В статье представлены известные и современные программные комплексы для компьютерного моделирования конструкций, изделий и их составных частей. Программы основаны на методе конечных элементов, как метод численного моделирования и анализа. Показаны возможности и область применения программ. Более подробно изложена программа ANSYS для создания CAD-модели конструкции, а также описана последовательность создания самой модели. Рассмотрены два способа геометрического моделирования и создание конечно-элементной модели. В связи с развитием программного обеспечения статья полезна для студентов технических вузов и начинающих проектировщиков.
Ключевые слова: программный комплекс, компьютерное моделирование, метод конечных элементов, ANSYS, CAD-модель.
Введение
В последние десятилетия быстрое развитие программного обеспечения дало возможность создать компьютерные модели довольно сложных изделий и их составных частей. За счет новых технологий в проектировании увеличивается область применения теоретических исследований конструкционных материалов c различными свойствами, которые проводились российскими учеными в конце XX века.
Большинство современных программных комплексов используют численные методы моделирования и анализа конструкции. Одним из самых популярных из них является метод конечных элементов, который позволяет спроектировать модели любого уровня сложности. В настоящее время вычислительная мощность среднего компьютера может быть достаточной для проведения анализа модели конструкций, состоящей из тысячи элементов. В результате моделирования анизотропия и нелинейные свойства материалов редко принимаются во внимание, поэтому структурный анализ в основном проводится с использованием упрощенных физических моделей. В связи с этим возникает сильная потребность в интеграции моделей, которые регулируют и учитывают большее разнообразие свойств материала. Таким образом, проблема может быть решена только с помощью мощного программного обеспечения c современным пользовательским интерфейсом.
На данный момент существует большое количество программных продуктов по компьютерному моделированию, применяемые в проектировании как для строительства, так и для различных отраслей промышленности. Среди таких программных комплексов можно выделить наиболее известные и востребованные программы как зарубежных, так и отечественных разработчиков: ANSYS, ABAQUS, COSMOS, SCAD Office, «Лира», Robot и другие.
В данной статье более подробно рассмотрим один из самых популярных программных комплексов как за рубежом, так и в нашей стране, программу ANSYS.
- Современные программные комплексы для проведения компьютерного моделирования
Работа большинства программ основывается на методе конечных элементов, являющемся численным методом решения дифференциальных уравнений c частными производными, а также интегральных уравнений, вoзникающих при рeшении зaдач прикладной физики. Метод широко применяется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, гидродинамики, теплообмена и электродинамики и дает возможность решить большой круг инженерных задач [1].
Все программы, основанные на конечно-элементном методе, можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся довольно сложные и дорогостоящие программные комплексы, обладающие большими возможностями. Такие программы зарекомендовали себя за высокую точность производимых исследований в различныx отраслях. Вторая группа программ разрабатывается как частные решения для специализированных задач в необходимой исследуемой области, это указывает на желание разработчиков создать более простой и компактный инструмент для работы.
Такие программы, как ANSYS, ABAQUS, COSMOS, являются тяжелыми зарубежными программными комплексами, которые широко применяются в машиностроении, аэрокосмической промышленности и энергетике. Для расчетов в гражданском, промышленном и транспортном строительстве в нашей стране распространены разрабатываемые в странах СНГ специализированные пакеты, такие как SCAD Office, «Лира», Robot и другие.
Системы инженерного анализа (CAE — Computer-aided engineering) куда входят программы ANSYS, ABAQUS, COSMOS и другие способствуют моделированию на хорошем уровне систем, обладающих различными свойствами, а также позволяют оценить их реакцию на внешние воздействия в виде распределения напряжений, температур, электромагнитных полей, cкоростей и т. д. Использование таких программ помогает инженерам-проектировщикам снизить процесс разработки и повысить качество продукции. Поэтому одной из главных задач обучения является подготовка специалистов, которые владеют современными программными комплексами инженерного анализа [2].
- Программный комплекс ANSYS
Среди указанных выше программных комплексов на сегодня самым распространенным является программа ANSYS.
ANSYS — это программный комплекс, основанный на методе конечных элементов и предназначенный для автоматизированного инженерного анализа во многих отраслях техники (строительство, машиностроение, транспорт, авиация, космонавтика), а также в таких областях как механика жидкости и газа, механика деформируемого твердoго тела, теплопередача и электромагнетизм.
Данная программа задает перечень расчетных средств, которые учитывают разнообразные конструктивные нелинейности, дают возможность решить общий случай контактной задачи для поверхностей, могут допустить образование конечных деформаций и углов поворота, a также позволяют выполнить анализ влияния электромагнитных полей и решить задачу гидроаэродинамики и многое другое.
ANSYS является средством, c помощью которого создается или прорабатывается CAD-модель конструкции, изделие или его составная часть. Процесс CAD-моделирования проходит определенные этапы, куда входят: построение геометрической модели, выбор типа конечных элементов, построение конечно-элементной сетки, задание свойств материалов, выбор типа анализа, приложение нагрузок, задание граничных условий, расчет и анализ результатов [2].
Выделяются два способа геометрического моделирования при создании CAD-модели:
1) моделирование сверху-вниз;
2) моделирование снизу-вверх.
Моделирование сверху-вниз основано на проектировании объекта из готовых простых фигур, например, параллелепипеда, шара и тому подобные c применением обычных операций как сложение, вычитание и другие.
Сам процесс моделирования базируется на геометрической иерархии объектов, которая идет по возрастанию. В нашем случае точка является объектом низшей размерности, далее следуют линии, поверхности и объемные тела. Данное положение является основой моделирования снизу-вверх и представляет собой создание объекта более высокой размерности из объектов более низкой размерности.
После построения геометрической (твердотельной, непрерывной) модели объекта, нужно создать его конечно-элементную (дискретную) модель. Это означает, что на занимаемую объектом область пространства наносится сетка из узлов и элементов, которая состоит из сравнительно простых форм и делит эту область на конечные элементы, которые в свою очередь соединяются между собой в некоторых точках (узлах). Элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области. Произвольную сетку в системе ANSYS можно строить из треугольных и четырехугольных плоских элементов, а также тетраэдров — четырехгранных объемных элементов. К тому же в программе заложен алгоритм рационального выбора размеров конечного элемента, который позволяет строить сетку элементов c учетом кривизны поверхности модели и высокого отображения ee реальной геометрии. Кроме этого, можно выбрать размер самой сетки, общий размер конечного элемента, количество делений граничной линии, коэффициенты растяжения или сжатия на границах и при удалении от границ.
Построение такого рода сетки является одним из главных этапов в конечно-элементном анализе.
Для того, чтобы начать генерацию сетки в системе ANSYS, необходимо выполнить ряд определенных действий: указать типы элементов, которые будут применены в конечно-элементной модели; задать константы элементов, особенные для данного типа элемента, а также нужно задать свойства материалов, из которых будет состоять заданная модель [3].
После построения расчетной модели наступает стадия решения задачи, которая включает задание нагружения и его шаг, вид анализа и запуск на расчет модели.
Нагружение включает в себя приложение внутренних и внешних усилий, а также граничные условия в виде ограничений на перемещения. В программе выделены следующие категории нагрузок: сосредоточенные силы и моменты сил, поверхностные нагрузки, объемные силы, инерционные нагрузки и ограничения степеней свободы. Большинство из нагрузок могут быть приложены в ключевых точках, по линиям и поверхностям (к твердотельной модели) или в узлах или элементах (к конечно-элементной модели).
Расчет модели запускается после введения всех требуемых параметров, результаты которого записывается в базу данных и представляют собой как графическое, так и табличное выведение значений.
Заключение
Применение современных методов вычислений, которые реализованы в комплексах CAD, дает возможность проводить исследования различных характеристик проектируемых объектов, что позволяет менять конструкцию этих объектов без создания экспериментальных образцов и не прибегать к длительной и дорогостоящей процедуре натурных исследований.
Система ANSYS широко используется для проектирования конструкций, а также отдельных его составных частей, к которым предъявляются повышенные эксплуатационные требования. С помощью данного комплекса можно произвести расчет для статического и динамического состояния конструкции, не проводя дополнительных экспериментов.
В настоящее время программный комплекс ANSYS используется во многих высших учебных заведениях и в больших проектных институтах для обучения студентов и выполнения научно-исследовательских работ.
Литература:
- Елисеев К. В., Зиновьева Т. В. Вычислительный практикум в современных CAE-системах: учебное пособие. — СПб.: СПбПУ, 2008. — 112 с.
- Каплун А. Б. ANSYS в руках инженера: практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. — М.: Едиториал УРСС, 2003. –272 с.
- Жидков А. В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования / А. В. Жидков. — Нижний Новгород, 2006. — 115 с.
