Обзор программных продуктов реализующих CAD, CAE-технологии

Аналитические методы оценки отклика конструкций на внешние воздействия различной физической природы без натурного моделирования возникли довольно давно. Появление и развитие вычислительной техники дало новый толчок совершенствованию численных методов анализа, которые являются сегодня основным инструментом рассчетчика. Средства автоматизации инженерного анализа, основанные на численных методах, стали неотъемлемой частью процесса проектирования изделия. Для успешного применения каждый расчетный пакет должен соответствовать двум требованиям:

• Воплощать самые эффективные численные алгоритмы;
• Предоставлять пользователю развитый набор сервисных функций по подготовке исходных данных и обработке результатов расчета.

В зависимости от степени соответствия данным критериям все программные средства автоматизации подразделяются на легкие, средние и тяжелые. Степень «тяжести» в данном случае является показателем мощности и эффективности. Рассмотрим возможности «тяжелых», т.е. наиболее мощных расчетных комплексов.

Ansys (ANSYS, Inc.)

Ansys уже более 25 лет входит в число лидирующих тяжелых конечно-элементных расчетных комплексов. Начинавшийся как система для внутреннего использования фирмы Westinghouse Electric, Ansys проник из своей «материнской» области, ядерной энергетики, во все области промышленности, завоевав доверие многих тысяч пользователей по всему миру. Такой успех достигнут на основании следующих важнейших отличительных особенностей:

• Ansys – единственная конечно-элементная система с таким полным охватом явлений различной физической природы: прочность, теплофизика, гидрогазодинамика и электромагнетизм с возможностью решения связанных задач , объединяющих все перечисленные виды;
• Широчайшая интеграция и двухсторонний обмен данными со всеми CAD, CAE, CAM – системами;
• Открытость (то есть модифицируемость и дополняемость);
• Самый высокий показатель «эффективность/стоимость»;
• Среди множества конечно-элементных программных комплексов Ansys – первый и единственный, разработанный и сертифицированный согласно международным стандартам ISO 9000 и ISO 9001;
• Ansys предоставляет уникальную по полноте и самую обширную по содержанию современную систему help на основе гипертекстового представления , доступ к которой осуществляется в интерактивном режиме online.

Препроцессор Ansys позволяет не только создавать геометрические модели собственными средствами, но импортировать уже готовые, созданные средствами CAD-систем. Надо отметить ,что геометрическая модель в дальнейшем может быть модифицирована любым образом, поскольку при импорте осуществляется перетрансляция данных в геометрический формат Ansys, и деталь не подменяется «неприкасаемой» конечно-элементной сеткой. Пользователь может удалять несущественные мелкие подробности, достраивать определенные детали, проводить сгущение/разрежение сетки и другие важнейшие операции , без которых дальнейшее решение может быть совершенно некорректно или вообще окажется недостижимым. Построение поверхностей, твердотельной и каркасной геометрии и внесение изменений осуществляется средствами собственного геометрического моделера.

Как уже отмечалось, Ansys позволяет решать проблемы прочности, теплофизики, гидрогазодинамики, электромагнетизма совместно с расчетом усталостных характеристик и процедурами оптимизации. Единая система команд и единая база данных полностью исключают проблемы интеграции и взаимного обмена между указанными сферами. Более того, в программе использованы специализированные конечные элементы, имеющие  помимо перемещений и поворотов в узлах , степени свободы по температуре, напряжению и др., а также переключения типа элемента , например ,электромагнитного на прочностной. Благодаря этому в программе реализованы уникальные возможности проведения связанного анализа. Оптимизация конструкции , таким образом, может вестись с учетом всего многообразия физических воздействий на нее.

В результате многолетнего сотрудничества фирм ANSYS Inc. и LSTC в программу включен модуль ANSYS/LS-DYNA – полностью интегрированная в среду Ansys всемирно известная программа для высоконелинейных расчетов LS-DYNA. Соединение в одной программной оболочке традиционных методов решения с обращением матриц и математического аппарата программы LS-DYNA, которая использует явный метод интегрирования, позволяет переходить с неявного на явный метод решения и наоборот. Описанный подход объединяет преимущества обоих методов и позволяет численно моделировать процессы формования материалов, анализа аварийных столкновений (например, автомобилей) и ударов при конечных деформациях, нелинейном поведении материала и контактном взаимодействии большого числа тел. С использованием этой функции перехода могут быть решены задачи динамического поведения предварительно напряженных конструкций (попадание птицы в преднапряженную турбину двигателя, сейсмический анализ сооружений , нагруженных, например , собственным весом и т.д.) и задачи исследования разгрузки конструкций, подвергнутых большим деформациям (упругое пружинение тонкого штампованного листа и т.д.).

LS-DYNA (Livermore Software Technologies Corp.)

LS-DYNA – многоцелевая программа , использующая явную формулировку метода конечных элементов(МКЭ), - предназначена для анализа нелинейного динамического отклика трехмерных упругих структур. LS-DYNA была задумана как часть оборонной программы США и до сих пор является ею.

Полностью распараллеленный и векторизованный высокоэффективный алгоритм решения нелинейных и быстротекущих процессов, автоматизированный процесс решения контактных задач, а также множество функций по проверке получаемого решения позволяют инженерам во всем мире успешно решать сложнейшие задачи удара, разрушения и формования.
Уникальный математический аппарат включает более 25 алгоритмов контактного взаимодействия, более 100 уравнений состояния, что позволяет решать задачи:

• Нелинейной динамики;
  
• Тепловые;
  
• Разрушения;
  
• Развития трещин;
  
• Контакта;
  
• Квазистатики;
  
• Эйлеровой формулировки МКЭ;
  
• Произвольного лагранж-эйлерова поведения;
  
• Акустики в реальном масштабе времени;
  
• Многодисциплинарного анализа: прочность, теплофизика, акустика;

• Оценка сопротивляемости удару (краш-тест): автомобили, летательные аппараты, поезда, суда;
  
• Анализ динамической прочности автомобильных комплектующих: кузов, бамперы, колесные диски, рулевые колонки и т.д. при движении по неровной поверхности;
  
• Оценка безопасности пассажира: взаимодействие воздушной подушки и виртуальной модели человека с моделированием ремней безопасности, прорыв подушки безопасности и др.;
  
• Формование металла, стекла, пластиков: прокат, выдавливание, штамповка, волочение, сверхпластическое формование, резка, прокат профилей, литье, глубокая вытяжка, гидроформование (включая большие деформации) и многоступенчатые процессы;
  
• Птицестойкость и задачи об отрыве лопатки турбинных двигателей;
  
• Взаимодействие потоков жидкости и газа с конструкцией;
  
• Взрывная нагрузка на изделия;
  
• Задачи проникания (пробивание броневой пластины, внедрение в грунт пенетраторов и т.п.);
  
• Расчет сварных, заклепочных и болтовых соединений;
  
• Биомедицинские приложения;
  
• Моделирование землятресений.

ADAMS(Mechanical Dynamics, Inc.)

На сегодняшний день ADAMS находит применение в автомобилестроении, авиастроении, космонавтике, железнодорожном транспорте, общем машиностроении, судостроении, робототехнике, приборостроении, биомеханике и даже в индустрии отдыха и развлечений.
ADAMS предоставляет пользователям следующие возможности:

• Создавать компьютерную модель системы из жестких и деформируемых элементов, соединенных между собой различными связями и шарнирами;
  
• Создавать параметризованную модель на базе ядра твердотельного моделирования Parasolid , а также обмениваться геометрическими моделями в форматах IGES, STEP, DXF, DWG, STL;
  
• Визуализировать модель конструкции мощными средствами графики;
  
• Задавать вынужденные перемещения и движения элементов системы и прикладывать активные внешние силы и моменты;
  
• Проводить статический, динамический и кинематический анализ системы;
  
• Визуализировать движение системы и фиксировать заданные события;
  
• Анализировать влияние вариаций параметров конструктивных элементов на поведение системы (анализ чувствительности);
  
• Оптимизировать изделие по заданному критерию;
  
• Получать результаты анализа в удобном для оценке и интерпритации виде: графики, таблицы, анимация (высококачественная анимация, в том числе и специализированная – с «точки зрения водителя», облет движущегося изделия камерой по заданной траектории, «следящая камера» и т.д.);
  
• Производить двухсторонний обмен информацией с программными комплексами автоматизированного проектирования, конечно-элементного анализа, анимации;
  
• Настраивать комплекс под типовые задачи конкретного пользователя;
  
• Использовать специализированные модули, ориентированные на конкретные области техники (автомобильная, железнодорожная);
  
• Определять все параметры движения системы как из абсолютно жестких, так и из упругих звеньев; вычислять усилия в связях и реакции в опорах с полной историей изменения по времени, приходящие усилия на элементы управления; определять взаимное перемещение составных частей, перемещение и углы поворота в шарнирах; проводить статический и модальный анализ и многое другое.

Star-CD(Computational Dynamics)

Star-CD была первой в мире программой, включившей в себя процедуру так называемых скользящих сеток. Эффективная параллелизация алгоритма решения, основанного на применении метода конечных объемов, в сочетании с уникальными методиками автоматизированного разбиения области течения позволяет моделировать задачи любой степени геометрической сложности.

Star-CD является многоцелевым единым CFD-пакетом, предоставляющим пользователю следующие возможности для решения задач механики жидкостей и газов.

• Стационарные и нестационарные течения;
  
• Ламинарные течения – модель Ньютона и неньютоновские жидкости;
  
• Турбулентные течения (применяется несколько наиболее известных моделей);
  
• Сжимаемые и несжимаемые (включая около- и сверхзвуковые);
  
• Теплоперенос (конвективный, радиационный, теплопроводность с учетом твердых тел);
  
• Массоперенос;
  
• Химические реакции;
  
• Горение газообразного, жидкого и твердого топлива;
  
• Распределенное сопротивление (например, в пористых средах, теплообменниках);
  
• Многокомпонентные течения;
  
• Многофазные потоки – модель Лагранжа (дисперсные газы – твердое тело, газ – жидкость, жидкость – твердое тело, жидкость – жидкость);
  
• Многофазные потоки – модель Эйлера;
  
• Свободные поверхности;

К числу других возможностей относятся:

• Графический и командный ввод;
  
• Специализированные режимы работы «новичок»/ «эксперт», сопровождаемые интерактивными подтверждениями и средствами подсказки;
  
• Обширный набор средств построения сеток, включая автоматизированное сгущение;
  
• Импорт геометрических моделей в форматах STL, IGES и VDAFS;
  
• Интерфейсы к CAD/CAE – программам, включая трансляцию конечно-элементных моделей, графическое представление результатов и др.: Ansys, HEXAR, ICEM, I-DEAS, Nastran, Patran, Hypermech и SAMM;
  
• Разнообразные средства визуализации и обработки результатов (векторные, цветовые контурные заливки, изоповерхности, сечения, трассировка частиц, анимация и др.);
  
• Экстаполяция результатов на сетке и поверхности произвольного вида (используются для выдачи результатов в конечно-элементные пакеты);
  
• Построение графиков;

В качестве препроцессора в Star-CD используется SAMM (Semi Automatic Meshing Methodology – «полуавтоматическая технология разбиения») разработка инжиниринговой фирмы Adapco. SAMM предоставляет следующие возможности:

• Использование смешенных сеток как из четырех традиционных (например, гексагональных и тетраэдрических) , так и из уникальных срезанных призматических элементов;
  
• Процедура автоматической «сшивки» полей параметров в смежных областях с несовпадающей разбивкой – произвольный интерфейс;
  
• Автоматизированное адаптивное сгущение, основанное на оценке ошибки расчета;
  
• Динамическое искажение (подстройка) сетки для решения задач с переменными граничными условиями (например, поршневые двигатели);
  
• Временно-зависимые, так называемые скользящие сетки с использованием алгоритма «произвольный интерфейс» для лопаточных машин и др.;
  
• Дополнительные адаптивные процедуры перестройки (такие, как динамическое внедрение и удаление элементов);
  
• Множественные вращающиеся системы координат для моделирования процессов, происходящих в многоступенчатых турбинных насосах, вентиляторах и т.д.;
  
• Средства учета циклической симметрии или других видов периодичности для лопаточных и многоступенчатых машин с целью уменьшения размерности задачи.