5.1 Современные cae-модули
По прогнозу аналитиков в ближайшие годы количество пользователей компьютерных систем инженерного анализа (Computer-Aided Engineering, CAE) вырастет вдвое [10]. CAE-программы являются частью средств управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM). Уже сейчас около 25% инвестиций в PLM приходится на долю CAE, и эта часть будет увеличиваться, так как по темпу годового роста сегмент инженерного анализа опережает рынок PLM в целом.
Главные причины бума в области CAE - быстрый рост вычислительной мощности компьютеров и признание роли компьютерного моделирования для повышения качества продукции, ускорения выпуска новых изделий и снижения затрат на разработку. В течение длительного времени предприятия скептически относились к системам CAE, считая результаты традиционных методик расчета более точными. Тем не менее, растёт число проектов, обязанных своим успехом применению CAE, а у производственников расширяется опыт работы с новыми технологиями. Кроме того, CAE-продукты становятся удобнее в эксплуатации. Огромное значение имеет и то, что совершенствование аналитического ПО сопровождается снижением стоимости и повышением доступности высокопроизводительных компьютеров, так как инженерные расчёты требуют большой вычислительной мощности. Раньше для них были нужны мощные серверы и специализированные рабочие станции, а теперь достаточно настольных ПК. Более того, те расчёты, которые прежде требовали нескольких дней или недель, теперь выполняются за пару часов. По мнению аналитиков, рынок CAE может расти быстрее, чем на 10% в год. Дело в том, что возможности этой технологии выходят за рамки простого повышения производительности труда конструкторов. Она позволяет ускорить выпуск продукции в продажу, снизить затраты на гарантийное обслуживание и, что самое главное, производить изделия лучшего качества, которые реже ломаются и более безопасны. Самые передовые предприятия уже сейчас считают внедрение CAE задачей номер один. Однако подавляющее большинство западных производственников не торопятся с переходом на эту технологию. Дело в том, что любое нововведение вызывает перемены в привычном стиле работы, связано с неизбежным риском и заставляет решать множество вопросов. Основные вопросы: - Как узнать, что сотрудники правильно интерпретируют результаты моделирования?
- Способно ли виртуальное моделирование заменить стендовые испытания?
- Хватит ли у сотрудников опыта и образования, чтобы использовать CAE?
- Захотят ли сотрудники выполнять новую работу?
Чтобы оценить перспективы CAE, необходимо вспомнить, какие технологии вызывали в прошлом аналогичные революционные перемены. Например, 35 лет назад Национальный научный фонд США назвал появление систем автоматизированного проектирования (Computer – Aided Design, CAD) самым выдающимся событием с точки зрения повышения производительности труда со времён изобретения электричества. Тогда наиболее прозорливые руководители, поверившие в огромный потенциал CAD, буквально «пробивали» внедрение новой технологии на своих предприятиях, преодолевая сопротивление сотрудников, которое объясняется тем, что людям, совершенно не знакомым с компьютером, приходилось коренным образом менять привычные способы работы и оставлять без применения почти весь накопленный опыт. Тем не менее, их удалось убедить в преимуществах новой технологии и уговорить пройти длительную переподготовку. Можно быть уверенными, что САЕ-системы имеют большие перспективы для распространения.
По результатам 2006 года можно выделить 5 лидеров, годовой доход которых от продажи САЕ-систем и технологий составил более 100 млн.долл.: ANSYS (263.6 млн.долл.); MSC Software (259.7 млн.долл.); Dassalt Systems (200 млн.долл.); LMS International (120 млн.долл.); UGS (100 млн.долл.).
Потребителями САЕ-технологий при разработке инновационных изделий в настоящее время являются многие отрасли промышленности: оборонная промышленность, аэрокосмическая промышленность, автомобильная промышленность, энергетика, машиностроение и станкостроение, судостроение, полупроводниковая промышленность, телекоммуникационная отрасль, производство научного оборудования, гражданское и промышленное строительство, производство систем отопления, вентиляции, кондиционирования и холодильных установок, химическая промышленность, фармацевтическая промышленность, разработка и применение биотехнологий, медицинская промышленность, производство товаров массового потребления, разработка изделий и технологий, ориентированных на охрану окружающей среды.
Важными направлениями развития САЕ-технологий, прогресс в которых будет способствовать расширению возможностей и сферы внедрения САЕ, являются следующие: - развитие методов решения междисциплинарных задач моделирования, в том числе - разработка и расширение возможностей платформ для интеграции различных САЕ-систем при решении междисциплинарных задач;
- улучшение интероперабельности САЕ- и CAD-систем, а также интеграция CAE-систем в PLM-решения;
- развитие методов построения расчетных сеток;
- совершенствование методов описания граничных условий;
- совершенствование моделей, используемых для описания свойств материалов;
- развитие методов параллельных вычислений при решении сеточных уранвений;
- оптимизация САЕ-систем для работы на компьютерных платформах с 64-битными и многоядерными процессорами с целью обеспечить моделирование сложных моделей с экстремально бльшим числом степеней свободы.
5.2 COSMOSXpress [11]
Одним из самых распространенных интегрированных СAE-модулей является COSMOSXpress, входящий в состав САПР SolidWorks. COSMOSXpress обладает достаточно ограниченным набором возможностей, однако их вполне может хватить для большинства конструкторов и технологов
После создания проекта в SolidWorks, возможно, потребуется ответить на некоторые вопросы, например:
Может ли деталь сломаться?
Каким образом она будет деформирована?
Можно ли использовать меньший объем материала без ущерба эксплуатационным характеристикам?
В отсутствие инструментов анализа на эти вопросы можно ответить, только пройдя все дорогостоящие и занимающие массу времени циклы разработки изделия. Цикл разработки изделия обычно включает следующие этапы:
построение модели в системе автоматизированного проектирования SolidWorks;
создание опытного образца проекта;
производственные испытания опытного образца;
оценка результатов производственных испытаний;
изменение проекта на основе результатов производственных испытаний.
Этот процесс продолжается до получения удовлетворительного решения. С помощью анализа можно выполнить следующие задачи:
снизить затраты, выполнив тестирование модели на компьютере, а не в процессе дорогостоящих производственных испытаний;
сократить время, необходимое для представления продуктов на рынок, путем уменьшения количества циклов разработки изделия;
оптимизировать проект, быстро смоделировав нескольких концепций и сценариев перед принятием окончательного решения и отведя большее время на обдумывание новых проектов.
Анализ напряжений. В процессе анализа напряжений или статического анализа на основе материала, ограничений и нагрузок рассчитываются перемещения, нагрузки и напряжения в детали. Материал разрушается, когда напряжение достигнет определенного уровня. Разные материалы разрушаются при различных уровнях напряжения. Для расчета напряжений COSMOSXpress использует линейный статический анализ на основе метода конечных элементов.
Метод конечных элементов (FEM) - это надежный численный метод для анализа задач по проектированию. FEM разбивает сложную задачу на несколько простых. В нем модель делится на несколько простых форм, называемых элементами (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1
Элементы имеют общие точки, называемые узлами (рисунок 5.2). Поведение этих элементов хорошо известно при любых возможных сценариях с использованием опор и приложением нагрузок. Движение каждого узла полностью описывается перемещениями в направлениях X, Y и Z. Они называются степенями свободы (DOF). Анализ с использованием метода FEM называется анализом конечных элементов (FEA).
Рисунок 5.2
На рисунке 5.2 представлено разбиение объекта на тетраэдральные элементы. Красные точки обозначают узлы элемента. Кромки элементов могут быть изогнутыми или прямыми
COSMOSXpress составляет уравнения, управляющие поведением каждого элемента и учитывающие его связи с другими элементами. Эти уравнения устанавливают взаимосвязь между перемещениями и известными свойствами материалов, ограничениями и нагрузками.
Затем программа преобразует уравнения в большую систему алгебраических уравнений. Решающая программа обнаруживает перемещения в направлениях X, Y и Z в каждом узле.
Используя перемещения, программа рассчитывает нагрузки, действующие в различных направлениях. Наконец, программа использует математические выражения для расчета напряжений.
Деформация.Деформация - это отношение изменения длины δL к исходной длине L (рисунок 5.3). Деформация - это безразмерная величина.
Рисунок 5.3
Деформация = δ L / L