Любое инженерное изделие должно удовлетворять определенным критериям. Соответствие этим критериям возможно только при комплексной оценке влияния геометрических параметров, свойств используемых материалов и условий работы изделия на его поведение. Проведение такого анализа с учетом все возрастающей сложности инженерных решений возможно лишь с применением самых эффективных современных компьютерных технологий. К настоящему времени нашему пользователю стали доступны лучшие программные комплексы автоматизации инженерных расчетов - САЕ-системы. Однако, далеко не все специалисты имеют возможность получить информацию об их характеристиках, взаимосвязи и разобраться в их положении в мировом табеле о рангах. В статье приведено краткое описание возможностей некоторых из "тяжелых", т.е. самых мощных из таких систем, заслуживающих особого внимания.

ANSYS входит в число лидирующих комплексов вот уже более 25 лет. Первоначально являясь внутренней разработкой фирмы Westinchaus Electric, программа выросла до ведущего конечноэлементного пакета, проникнув из своей "материнской" области - ядерной энергетики - во все отрасли промышленности. Среди множества конечноэлементных программных комплексов ANSYS первый и единственный, разработанный и сертифицированный согласно международным стандартам качества ISO 9000 и ISO 9001. Отличительными особенностями ANSYS являются широчайший охват явлений различной физической природы и открытость, т.е. модифицируемость и дополняемость.

Ярким примером открытости могут служить разработанные испанской фирмой Ingiciber SA и шведской Anker-Zemer AB специализированные модули, расширяющие возможности стандартного пакета на задачи механики строительных конструкций и гидрогазодинамики в гранично-элементной постановке (акустика, флаттер и т.д.) соответственно.

Препроцессор ANSYS позволяет как создавать геометрические модели собственными средствами, так и импортировать уже готовые. 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" конечноэлементной сеткой. Пользователь может удалять несущественные мелкие детали, достраивать определенные детали, проводить сгущение-разрежение сетки и другие важнейшие операции, без которых, порой, дальнейшее решение будет совершенно некорректно или вообще не сможет быть достигнуто. Построение поверхностной, твердотельной и каркасной геометрий и внесение изменений осуществляется средствами собственного геометрического моделлера.

ANSYS позволяет решать задачи прочности, теплофизики, гидрогазодинамики, электромагнетизма совместно с расчетом усталостных характеристик и процедурами оптимизации. Единая система команд и единая база данных полностью исключает трудности интеграции и взаимного обмена между указанными сферами. Более того, путем использования в программе специализированных конечных элементов, имеющих помимо перемещений и поворотов в узлах также и степени свободы по температуре, напряжению и др. и переключения типа элемента (например, с электромагнитного на прочностной) реализованы большие возможности проведения связанного анализа.

ANSYS предоставляет уникальную по полноте и самую обширную (объемом более 130Мб текста и 45 Мб примеров) современную систему HELP на основе гипертекстового представления, доступ к которой осуществляется в интерактивном режиме on-line.

В результате многолетнего сотрудничества фирм ANSYS. и LSTC в программу включен модуль LS-DYNA - полностью интегрированная в среду ANSYS всемирно известная программа для высоконелинейных расчетов. Соединение в одной программной оболочке традиционных методов решения с обращением матриц и математического аппарата программы LS-DYNA, содержащей специализированные контактные алгоритмы, множество моделей материалов и использующей 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.).

Согласно отзывам пользователей ANSYS, более 80% из них постоянно используют нелинейные возможности программы.

LS-DYNA (LSTC) - многоцелевая программа, использующая явную формулировку метода конечных элементов (explicit finite element method), предназначена для анализа нелинейного динамического отклика трехмерных неупругих структур. Полностью автоматизированное решение контактных задач, а также множество функций по проверке получаемого результата, позволяют инженерам во всем мире успешно решать сложнейшие задачи удара, разрушения и формования. Пользователями программы являются все известные мировые автомобильные концерны, множество фирм оборонной отрасли и др.

Уникальный математический аппарат включает более 25 алгоритмов контактного взаимодействия, более 100 моделей материалов, что позволяет решать задачи:

нелинейной динамики; тепловые задачи; разрушения; развития трещин; контакта; квазистатики; эйлеровой формулировки метода конесных элементов; произвольного Лагранж-Эйлерового поведения; акустики в реальном масштабе времени; многодисциплинарного анализа (прочность, теплофизика, акустика).

Все приведенные аналитические инструменты позволяют моделировать широкий круг реальных задач. Вот лишь некоторые приложения возможностей LS-DYNA:

  • оценка сопротивляемости удару (т.н. 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 (Occupant safety analyses): взаимодействие воздушной подушки и виртуальной модели человека (airbag - dummy interaction) 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;
  • задачи об отрыве лопатки турбинных двигателей (Jet engine blade containment);
  • птицестойкость;
  • взаимодействие потоков жидкости и газа с конструкцией;
  • взрывная нагрузка на изделия;
  • задачи проникания (пробивание броневой пластины, внедрение в грунт пенетраторов и т.п.);
  • анализ ячеистых, сотовых и тонкостенных кессонных конструкций, жестяных контейнеров;
  • расчет сварных, заклепочных и болтовых соединений;
  • биомедицинские приложения, инженерный расчет изделий народного потребления;
  • моделирование землетрясений.

eta/DYNAFORM - специализированный программный комплекс, ориентированный на моделирование процессов листовой штамповки и использующий в качестве ядра математический аппарат программы LS-DYNA. Пре- и постпроцессинг DYNAFORM построен с учетом всех специфических особенностей техпроцесса, автоматизируя стандартные операции подготовки расчетной схемы и функции оценки и интерпретации результатов анализа и базируется на общепринятой терминологии, знакомой каждому инженеру-технологу. Инструментарий программы включает: автоматическое построение сеток; адаптивные сетки с анимацией истории построения; обширную библиотеку промышленных материалов; автоматизированное позиционирование инструмента; вовлечение явлений потери устойчивости листа - коробления; расчет тангенциальных усилий под прижимами; расчет упругой разгрузки изделия; высококачественная визуализация всех результатов и анимация; построение предельной диаграммы "формуемости".

По праву занимая более 60% рынка в области анализа кинематики механических систем, ADAMS является абсолютным лидером среди аналогичных программных комплексов. Залогом успеха аналитических технологий фирмы MDI является широкое сотрудничество со всеми ведущими производителями как промышленной продукции, так и программного обеспечения и ориентация на нужды конкретного потребителя. В качестве ярких и наглядных примеров можно упомянуть выпуск специализированных модулей для автомобильной промышленности в сотрудничестве с концернами Daimler-Benz, BMW, Volvo и для железнодорожной промышленности по заказу Голландской железнодорожной корпорации, которые постоянно развиваются и теперь доступны широкому кругу потребителей. Модули содержат библиотеки из нескольких десятков стандартных параметризованных конструкторских решений и специальных инструментов по моделированию соответствующих элементов транспортных средств, например грузовых и пассажирских вагонов, колесных пар, путей, подвесок, систем управления. Сотрудничество же с ведущими разработчиками CAD-пакетов привело к созданию интегрированных в среду CATIA, UG, Pro/E, SolidWorks, MicroStation и AutoCAD(MDT) упрощенных конструкторских модулей для анализа кинематики механизмов и их оптимизации еще на стадии проектирования.

ADAMS позволяет определить все параметры движения системы как из абсолютно жестких, так и упругих звеньев, вычислить усилия в связях и реакции в опорах с полной историей изменения по времени, приходящие усилия на элементы управления, определять взаимное перемещение составных частей и перемещения и углы поворота в шарнирах, проводить статический и модальный анализ и многое другое. Результатом расчета могут быть графики и таблицы изменения параметров, высококачественная анимация, в том числе и специализированная - с "точки зрения водителя", облет движущегося изделия камерой по заданной траектории, "следящая камера" и т.д.

Прямой двусторонний интерфейс с ведущими конечноэлементными комплексами (ANSYS и др.) обеспечивает учет упругих свойств конструкции в среде ADAMS и передачу полученных внешних усилий по результатам расчета в конечноэлементный пакет для детального анализа прочностных динамических характеристик конструкции.

Шум является одним из основных показателей, которые характеризуют качество, комфортабельность и конкурентоспособность машин и механизмов. Программный комплекс COMET/ Acoustics (ААС) позволяет разработчикам еще на стадии проектирования изделия расчетным путем оценить его акустические свойства и оптимизировать конструкцию. Это значительно сокращает количество опытных образцов и объем экспериментальных исследований, связанных с их акустической доводкой.

Комплекс COMET/Acoustics предлагает пользователю следующие методы решения широкого круга задач:

  • прямой метод граничных элементов - обычно применяется при исследованиях многосвязанных областей и областей с различными акустическими свойствами;
  • непрямой метод граничных элементов - используется для решения задач совместных колебаний структуры и среды;
  • метод конечных элементов - используется для расчета откликов объема исследуемой среды на воздействие и для определения собственных частот и форм этого объема.

Вышеперечисленные методы инициализируются средствами COMET/Vision - графической оболочкой пользователя, которая связывает COMET/Acoustics с конечно-элементными программами пользователя (ANSYS, NASTRAN и т.п.) и/или экспериментальными данными. Это облегчает проведение акустического анализа. Кроме того, COMET/ Vision предоставляет большие возможности для визуализации и анализа результатов расчетов, включая генерацию файлов для формирования звуковых сигналов.

Комплекс COMET/Acoustics успешно применяется в различных областях науки и техники. В число пользователей COMET/Acoustics в настоящий момент входят крупнейшие корпорации: Caterpillar, Detroit Diesel, Dow Chemical, Ford Motor Company, NASA, Tenneco, JET Propulsion Laboratory and U.S. Army.

Области применения COMET

Автомобильная промышленность:

  • определение уровня шума в салоне автомобиля;
  • определение внешнего шума автомобиля;
  • передача звука через пористые материалы;
  • идентификация источников шума;
  • исследования шума двигателя;
  • проектирование и исследования глушителей.

Аэрокосмическая индустрия:

  • расчет отраженного акустического излучения;
  • расчет спектра ускорений на поверхности полезного груза от звукового удара;
  • прогнозирование и оптимизация уровня шума в салоне самолета;
  • определение вибрации панели по известному звуковому полю.

Общее машиностроение:

  • прогнозирование внутреннего шума кабины оператора;
  • исследования акустического излучения двигателя в замкнутом объеме;
  • влияние нанесения звукопоглощающих материалов на шум двигателя;
  • исследование качества звука двигателя;
  • проектирование деталей двигателя с минимальным акустическим излучением;
  • оценка излучения звука различными элементами конструкции.

Товары народного потребления:

  • исследования свойств многослойных пористых акустических материалов;
  • расчет прохождения звука через пеноматериал;
  • исследование звукового поля в помещении;
  • оценка уровня шума, создаваемого небольшими моторами и компрессорами.

Научные исследования:

  • акустическая голография;
  • исследования пористых материалов;
  • высокочастотная акустика;
  • исследования влияния потока жидкости на распространение волн.

В комплекс входят два специализированных модуля: SAFE (Structural Acoustic Foam Engineering) позволяет анализировать процесс прохождения акустической энергии через пеноподобные материалы; SAOpt (Structural Acoustic Optimization) позволяет одновременно оптимизировать дизайн конструкции и ее акустические характеристики без утомительных итерационных расчетов и непрерывного переключения с акустического на прочностной анализ.

Основанная на методe конечных элементов программа C-MOLD предназначена для компьютерного моделирования процессов обработки всех видов пластмасс. В программе реализовано моделирование множества технологических процессов, в частности: литья термопластов под давлением, инжекционного литья с применением газа, процессов двухкомпонентного литья, пневмо-вакуумформовки с учетом явлений усадки и коробления, а также расчет параметров материала и изделия на всех стадиях обработки с возможностью оптимизации как литьевой формы (положение, форма литников и т.д.), так и самого изделия.

Пакет C-MOLD проводит моделирование процессов литья на основе теории течения вязких сред и механики полимерных материалов, что позволяет получать одинаковый уровень точности, который не зависит от геометрической сложности пластмассовой детали. Пользователи C-MOLD, а среди них такие известные, как Eastman Kodak, General Motors Research and Development Center, Philips Consume Electronics и многие другие отмечают поразительную точность моделирования.

Основные преимущества пакета:

  • располагая обширными базами данных по полимерным материалам, оборудованию, материалам прессформ, пакет позволяет ускорить и упростить выбор материала и технологического процесса изготовления изделия;
  • позволяет импортировать конечно-элементные и геометрические модели, созданные в основных CAD/CAE-пакетах (IGES, VDAFS, ANSYS и др.);
  • дает возможность быстро создавать конечно-элементные модели, используя свой препроцессор;
  • обладает широким диапазоном моделирования контролирующих параметров технологических процессов;
  • позволяет избежать образования пустот, снизить время заполнения, сбалансировать заполнение, оптимизировать размеры литниковой системы, определить местоположения линий спайки и воздушных ловушек, установить оптимальный профиль скорости впрыска, уменьшить необходимое давление для заполнения, определить требуемое усилие смыкания;
  • обладает возможностью автоматической балансировки литниковой системы в многосекционных пресс-формах;
  • позволяет сократить время цикла литья пластмассовых деталей при одновременном достижении быстрого и однородного охлаждения;
  • обеспечивает наибольшую производительность литья за счет уменьшения толщины детали, улучшения расположения каналов охлаждения и исключения "горячих точек" на детали;
  • помогает улучшить внешний вид детали, достичь плоскостности, определить количественно параметры процесса, минимизировать усадку и остаточные напряжения, обнаружить и исключить механизмы коробления, предсказать прочность детали и достигнуть требуемой точности.

Каждый, кто хоть раз пытался передавать геометрические модели из одной программы в другую, неизбежно делает малоприятное открытие: полностью совместимых программ нет! Никакие попытки передать данные даже в нейтральных форматах не обеспечивают безошибочного и "гладкого" переноса всей детали, а уж тем более всей конструкции целиком. CADfix (Finite Element Graphical Systems, FEGS) предназначена для пользователей профессиональных CAD/ CAE/CAM-программных комплексов (проектирование, инженерный анализ, моделирование производственных процессов) ежедневно сталкивающихся с потерей данных при трансляции моделей из одного комплекса в другой, а то и с полной невозможностью осуществить таковую.

Индивидуальные особенности внутреннего представления геометрии в системах проектирования, а также использование в качестве "твердотельного ядра" различных систем, приводит к частичной потере данных при записи в нейтральные форматы IGES, SAT, STL и др., в то время как, зачастую, система поддерживает только такие нейтральные форматы импорта-экспорта. Полученную же в таком виде модель иногда вообще невозможно использовать, и, что самое обидное, чем сложнее геометрия и больше желание использовать однажды построенную модель, тем больше сбоев возникает при попытке ее импорта. Различного рода несвязанности, частичная потеря поверхностей, целый лес ненужных вспомогательных линий и необрезанных поверхностей способны напрочь отбить желание что-либо куда-либо передавать.

Все вышеперечисленные проблемы могут быть решены с применением пакета CADfix. Программа включает уникальный набор средств по восстановлению геометрических моделей, вплоть до получения твердотельной модели по несвязанному каркасному набору опорных линий, а также модификации и экспорту геометрических файлов. Одним из важнейших назначений CADfix является также создание расчетных моделей для конечноэлементного расчета - доводка твердотельной геометрии до приемлемого для разбиения состояния и непосредственная разбивка на конечные элементы.

Возможности CADfix:

  • автоматическое сканирование и визуализация обнаруженных проблем с подсказкой методики разрешения;
  • автоматизированная итерационная процедура восстановления модели;
  • обрезка поверхностей;
  • сшивка в пределах автоматически определяемой или задаваемой пользователем точности;
  • параметризованное "схлопывание" линий и поверхностей;
  • разбиение твердых тел на более простые составляющие;
  • наличие собственного сеточного генератора;
  • приложение граничных условий для конечно-элементного анализа;
  • экспорт восстановленной геометрии в форматах IGES, Parasolid, SAT, STL;
  • прямая передача восстановленной геометрии в ANSYS, PATRAN;
  • экспорт конечно-элементной сетки в ANSYS, LS-DYNA, NASTRAN и др.

Таким образом, представленные программы позволяют создать замкнутую полностью интегрированную систему всестороннего анализа, без которой в современных условиях немыслимо создание конкурентоспособной продукции.

За дополнительной информацией о программных продуктах можно обратиться в представительство фирмы CAD-FEM GmbH:
107497, Москва, Щелковское шоссе, 77, офис 1703
Тел: (095) 460-4722, 468-8175 Тел/Факс (095) 913-2300

ANSYS, Inc.

Компанию основал в 1970 г. ученый с мировым именем Dr. John Swanson. До 1994 года компания именовалась SAS Inc. (Swanson Analysis Systems). ANSYS, Inc. является разработчиком универсального конечноэлементного пакета ANSYS. Продажа и техническая поддержка осуществляется сетью из 49 региональных дистрибьюторов (ASD), имеющих 81 офис в 34 странах и обеспечивающих более 97% всех финансовых поступлений компании. 53% поступлений - из-за пределов США. В 1997 году ANSYS насчитывал более 45000 коммерческих и 76000 университетских инсталляций по всему миру. Из них более 200 - в СНГ.

Livermore Software Technologies Corp.

Фирма является коммерческим подразделением Ливерморской национальной оборонной лаборатории США (LLNL). Профиль - разработка специализированного нелинейного конечно-элементного пакета LS-DYNA. Основатель и ведущий специалист John O. Hallquist. Первая версия программы LS-DYNA была выпущена в 1976 году.

Engineering Technologies Associates (eta)

Являясь бизнес-партнером LSTC, фирма eta адаптирует программный комплекс LS-DYNA для применения в узкоспециализированных областях, выпуская совместные с LSTC программные продукты eta/DYNAFORM и eta/VPG. Они предназначены для численного моделирования процессов тонкой листовой штамповки и анализа динамических прочностных характеристик транспортных средств при движении по полотну со стандартными неровностями.

Mechanical Dynamics Inc. (MDI)

Фирма основана в 1977 г., отделившись от Мичиганского Университета. Профиль - выпуск комплекса кинематичеcкого анализа ADAMS. Персонал - более 200 сотрудников.

Automated Analysis Co.(ААС)

AAC была основана в январе 1983 года всего пятью инженерами с первоначальным капиталом 10000$. Сейчас ААС - инженерно-консалтинговая фирма, являющаяся одним из дистрибьюторов ANSYS и некоторых других программ в США. ААС сотрудничает с ведущими производителями CAD/CAE/CAM-систем, в частности: совместно с Dassault Systemes разрабатывает интегрированный в среду CATIA модуль акустического анализа, совместно с NASA, Lockheed Martin и Georgia Tech University недавно был разработан модуль SAOpt.

Advanced CAE Technology, Inc.

Фирма основана в 1986 г. В тесном сотрудничестве с GE Plastics, GM Research, DuPont, Ohio State University and Cornell выпускает лидирующий в области численного моделирования процессов обработки пластмасс программный комплекс C-MOLD.