Средства для проведения и анализа натурных испытаний от компании SCAN

Константин Евченко

Мы продолжаем серию статей о программных продуктах американских компаний Structural Dynamics Research Corporation (SDRC) и MTS Systems Corporation (MTS) — разработчиков высокоуровневой САПР I-DEAS. Речь пойдет главным образом о пакете I-DEAS Test, предназначенном для сбора и обработки экспериментальных данных. Напоминаем читателям, что более двух лет назад пакет I-DEAS Test был продан компании MTS.

На российском рынке CAD/CAM/CAE-система I-DEAS и PDM-комплекс Metaphase Enterprise продвигаются системным интегратором — компанией SCAN.

Современные CAD/CAM/CAE-системы высокого уровня различных фирм-разработчиков близки по своему функциональному наполнению. Своего рода джентльменским набором стало наличие модулей прочностного анализа, подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, а также системы управления проектом. Все высокоуровневые системы с одинаковым успехом справляются с созданием сложной геометрии, и сегодня бессмысленно спорить о том, какое геометрическое ядро более совершенно. Неискушенному пользователю может даже показаться, что основное различие между «тяжелыми» системами заключается в пользовательском интерфейсе. Между тем функциональные различия высокоуровневых САПР начинают проявлять себя при так называемом сквозном проектировании, когда изделие разрабатывается от эскиза до серийного образца. Поэтому очень важно изначально выбрать именно тот CAD/CAM/CAE/PDM-комплекс, который позволит замкнуть процесс проектирования в единый цикл, охватив своими возможностями все задачи разработки изделия.

Проектирование сложных изделий в высокотехнологичных отраслях промышленности помимо прочего включает в себя проведение различного рода натурных испытаний — будь то ресурсные испытания изделия либо оценка его виброакустических характеристик. Натурные испытания, как правило, имитируют эксплуатацию изделия на критических режимах работы. Для имитации внешних воздействий используются различные устройства, которыми необходимо активно управлять. На этом этапе проектант должен решить вопрос увязки цифровой модели изделия с его реальным прототипом. При этом неизбежно возникает проблема обработки информации о режимах нагружения изделия, ее последующего анализа и отображения на математической модели.

Для обработки и анализа информации по рабочим режимам могут использоваться самые различные средства, начиная от инженерного калькулятора и заканчивая специализированным программным обеспечением. Но для сбора и предварительной обработки данных не обойтись без автоматизированных программно-аппаратных комплексов. По оценкам специалистов, автоматизация процесса сбора и предварительной обработки экспериментальных данных позволяет многократно снизить временные затраты на этом этапе разработки изделия. В современной экономике временной ресурс является одним из определяющих, и в ряде случаев его затраты могут быть даже критичнее, чем финансовые показатели проекта.

О возможностях САПР I-DEAS в области задач испытаний нам рассказал менеджер компании SCAN канд. техн. наук Леонид Михайлович Аксенов:

— Наша компания предоставляет своим клиентам полный спектр аппаратных и программных средств для разработки механических и электронных изделий, их расчета и анализа, постановки на производство, а также испытаний опытных образцов и готовых изделий. Эти средства включают:

• компьютерное оборудование Hewlett-Packard, в том числе UNIX- и NT-серверы, сетевое оборудование, графические рабочие станции и периферийное оборудование;
• сетевое оборудование Cisco;
• программный комплекс I-DEAS Master Series для автоматизации разработки механических изделий, в том числе трехмерное проектирование, конечно-элементный анализ, подготовка программ для станков с ЧПУ и обработка экспериментальных данных;
• программный комплекс Mentor Graphics для автоматизации проектирования чипов, печатных плат и электронных изделий;
• сервогидравлическое испытательное оборудование компании MTS Systems (крутильные и линейные гидравлические нагружающие цилиндры, гидравлические станции, виброплатформы с шестью степенями свободы, гидравлические машины для испытания материалов и деталей, управляющие контроллеры и другое оборудование) и соответствующее программное обеспечение для проведения различных видов испытаний;
• программное обеспечение I-DEAS Pro компании MTS Systems для накопления и обработки экспериментальных данных;
• измерительное оборудование фирм Agilent Technologies, National Instruments, Bruel&Kjaer;
• цифровые регистраторы на магнитной ленте Sony Precision Technology;
• датчики, усилители и измерительное оборудование фирмы Bruel&Kjaer и других компаний.

Сегодня мне хотелось бы подробно рассказать о возможностях модулей пакета I-DEAS Pro фирмы MTS Systems, предназначенного для накопления и обработки экспериментальных данных.

Базовые возможности изображения, управления данными и обработки сигналов реализованы в модуле Core Test, который может выполнять следующие функции:

• графическое изображение функций. Интерфейс пользователя предоставляет высокопроизводительные возможности для построения двухмерных и трехмерных графиков таких функциональных данных, как спектры, передаточные функции, временные истории и т.д.;
• обработку и изображение временных историй. Задача Time History (Временная история) обеспечивает управление и обработку записей временных историй, хранящихся в файле. Записи процессов могут быть многоканальными и неограниченными по размеру, с равномерным и неравномерным шагом по времени. Пользователь может выполнить прореживание/интерполяцию сигнала, его цифровую фильтрацию, а также математические операции с временными историями;
• изображение данных на существующей геометрической модели для обеспечения эффективного способа анализа результатов испытаний;
• математические операции с функциями. Многочисленные математические операции обеспечивают гибкие возможности для адаптации обработки наборов функциональных данных, таких как спектры, частотные передаточные функции, порядковые составляющие и т.д.;
• обработку гистограмм с целью визуализации частоты событий процесса в соответствии с выбранным методом схематизации;
• предоставление доступа к данным и управление информацией;
• структурирование данных.

Отмечу, что все прикладные модули I-DEAS Test содержат новые эффективные средства для увеличения производительности лабораторий, учитывающие их потребности. Предоставляются широкие, легкие в использовании возможности управления данными для поиска и вызова записей данных из дисковых файлов. Эти возможности являются продуктивными при работе как с небольшими файлами, так и с обширными наборами данных из множества файлов.

I-DEAS Test имеет открытую архитектуру. Включена библиотека полностью документированных подпрограмм на языках Fortran и С для записи и чтения большого количества форматов данных. Предоставляются средства для разработки связей с внешними программами, которые могут быть выполнены при помощи модуля I-DEAS Open Test.

I-DEAS Core Test использует многие ключевые особенности I-DEAS Master Series, включая управляемый пиктограммами интерфейс пользователя, программируемость, получение твердых копий и on-line систему документирования I-DEAS Smart View. Эти общие возможности изображения и управления данными позволяют более эффективно использовать результаты испытаний во всех подразделениях предприятия.

На базе I-DEAS Test мы предлагаем программные модули, предназначенные для решения специализированных задач и охватывающие широкий спектр областей натурных испытаний.

• Standard Measurement — управление измерительной системой для накопления и обработки сигналов в реальном режиме времени. Предоставляет инженерам-исследователям всеобъемлющие возможности для накопления в реальном режиме времени данных для модального анализа и применений, использующих спектры и временные истории.
• Transient Measurements — управление измерительной системой для накопления и обработки переходных процессов в реальном режиме времени для изменяющихся по времени или скорости вращения данных с фиксированной частотой дискретизации. Основной областью применения является порядковый анализ с фиксированной частотой дискретизации с включением специальных особенностей обработки данных для вращающихся машин, где скорость вращения меняется во времени. Мощь интерфейса пользователя I-DEAS совместно с уникальными средствами оперирования данными на основе геометрической модели обеспечивает уникальный уровень организации и легкости использования продукта.
• Order Tracking Measurements — порядковый анализ данных в реальном режиме времени с синхронной дискретизацией для вращающихся машин в реальном режиме времени. Используются все возможности аппаратных средств накопления данных для обеспечения максимальной эффективности измерений.
• Sine Measurements — управление измерительной системой для накопления и обработки гармонических сигналов в реальном режиме времени. Модуль измеряет отклик конструкции на синусоидальное возбуждение, чтобы создать спектры, спектральные матрицы или передаточные функции. Измерения могут быть для одно- и многоточечного возбуждения.
• Acoustic Intensity Measurements — интегрированные измерения в реальном режиме времени акустической интенсивности от пары микрофонов. Методы акустической интенсивности являются полезными для определения источников шума и предоставляют возможность проводить измерения практически в любом месте и без применения специальных средств, например безэховой камеры.
• Standard Post Processing — спектральная обработка временных историй предоставляет инженерам-исследователям и аналитикам возможности для преобразования замеренных временных историй, хранящихся в файлах, в спектры и другие формы представления данных в частотной области.
• Transient Post Processing — обработка переходных процессов. Основное применение — проведение порядкового анализа в акустике, где сбор экспериментальных данных осуществляется с вращающихся машин, причем скорость вращения изменяется во времени.
• Modal Analysis — обработка и отображение модальных экспериментальных данных.
• Correlation — корреляция данных конечно-элементного анализа и экспериментального модального анализа. Предоставляет исчерпывающие возможности для сравнения результатов конечно-элементного динамического расчета и экспериментального модального анализа.
• Structural Modification — оценка влияния базовых структурных изменений на исследуемую конструкцию. Расчет чувствительности позволяет определить физические места конструкции, которые являются наиболее восприимчивыми к тем или иным структурным изменениям. Для этого используется математическая модель, воспроизводящая динамические характеристики конструкции через ее моды вибраций. Эти моды вибраций выражаются в виде наборов резонансных частот, характеристик демпфирования, модальных жесткостей и форм колебаний. Модуль обычно используется в тех случаях, когда модальная модель, воспроизводящая конструкцию, получена по экспериментально замеренным передаточным функциям. Кроме того, эта модальная модель может быть разработана по результатам конечно-элементного анализа.
• Noise Path Analysis — анализ путей передачи структурного шума и ранжирование отдельных путей. Применяемая технология позволяет пользователю разработать базу данных для экспериментального анализа путей передачи шума с целью улучшения характеристик шума и вибраций. При установленной взаимосвязи между характеристиками неприятного звука и конструктивными особенностями изделия начинается разработка инженерного решения.
• CORDS — корректирование конечно-элементной модели по результатам экспериментального модального анализа. Используются методы анализа чувствительности модели и ее оптимизации для идентификации изменений модели, которые минимизируют разницу между результатами расчета и испытаний.
• Fatigue — оценка усталостной долговечности конструкции по экспериментальным данным.
• Vibro-Acoustics — модуль для анализа шума и вибраций виртуальных прототипов конструкции. Он предназначен для численного моделирования и анализа виброакустических задач.
• Measurement Hardware Interfaces — управление измерительными системами и сбор экспериментальных данных. Поставляются драйверы для различных измерительных систем ведущих мировых производителей. Вы можете накапливать, манипулировать, обрабатывать, хранить и управлять данными через один интерфейс.

Хочется подчеркнуть, что компания SCAN имеет большой практический опыт внедрения своих решений на высокотехнологичное производство. С 1995 года мы ведем оснащение ГКНПЦ им. М.В.Хруничева новейшими программно-аппаратными комплексами для всего цикла производства. В качестве аппаратной платформы используется оборудование Hewlett-Packard, в качестве САПР — система I-DEAS Master Series, на базе которой был создан многопользовательский комплекс, позволяющий большому количеству специалистов различных профилей и административного подчинения выполнять параллельную групповую работу. В итоге было достигнуто сквозное проектирование изделий.

В 1997 году совместными усилиями ОКБ «Салют» и SCAN был в веден в эксплуатацию комплекс приема и обработки телеметрической информации с космических летательных аппаратов. Этот комплекс тесно связан с электронным проектированием и расчетом изделия и функционирует с ним на единой информационной основе. В 1998 году был подготовлен к эксплуатации комплекс для сбора данных и управления наземно-стендовыми испытаниями.

Эксплуатация предлагаемого компанией SCAN программно-аппаратного комплекса при решении различных задач демонстрирует чрезвычайно высокую степень соответствия результатов математического моделирования результатам реальных испытаний — как стендовых, так и эксплуатационных.

Программный комплекс для обработки экспериментальных данных MTS I-DEAS Test успешно применяется во многих западных компаниях, а также на предприятиях стран СНГ, таких как ГАЗ, ВАЗ, Минский завод колесных тягачей, Институт машиноведения Академии наук РФ и многих других.

«САПР и графика» 11'2001