloWorks

Заключение

В современной инженерной практике при проектировании новых образцов техники широко применяется программный комплекс SolidWorks, отлично зарекомендовавший себя на более чем 40 тыс. промышленных предприятий по всему миру. Успех SolidWorks объясняется не только функциональными возможностями 3D-моделирования, открытой архитектурой, простотой освоения и использования, но и наличием полного спектра средств инженерного анализа, ориентированных как на рядовых инженеров-проектировщиков, так и на профессиональных расчетчиков. О средствах инженерного анализа, реализованных в САПР SolidWorks, и пойдет речь в этой статье.

Введение

Создание новой конструкции и модернизация существующих образцов техники невозможны без проведения целого ряда расчетов. К ним относятся определение напряженно-деформированного состояния, тепловых полей, расчет течения жидкостей и газов и т.д. Однако теоретические решения не всегда могут быть применены к реальным конструкциям. Тогда необходимо использовать численные методы реализации поставленной задачи. Соответственно возникает вопрос: какие программные продукты использовать? Рассмотрим семейство программных продуктов, разрабатываемых корпорацией SolidWorks и объединенных общим названием COSMOS.

Семейство COSMOS содержит большое количество модулей для решения различных инженерных задач. Классификация этих программ по их функциональным возможностям и целевому назначению представлена на рис. 1. Это решатели, необходимые для прочнистов и конструкторов; модули, применяемые специалистами в области гидрогазодинамики, и наконец, программы, позволяющие рассчитывать кинематику и динамику механизмов. Такие, казалось бы, разные задачи объединены единым информационным полем SolidWorks, который используется в качестве пре- и постпроцессора. Для решения расчетных задач нет необходимости транслировать данные, не нужно выходить из программной оболочки SolidWorks — достаточно подключить востребованный модуль и провести расчет.

Рассмотрим более подробно базовые возможности SolidWorks и три специализированных модуля — COSMOSWorks, COSMOSMotion и COSMOSFloWorks.

Базовые возможности SolidWorks

Начиная с 2002 года в базовый конструкторский пакет SolidWorks включена специальная функция экспресс-анализа прочности деталей — COSMOSXpress. Благодаря ей можно быстро и качественно оценить работоспособность конструкции, определить напряженно-деформированное состояние деталей, созданных в SolidWorks или импортированных из других систем. Функция COSMOSXpress прежде всего ориентирована на инженеров, не являющихся специалистами в области прочностных расчетов. Вследствие этого работа с программой организована с использованием Мастера проведения расчета (рис.  2), который помогает пользователю на всех этапах расчета и анализа результатов. При неправильном или неполном вводе исходных данных COSMOSXpress подскажет пользователю, где ошибка и как ее исправить.

Результатами проводимого линейного статического анализа являются эпюры эквивалентных напряжений, перемещений узлов и распределения запасов прочности (рис. 3).

Полученные в COSMOSXpress результаты можно сохранить в видеофайл (*.avi) или в интерактивном формате eDrawings (рис. 4). Это позволяет передать данные, например, предметному специалисту для проверки или отослать их заказчику. При этом для просмотра данных достаточно иметь компьютер с установленной ОС Windows, а установка SolidWorks или COSMOS не требуется.

Данные (начальные условия и результаты) из COSMOSXpress в автоматическом режиме передаются в COSMOSWorks, где можно их отредактировать или провести более сложный расчет.

Наряду с функцией прочностного анализа в стандартную поставку SolidWorks входят опции, позволяющие провести качественный анализ работы механизмов. Помимо стандартных и хорошо известных условий сопряжения существует возможность определять специальные взаимосвязи. К ним можно отнести сопряжения типа «кулачок» и «передаточное отношение», указание минимальных и максимальных расстояний между объектами (рис. 5).

Для механизмов, в которых имеются сложные соприкасающиеся поверхности, можно использовать опцию физической динамики. С помощью этой функции можно также моделировать различные ударно-приводные механизмы.

Однако вышеперечисленные базовые возможности САПР SolidWorks, наряду с простотой использования, имеют и функциональные ограничения. Для решения более сложных задач возникает необходимость применения профессиональных расчетных комплексов. Рассмотрим программы семейства COSMOS и примеры решения с их помощью конкретных задач.

COSMOSWorks

COSMOSWorks является одним из лучших решений в области прочностных расчетов, реализованных в интерфейсе SolidWorks. Поскольку работа осуществляется в едином информационном пространстве с SolidWorks, исключается необходимость использовать какие-либо трансляторы для экспорта геометрии. Это обеспечивает отсутствие ошибок в геометрии и, как следствие, в конечно-элементной модели. Изменение геометрической модели автоматически отслеживается в COSMOSWorks. Русификация интерфейса облегчает освоение системы пользователями. Большое количество справочных пособий, учебных примеров и документации также увеличивает эффективность работы с системой.

Модуль COSMOSWorks 2005 позволяет решать следующие задачи:

• линейный статический анализ;

• определение собственных форм и частот колебаний;

• расчет критических сил потери устойчивости;

• тепловой анализ;

• статический анализ в нелинейной постановке задачи;

• расчет долговечности конструкции;

• расчет падения конструкции на абсолютно жесткую поверхность;

• оптимизация параметров конструкции.

Рассмотрим эти задачи более подробно на конкретном примере (рис. 6). При определении напряженно-деформированного состояния системы наиболее часто используется линейная постановка при неизменных нагрузках (линейная статика). COSMOSWorks, в отличие от COSMOSXpress, позволяет работать как с деталями, так и со сборками. При этом для сборочных узлов существует возможность применять различные типы контактных условий, то обеспечивает проведение того или иного вида анализа с различной точностью.

Поддержка конфигураций SolidWorks позволяет более гибко подходить к процессу проведения численных испытаний. Дополнительно в 2005-й версии стало возможным сравнивать результаты, полученные в COSMOSWorks, и данные реального физического эксперимента. Таким образом, можно корректировать расчетную модель для увеличения достоверности результатов.

Широкий спектр граничных условий и нагрузок COSMOSWorks разрешает пользователю моделировать практически любую ситуацию (рис. 7).

Стандартные действия по ограничению степеней свободы объединены в группы, описанные общетехническими терминами. Интеллектуальная система селектирования объектов автоматически предлагает пользователю наиболее рациональное граничное условие. В COSMOSWorks можно определить различные виды нагружения, начиная от стандартных для всех систем (силы, моменты, распределенные нагрузки, как постоянные, так и переменные)и заканчивая специальными. Ко второй группе можно отнести контактную нагрузку в паре «вал—отверстие»; учет осей, шпилек, болтов без их наличия в расчетной модели. Причем для болтового соединения можно учитывать усилие затяжки, что дает более точный результат.

В COSMOSWorks представлены различные типы конечных элементов, в том числе оболочечные и объемные элементы. Таким образом, для расчета тонкостенных конструкций можно использовать оболочечные элементы, что сократит вычислительные потребности при сохранении точности расчета. По умолчанию генерация конечно-элементной сетки идет в автоматическом режиме. К тому же пользователь может управлять не только настройками генератора, но и вручную указывать области, в которых необходимо достигнуть более высокого разрешения конечно-элементной сеткой (рис. 8).

Несколько слов о библиотеке материалов. Пользователь может применять как библиотеку материалов SolidWorks, так и свои собственные материалы COSMOSWorks. Если в детали или в сборке указаны физико-механические характеристики, то они будут автоматически добавлены в расчетную модель. Существует и возможность добавлять свои или редактировать существующие материалы с помощью специальной утилиты (рис. 9 и 10) или на лету.

В библиотеке COSMOSWorks можно задать материалы с изотропными, анизотропными, гиперупругими и нелинейными упругими свойствами. Для решения задач в пластической зоне имеются соответствующие модели материалов. Особенностью библиотеки является то, что пользователь может также воспользоваться специальным Web-ресурсом MatWeb, который содержит характеристики более 50 тыс. различных материалов.

Результатом прочностного анализа являются напряжения (эквивалентные, главные, нормальные и касательные), деформации и перемещения, реакции, запасы прочности (рис. 11). Любую из характеристик можно оценить в виде цветовых полей, построить эпюры или создать отчет.

С версии COSMOSWorks 2005 появилась возможность анализировать различные результаты в одном графическом окне (рис. 12 и 13).

В тепловом анализе возможно решение задачи теплопроводности в твердом теле. Расчет можно проводить для стационарного режима, при котором граничные условия остаются неизменными, либо указать временной диапазон, в котором будет происходить изменение того или иного параметра.

С 2005-й версии появилась дополнительная возможность задавать функциональную зависимость физико-механических характеристик материала от температуры. В ходе расчета определяется распределение и градиенты температур, тепловые потоки.

При создании новых конструкций часто возникают вопросы о расчете резонансных частот и совместимости между отдельными элементами изделия. Для решения подобных задач можно воспользоваться решателем по определению собственных форм и частот колебаний (рис. 14). В ходе данного расчета можно определить форму колебаний (количество мод определяется пользователем) и соответствующие им частоты.

Еще одной важной задачей, которую необходимо решить, является определение критических сил потери устойчивости системы, работающей на сжатие. Часто, особенно в тонкостенных конструкциях, данный вид расчета является определяющим при выборе геометрических размеров. COSMOSWorks позволяет рассчитать как общую, так и местную потерю устойчивости (рис. 15). В результате пользователь получает суммарный коэффициент запаса по потере устойчивости и ее форму.

Снижение веса конструкции, увеличение критических сил потери устойчивости и т.д. являются важнейшими задачами при создании современной техники. В COSMOSWorks имеется специализированный модуль для создания оптимальных конструкций. При решении этой задачи необходимо определить целевую функцию (масса, объем, частота и др.), для которой будет определяться минимум или максимум, проектные переменные (размеры, определенные в SolidWorks) и граничные условия (например, верхний и нижний пределы эквивалентных напряжений). В ходе расчета COSMOSWorks определит оптимальные размеры конструкции на заданном пространстве ограничений. Таким образом, в SolidWorks будет существовать два варианта модели — начальный и оптимальный. Конструктору останется только округлить размеры.

В COSMOSWorks 2005 появились два новых решателя. Один из них рассчитывает долговечность, определяет повреждаемость конструкции и т.д. (рис. 16), а другой позволяет решить задачу падения объекта на абсолютно жесткую поверхность, при этом пользователю достаточно выбрать высоту и скорость/ускорение падения. В результате расчета определяется напряженно-деформированное состояние конструкции как в момент удара, так и после него.

Данные, определенные в COSMOSWorks, не являются закрытыми. Конечно-элементную сетку, нагрузки, граничные условия и т.д. можно передать в наиболее распространенные CAE-системы: Nastran (*.dat), ANSYS (*.ans), IDEAS (*.unv) и др.

COSMOSMotion

Модуль COSMOSMotion предназначен для кинематического и динамического расчета системы. Так же как и COSMOSWorks, полностью интегрированный в SolidWorks, он наилучшим образом подходит для решения проектировочных задач.

COSMOSMotion работает со сборками SolidWorks. При подключении этого модуля можно в автоматическом режиме распознать компоненты сборки и сопряжения. При этом COSMOSMotion, основываясь на данных анализа, создает звенья и шарниры механизма. Модуль самостоятельно определяет, какие звенья неподвижны, а какие имеют степени свободы. Кроме того, пользователь в любой момент может добавить любой шарнир (рис. 17) или отредактировать существующий (например, добавить трение).

В качестве граничных условий используются такие объекты, как условие контакта, передаточное отношение, внешняя нагрузка, пружина, демпфер и др. Контакт может определяться следующими способами: перемещение точки по заданной кривой, движение одной кривой по другой, контакт с учетом реальных поверхностей (рис. 18).

Особенностью интерфейса COSMOSMotion является то, что пре- и постпроцессор являются контекстно зависимыми, то есть пользователю не нужно вызывать дополнительные команды для подключения той или иной функции.

Результаты (скорости, ускорения, положения центров масс звеньев и другие характеристики) определяются с помощью графиков или в табличном виде. При этом перемещение по оси абсцисс (оси времени) динамически сопровождается изменением положения механизма (рис. 19).

Некоторые параметры можно представить и с помощью масштабных векторов, которые характеризуют не только направление, но и величину. Для выбранных точек на модели можно построить трассы их перемещения (рис. 20).

После окончания расчета можно провести проверку сборки на конфликтность во всем временном диапазоне (рис. 21).

Данные COSMOSMotion, полученные при кинематическом и динамическом анализе, можно передать в COSMOSWorks для проведения прочностных расчетов.

COSMOSFloWorks

Данный программный продукт предназначен для решения сложных инженерных задач, связанных с тепломассопереносом. Актуальность решения вопросов, касающихся гидрогазодинамики огромна. Достаточно перечислить предметные области, где востребован программный комплекс COSMOSFloWorks, — это аэрокосмическая (рис. 22) и автомобильная промышленность, медицина, экология системы вентиляции и кондиционирования, и многие другие.

С помощью этого модуля возможно решение следующих задач:

• внутреннее течение и внешнего обтекания;

• теплопроводность и теплопередача;

• учет сжимаемости;

• ламинарные и турбулентные потоки;

• неньютоновские жидкости;

• пористые среды;

• учет шероховатости стенки и др.

Так же как и в вышеперечисленных модулях, работу с системой можно вести используя дерево элементов расчета или применяя мастер, который позволяет избежать ошибок (рис. 23).

Для корректной постановки задачи необходимо определить граничные условия (рис. 24). В COSMOSFloWorks можно задавать входные и выходные условия: объемный или массовый расход, скорость потока (по нормали к поверхности, вдоль вектора или с учетом закручивания), компоненты давления, напорные характеристики.

При решении тепловых задач существует возможность определить объемные и поверхностные источники тепла. В модуле COSMOSFloWorks также можно управлять компонентами сборки, указывая, будут ли они использованы в расчете или нет. С помощью таких объектов удобно определять специальные начальные условия.

Отдельно хотелось бы рассказать о работе с сеткой. Разбиение расчетного домена по умолчанию выполняется автоматически. По настроенным параметрам происходит разрешение существующей геометрии. Для этого при необходимости система производит дробление ячейки. Таким образом увеличивается точность аппроксимации геометрии. Однако пользователь может и самостоятельно управлять элементами сетки — как в ручном режиме, так и используя особенности геометрии (минимальный размер элемента конструкции, кривизну поверхности и т.д.) (рис. 25). Для разрешения геометрии, содержащей тонкостенные элементы в потоке, можно воспользоваться специализированным инструментарием.

COSMOSFloWorks имеет большой набор настроек решателя. Пользователь может задать, когда будет происходить дополнительное разбиение расчетной сетки, какие параметры и при каких условиях будут «заморожены», а также периодичность сохранения, критерий остановки расчета. Все эти опции позволяют более эффективно распределить процессорное время. Дополнительно можно использовать функцию SolidWorks «Служба задач», которая позволяет запустить одну или несколько задач в заданное время.

За ходом итерационного анализа можно следить с помощью монитора расчета. В режиме реального времени пользователь может контролировать величину и характер сходимости любого параметра. В качестве параметра может выступать любая физическая величина или размерный/безразмерный параметр, определенный в препроцессоре, например коэффициент лобового сопротивления или коэффициент потерь давления. Расчет можно приостановить либо выполнить команду его завершения, однако при этом его всегда можно продолжить с точки останова.

После выполнения поставленной задачи данные необходимо зачитать в COSMOSFloWorks и проанализировать их. Большой набор функций постпроцессора позволяет наиболее эффективно обработать результаты. Для анализа результатов можно использовать:

• секущую плоскость или серию плоскостей — как для потока, так и для твердого тела;

• построение так называемых 3D-профилей (рис. 26);

• вывод результатов на любой выбранной поверхности (рис. 27);

• построение изоповерхностей указанного параметра;

• визуализацию линий тока;

• расчет интегральных и локальных характеристик для выбранных поверхностей или объемов и т.п (рис. 28).

Если условия поставленной задачи требуют построения графиков, то COSMOSFloWorks предоставляет и такую возможность. Пользователю достаточно указать справочную ось (ось абсцисс) и те параметры, для которых необходимо выполнить построение, а система в полностью автоматическом режиме экспортирует данные в Microsoft Excel и построит необходимые графики (рис. 29).

Особо хотелось бы отметить связь COSMOSFloWorks и Microsoft Office. Создатели COSMOSFloWorks обеспечили наиболее полную интеграцию между этими программными комплексами. Как уже говорилось, построение графиков и передача данных для дальнейшей обработки в Microsoft Excel осуществляются очень быстро. Также пользователь может настроить шаблон Microsoft Word под стандарт конкретного предприятия и выпускать в автоматическом режиме отчеты по результатам расчета в COSMOSFloWorks.

Начиная с версии COSMOSFloWorks 2005 пользователь может проводить параметрические расчеты для проверки альтернативных вариантов конструкции. В качестве параметров могут быть использованы как размеры модели SolidWorks, так и начальные и граничные условия COSMOSFloWorks.

Для удобства работы в COSMOSFloWorks создано несколько дополнительных утилит. Прежде всего это инженерная база данных, предназначенная для работы с такими объектами программы, как свойства материалов, системы измерения и т.д. Удобный интерфейс, оптимальное начальное наполнение этой базы позволяют при необходимости быстро изменить или добавить нужные характеристики. Также в поставку входит специализированный калькулятор, с помощью которого пользователь может, не обращаясь к справочной литературе, быстро рассчитать стандартные формулы гидрогазодинамики, например числа Рейнольдса, Струхаля, относительную скорость и т.д. (рис. 30). Ячейки калькулятора, который выполнен в стиле Microsoft Excel, можно связать с параметрами, хранящимися в инженерной базе данных COSMOSFloWorks.

Заключение

Создание сложных технических систем ставит перед проектировщиком целый комплекс задач. Жесткие экономические требования, предъявляемые к современным конструкциям, вынуждают конструкторов и расчетчиков использовать новые технологии. Решения, о которых было рассказано в настоящей статье, как нельзя лучше отвечают запросам отечественной промышленности. За более подробной информацией обращайтесь в компанию SolidWorks-Russia.


Олег Абашев

Технический специалист CAD/CAM/CAE-компании SolidWorks-Russia.

В начало В начало

«САПР и графика» 4'2005