2.5. Специализированное программное обеспечение инженерного анализа (cae)

Специализированное программное обеспечение инженерного анализа задач, присущих созданию наукоемких изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации разносторонним и во многих случаях многократным нагрузкам, позволяет сократить затраты на их разработку и доводку с обеспечением требуемой надежности. Фактическим пионером создания ведущих программных продуктов CAE, первый из которых (Nastran) был разработан по поступившему в 1960 году заказу аэрокосмического научно-исследовательского центра США NASA, является компания MSC.Software.Corp., основанная двумя возглавлявшими разработку учеными – Мак’Нилом (MacNeal) и Швендлером (Schwendler).

MSC.Nastran

MSC.Nastran инсталлируется на персональные компьютеры, обладающие достаточными ресурсами, профессиональные рабочие станции и супер-компьютеры, предусматривает возможность векторной и параллельной обработки данных на компьютерах, поддерживающих эти функции. Постоянно развиваясь, аккумулирует в себе достоинства новейших методик и алгоритмов, являясь ведущим программным продуктом конечно-элементного анализа [22].

На основе возможностей автоматического рестарта в MSC.Nastran проводятся сложные многошаговые исследования работы конструкции как при изменении условий нагружения, граничных условий и прочих параметров исследуемой конструкции, так и при переходе от одного вида анализа к другому.

Численные методы разреженных матриц, используемые при любом виде расчета, существенно повышают скорость вычислений и минимизируют объем требуемой дисковой памяти, что повышает эффективность обработки данных.

Тесное взаимодействие MSC.Nastran с MSC.Patran (универсальный пре- и постпроцессор) обеспечивает полностью интегрированную среду для моделирования и анализа результатов.

Все ведущие производители пре- и постпроцессоров, а также систем компьютеризованного проектирования предусматривают прямые интерфейсы с этой системой. В результате MSC.Nastran гибко интегрируется в любую среду проектирования.

MSC.Nastran обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие.

Расширенные функции включают технологию суперэлементов (подконструкций), модальный синтез и макроязык DMAP для создания пользовательских приложений.

Наряду с расчетом конструкций MSC.Nastran может использоваться для оптимизации проектов. Оптимизация проводится для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических переходных процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. Все это делается одновременно путем вариации параметров формы, размеров и свойств конструкции. Эффективные алгоритмы оптимизации обрабатывают любое возможное количество проектных параметров и ограничений. Масса, напряжения, перемещения, собственные частоты и другие характеристики могут рассматриваться в качестве целевых функций проекта (в этом случае их можно минимизировать или максимизировать) либо в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения.

Возможности функции оптимизации позволяют использовать MSC.Nastran для автоматической идентификации компьютерной расчетной модели и эксперимента. Целевая функция определяется в виде минимизации рассогласования результатов расчета и эксперимента, в качестве варьируемых параметров выбираются наименее достоверные расчетные параметры конструкции. Как результат оптимизации MSC.Nastran выдает новую компьютерную модель, соответствующую экспериментальной модели. MSC.Nastran – единственный конечно-элементный программный продукт, способный выполнять это автоматически.

MSC.Nastran обеспечивает функцию оптимизации конструкции с неограниченными изменениями ее геометрической формы (изменение геометрической топологии объекта) при минимизации массы и удовлетворении граничным условиям по прочности. Эта функция позволяет использовать MSC.Nastran для автоматического проектирования силовых схем конструкций, когда на основе массивной заготовки автоматически создается оптимальная конструкция, максимально удовлетворяющая заданным условиям.

Кроме того, MSC.Nastran применяется для планирования экспериментов (определения мест расположения датчиков) и оценки полноты полученных экспериментальных данных. С его помощью решаются также задачи моделирования систем управления, систем терморегулирования с учетом воздействия этих систем на конструкцию.

MSC.Patran

MSC.Patran – интегрирующая среда систем проектирования, моделирования и анализа на основе современного графического пользовательского интерфейса.

MSC.Patran обеспечивает интеграцию компьютеризованных систем проектирования, моделирования, анализа и оценки результатов, необходимых для исследования работоспособности изделий на стадиях проектирования, производства и эксплуатации. Кроме интерфейсов с ведущими системами, MSC.Patran располагает собственными мощными средствами анализа: THERMAL (анализ тепловых процессов и гидравлических цепей), LAMINATE MODELER (проектирование композиционных конструкций), ANALISIS MANAGER (многофункциональная система, управляющая процессом выполнения задач).

Возможность использования данных по материалам обеспечивается через прямой интерфейс с системой MSC.Mvision.

MSC.Patran обеспечивает наилучшее решение задач создания расчетной модели и обработки результатов. Степень автоматизации и гибкость генерации конечно-элементной сетки превосходят возможности любой другой системы. Нагрузочные и граничные условия могут быть увязаны с геометрией, а также с конечно-элементной сеткой. Изоповерхности и другие усовершенствованные средства визуализации помогают ускорить оценку результатов и повысить качество этой оценки. Кроме того, широкие возможности языка Patran Command Language (PCL) позволяют адаптировать все упомянутые функции к конкретным требованиям пользователя.

MSC.Patran предоставляет прямой доступ к наиболее популярным в мире программным пакетам компьютеризованного проектирования: NX (SPLM/UGS), CATIA, Pro/ENGINEER, CADDS 5.

При использовании MSC.Patran основой конечно-элементной модели, как правило, становится именно CAD-геометрия. MSC.Patran включает специальные методы и функции для контроля CAD-геометрии и преобразования ее к расчетной модели, что при современном уровне сложности компьютерных моделей является сложным и трудоемким этапом работы конструкторов и расчетчиков. MSC.Patran предлагает также обширные функции создания и модификации геометрических моделей.

С помощью соответствующих настроек MSC.Patran обеспечивает на уровне мировых стандартов подготовку модели и обработку результатов для любой расчетной системы. Интерфейсы с MSC.Nastran, MSC.Dytran, MSC.Marc, MSC.Fatigue, MSC.Aries, LS-DYNA, PAMCRASH, ANSYS, ABAQUS,SAMCEF и SINDA можно приобрести в MSC.Software Corp., а для других систем – у их производителей. Возможности языка MSC.Patran.PCL позволяют пользователям включать свои системы анализа в среду MSC.Patran, создавать новые функции и разрабатывать собственные приложения, что делает MSC.Patran основой для разработки открытой среды инженерного анализа изделий наукоемкого машиностроения.