Процесс компьютерного проектирования

Владимир Шелофаст

Процесс внедрения компьютерного проектирования, который начался в России, коснулся прежде всего оформления графической документации. Однако вопросам анализа различных параметров машин, механизмов и конструкций по сей день не уделяется должного внимания. Подобный подход к проектированию неизбежно приводит к принятию непродуманных и непросчитанных решений. Это сказывается на качестве выпускаемой предприятиями продукции. А выпуск не только дешевой, но и высококачественной продукции возможен только при использовании современных компьютерных систем расчета и анализа. Продукты такого назначения принято называть CAE-системами.

По своему назначению CAE-системы очень разнообразны. Однако среди них можно выделить группу пользующихся наибольшим спросом и широко представленных на мировом и российском рынках программного обеспечения. Прежде всего это инструменты конечно-элементного анализа (FEM). Подобные программные средства позволяют решать проблемы расчетов на прочность и жесткость, задачи теплового анализа, а также задачи безвихревого течения жидкости и расчета напряжений электростатических полей.

Дело в том, что, хотя перечисленные выше задачи различны, все их можно описать структурно подобными системами уравнений. Такое структурное подобие позволяет решить все перечисленные задачи одними методами с точностью до произвольных постоянных. Это обстоятельство помогло Герцу, специалисту по электростатическим полям, успешно решить ряд задач механики твердого деформированного тела. Оказалось, что электростатические поля ведут себя так же, как и поля напряжений в контакте двух твердых тел. Задача контактного взаимодействия таких тел получила название задача Герца.

К сожалению, приходится констатировать, что на рынке конечно-элементных систем нет полноценных российских аналогов известных западных продуктов, работающих в этой области не один десяток лет. И причина этого не в том, что в России нет математиков, способных решать подобного рода задачи. Дело скорее в другом.

Задача конечно-элементного анализа может быть представлена как набор из четырех независимых задач. Во-первых, это геометрическое представление трехмерного объекта. Во-вторых — разбивка полученного объекта на конечные элементы. Только после этого объект, смоделированный в виде совокупности конечных элементов, можно рассчитать, конечно, при помощи соответствующего средства — так называемого решателя, это в-третьих. И наконец, в-четвертых, полученные в результате решения значения необходимо еще просмотреть и распечатать. Для этих целей обычно используют постпроцессор-визуализатор, который также можно представить в виде отдельного продукта (рис. 1).

Таким образом, для полноценного конечно-элементного пакета одного решателя недостаточно, необходимы еще и трехмерная графика и все другие указанные компоненты.

Итак, мы выяснили, что проведение инженерных расчетов — это комплексная задача, требующая наличия множества современных программных инструментов.

Перечислю ряд систем конечно-элементного анализа западного производства, достаточно широко представленных на российском рынке. Это Nastran, Cosmos, ANSYS. Кроме того, конечно-элементные решения, как правило, присутствуют и в системах сквозного проектирования (CAD/CAE/CAM). Вот некоторые из них: Pro/Engineer, CATIA, Unigraphics.

С помощью современных CAE-систем можно решить широкий круг задач. Помимо перечисленных выше это, например, определение некоторых параметров оборудования, которые в дальнейшем можно использовать для анализа и оптимизации конструкции. Метод конечных элементов применим и к большому числу технологических задач. Это задачи нелинейного пластического деформирования при штамповке и ковке, задачи теплопередачи при охлаждении литейных форм, задачи пластического деформирования при обработке металлов резанием и т.д. Очевидно, что таких задач очень много. На некоторых из них следует остановиться особо. Прежде всего это проблемы кинематического и динамического анализа машин и конструкций.

Говоря о кинематике механизмов, следует сказать, что около 60% мирового рынка обслуживает система ADEMS, которую не следует путать с российской CAD/CAM-системой ADEM, имеющей совсем другое назначение. Собственные колебания систем и расчеты динамики в условиях вынужденного нагружения можно выполнить с использованием пакетов конечно-элементного анализа. Большинство из них позволяют решать также и задачи динамического анализа.

Сразу необходимо отметить, что все перечисленные выше программные продукты довольно дороги. Их стоимость исчисляется десятками тысяч долларов. Такую роскошь может позволить себе только очень крупное и достаточно благополучное предприятие. А как быть остальным? Здесь я могу рекомендовать разработки российских компаний.

Отечественные производители начали заниматься этими проблемами много позже и, что еще более важно, в совершенно иных финансовых условиях. Кроме того, CAE-системы объективно менее распространены, поскольку решают более узкий круг задач и, следовательно, количество их потенциальных пользователей существенно меньше, чем CAD-пакетов. В то же время разработка таких программных продуктов требует высочайшей квалификации и поэтому обходится довольно дорого. Решения в этой области наукоемки и по уровню предъявляемых к ним требований равносильны кандидатским и даже докторским диссертациям. По этой причине российский рынок CAE-систем достаточно скуден. Но хотя производителей CAE-систем в России не так много и сделано ими меньше, созданные программные средства можно успешно использовать для расчета и анализа.

Например, хороший решатель конечно-элементных задач сделан в системе ИСПА. Справедливости ради нужно сказать, что эта система не лишена недостатков — у нее несовершенная и несовременная система подготовки данных.

Есть также единичные установки отечественных пакетов «Диана», ПОЛИНА и «Риман». К сожалению, информации от их пользователей не имею. Из продуктов динамического анализа можно также отметить российскую разработку, известную под названием Euler.

Конечно, есть и другие продукты CAE-анализа, но у них очень узкая специализация.

Наиболее распространенным продуктом этого класса представляется система APM WinMachine. Остановимся на ней более подробно, поскольку эта система представляет собой совокупность общеинженерных и общенаучных инструментов проектирования. Следует отметить, что при разработке содержательной части системы APM WinMachine был использован уникальный опыт отечественного конструирования машин, который был обобщен, осмыслен, дополнен собственными оригинальными разработками и реализован в виде комплекса компьютерных программ, которые составляют инструментальную основу проектирования и по большинству параметров не имеют мировых аналогов (рис. 2).

Инструментально-экспертная система APM WinMachine представляет собой энциклопедию по машиностроению, включающую в себя инструменты и программы для автоматизированного расчета и проектирования деталей машин, механизмов, элементов конструкций и узлов. Кроме того, она имеет современные графические средства, встроенные базы данных, необходимую информационную базу, разветвленную систему подсказок и фундаментальный электронный учебник по основам проектирования машин.

APM WinMachine содержит современные, эффективные и надежные алгоритмы и программы для расчета:

• энергетических и кинематических параметров;
• прочности, жесткости и устойчивости;
• выносливости при переменных режимах нагружения;
• вероятности, надежности и износостойкости;
• динамических характеристик.

Помимо этого APM WinMachine имеет набор инструментальных средств расчета и анализа. Эти средства, а также проектируемые детали в зависимости от назначения разделены на подсистемы (модули), которые могут функционировать как в составе системы, так и самостоятельно.

Все это образует единый комплекс APM WinMachine, в который входят следующие подсистемы:

• WinJoint — подсистема расчета и проектирования соединений деталей машин и элементов конструкций, которая позволяет выполнить комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения;
• WinTrans — подсистема проектирования передач вращения, предназначенная для расчета всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач и выполнения чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме;
• WinScrew — подсистема для расчета неидеальных передач поступательного движения, позволяющая рассчитать винтовые передачи скольжения, шарико-винтовые и планетарные винтовые передачи;
• WinBear — подсистема расчета неидеальных подшипников качения для проведения комплексного анализа опор качения всех известных типов;
• WinPlain — подсистема расчета и анализа радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения;
• WinShaft — подсистема расчета, анализа и проектирования валов и осей;
• WinDrive — подсистема расчета и проектирования привода произвольной структуры и планетарных передач;
• WinSpring — подсистема расчета и проектирования пружин и других упругих элементов машин, позволяющая рассчитать и вычертить пружины сжатия, растяжения и кручения, плоские пружины, а также тарельчатые пружины и торсионы;
• WinCam — подсистема расчета и проектирования кулачковых и мальтийских механизмов с автоматическим генератором чертежей;
• WinSlider — подсистема расчета и проектирования рычажных механизмов произвольной структуры;
• WinBeam — подсистема расчета и проектирования балочных элементов конструкций;
• WinTruss — подсистема расчета и проектирования плоских ферменных конструкций методом конечных элементов;
• WinFEM2D — подсистема расчета напряженно-деформированного состояния плоских деталей методом конечных элементов;
• WinFrame3D — подсистема расчета напряженно-деформированного состояния трехмерных рамных конструкций;
• WinStructure3D — подсистема расчета и проектирования пластинчатых, оболочечных и стержневых конструкций и их произвольных комбинаций;
• WinGraph — подсистема оформления графической документации, включающая в себя инструменты для параметризации и набор библиотек стандартных деталей и инструменты для обмена графической информацией;
• WinData — подсистема хранения и редактирования стандартных и информационных данных, необходимых для функционирования каждой из перечисленных выше подсистем;
• MDM — электронный учебник «Основы проектирования машин», в котором изложены основные методы расчета, использованные при разработке системы.

Каждая подсистема предоставляет пользователю интегрированную среду, которая в общем случае включает в себя:

• специализированный графический редактор;
• полный цикл вычислений;
• разнообразные средства представления результатов расчета;
• встроенные базы данных (рис. 3).

По цене система доступна даже для небольших предприятий и организаций. Кроме того, она бесплатно предоставляется во временное пользование сроком на один месяц. Так что, прежде чем выбрать ту или иную CAE-систему, каждую из них следует внимательно изучить.

«САПР и графика» 11'2000