5.2.2. Комплексный инженерный анализ с использованием семейства программных продуктов cosmos
Рассмотрим семейство программных продуктов, разрабатываемых корпорацией SolidWorks и объединенных общим названием COSMOS.
Семейство COSMOS содержит большое количество модулей для решения различных инженерных задач. Было бы уместно классифицировать эти программы по их функциональным возможностям и целевому назначению (рис. 5.1)
Рис. 5.1. Структура программного комплекса SolidWorks/COSMOS.
Это решатели, необходимые для прочнистов и конструкторов, модули, которые будут использовать специалисты в области гидрогазодинамики, и, наконец, программы, которые позволят рассчитать кинематику и динамику механизмов. Эти, 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, COSMOSFloWorks.
Базовые возможности SolidWorks. Начиная с 2002 г. в базовый конструкторский пакет SolidWorks включена специальная функция экспресс-анализа прочности деталей - COSMOSXpress. Данная возможность позволяет быстро и качественно оценить работоспособность конструкции, определить напряженно-деформированное состояние деталей, созданных в SolidWorks или импортированных из других систем. COSMOSXpress прежде всего ориентирован на инженеров, не являющихся специалистами в области прочностных расчетов. Вследствие этого работа с программой оформлена в виде «Мастера проведения расчета», который проводит пользователя по всем этапам 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.
Полученные в COSMOSXpress результаты можно сохранить в видео файл (*.avi) или в интерактивном формате eDrawings. Это позволяет передавать данные, например, предметному специалисту для проверки или отослать заказчику. При этом для просмотра данных достаточно иметь компьютер с установленной платформой Windows; установка SolidWorks или COSMOS не требуется.
Данные (начальные условия и результаты) из COSMOSXpress в автоматическом режиме передаются в COSMOSWorks, где их можно 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.
Для механизмов, в которых имеются сложные соприкасающиеся поверхности можно использовать опцию «физической динамики». Также с помощью этой функции можно моделировать различные ударно-приводные механизмы.
Однако выше перечисленные базовые возможности САПР SolidWorks наряду с простотой использования имеют и функциональные ограничения. Для решения более сложных задач возникает необходимость применения профессиональных расчетных комплексов. Рассмотрим описания программ семейства COSMOS с примерами решения конкретных задач.
COSMOSWorks. COSMOSWorks является одним из лучших решений в области прочностных расчетов, реализованных в интерфейсе SolidWorks. Так как 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 отличии от COSMOSXpress, позволяет работать как с деталями, так и со сборками. При этом для сборочных узлов существует возможность использовать различные типы контактных условий. Это 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.
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), 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. К ним относятся 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. Однако пользователь может управлять не только настройками генератора, но и вручную указывать области, в которых необходимо достигнуть более высокого разрешения конечно-элементной сеткой.
Библиотека материалов. Пользователь может использовать как библиотеку материалов SolidWorks, так и собственные материалы COSMOSWorks. Если в детали или сборке указаны физико-механические характеристики, то они будут автоматически добавлены в расчетную модель. Однако при необходимости существует возможность добавлять свои или редактировать существующие материалы с помощью специальной утилиты или «на лету».
В библиотеке COSMOSWorks можно задать материалы с изотропными, анизотропными, гиперупругими, 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. Любую из характеристик можно оценить в виде цветовых полей, построить эпюры или создать отчет. можно анализировать различные результаты в одном графическом окне.
COSMOSWorks позволяет рассчитать как общую, так и местную потерю устойчивости. Как результат пользователь получает суммарный коэффициент запаса по потери устойчивости и ее форму.
Снижение веса конструкции, увеличение критических сил потери устойчивости и т.д. являются насущными задачами при создании современной техники. В COSMOSWorks имеется специализированный модуль для создания оптимальных конструкций. Для решения 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 предел 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 появилось еще два новых решателя. Один из них рассчитывает долговечность, определять повреждаемость конструкции и т.д. 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 другие.
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 будут неподвижны, а какие имеют степени свободы. Не смотря на такой подход, пользователь в любой момент может добавить любой шарнир или отредактировать существующий (например, добавить трение).
В качестве граничных условий используются такие объекты как - условие контакта, передаточное отношение, внешняя нагрузка, пружина, демпфер и другие.
Контакт может определяться следующими способами: перемещение точки по заданной кривой, движение одной кривой по другой, контакт с учетом реальных поверхностей.
Особенностью интерфейса COSMOSMotion является то, что пре- и постпроцессор являются контекстно зависимыми. То есть пользователю не нужно вызывать дополнительных команд 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.
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.
После окончания расчета можно провести проверку сборки на конфликтность во всем временном диапазоне.
Еще одной важной задачей, которую необходимо решить, является определение критических сил потери устойчивости системы, работающей на сжатие. Зачастую, особенно в тонкостенных конструкциях, данный вид расчета является определяющим при выборе геометрических размеров.
Данные COSMOSMotion, полученные при кинематическом и динамическом анализе, можно передать в COSMOSWorks для проведения прочностных расчетов.