Комплексный инженерный анализ - прочность, динамика, акустика

Инженерный компьютерный анализ в процессе создания нового изделия позволяет дать надежный прогноз поведения системы и быстро сопоставить необходимое число альтернативных конструкторских решений. В результате снижается объем экспериментальной отработки и доводки изделия, повышается его качество, а сам процесс проектирования ускоряется и удешевляется.

В статье рассматриваются важнейшие разделы инженерного анализа - расчет на прочность, динамический и кинематический анализ, моделирование акустических полей и виброакустика.

Расчеты на прочность и динамический анализ

Важным шагом глобальной компьютеризации инженерного дела явилось повсеместное внедрение в расчетную практику программ прочностного анализа по методу конечных элементов (МКЭ). В настоящее время МКЭ используют при решении самых разнообразных задач математической физики и инженерного дела, включая не только статический расчет на прочность, но и динамику, тепловой и акустический анализ.

Одним из лидеров программных средств для анализа прочности и динамики конструкций сегодня является система UAI/ NASTRAN, разработанная американской компанией Universal Analytics, Inc (UAI).

Остановимся на особенностях современной версии UAI/NASTRAN.

1. Широкий спектр решаемых задач:

Рисунок 2. Моделирование выхода ракеты из пускового контейнера

• линейная статика - расчет на прочность, определение деформаций, напряжений и усилий в элементах, запасов прочности;
• устойчивость конструкций - расчет внешних (критических) усилий, при которых конструкция теряет устойчивость;
• анализ с учетом геометрической и физической нелинейности-возможность учета конечного характера перемещений и поворотов, а также нелинейных свойств материала (нелинейно-упругий, пластичный);
• контактные задачи;
• собственные частоты и формы - анализ свободных колебаний конструкции;
• динамический гармонический и случайный отклик - оценка поведения конструкции при внешнем полигармоническом или случайном нагружении ;
• динамические переходные процессы - расчет поведения конструкции во времени при действии на нее нестационарной внешней нагрузки;
• прочностной и динамический анализ взаимодействия упругой конструкции со средой (жидкостью или газом);
• стационарные и нестационарные нелинейные тепловые процессы - определение распространения тепловых потоков, анализ температурных полей и деформаций;
• определение чувствительности результатов анализа (напряжений, перемещений, собственных частот и т.д.) к изменению конструкторских параметров (толщин, характеристик поперечных сечений и т.п.); имея эту информацию, конструктор может эффективно улучшать свой проект;
• многокритериальная оптимизация с использованием одновременно ограничений разного типа (например, поиск набора конструкторских параметров, обеспечивающих минимум массы конструкции при выполнении условий прочности и ограничения снизу на низшую собственную частоту);
• метод подконструкций - статическая конденсация и динамическое редуцирование; прием, позволяющий существенно снизить размерность задачи, что приводит к колоссальному росту эффективности работы;
• аэроупругость, флаттер.

Возможность расчета задач аэроупругости и флаттера, а также расширенные возможности работы с подконструкциями - функциональные свойства комплекса, появление которых связано с активной поддержкой крупных аэрокосмических фирм McDonnell Douglas, Northrop Grumman и Saab.

2. Создание расчетной модели и анализ результатов.

По выбору заказчика система поставляется с одним из двух пре/постпроцессоров. Первый - UAI/ModelMaster - является лицензированной версией пакета FEMAP фирмы Enterprise Software Products, Inc. UAI/ModelMaster имеет современный интерфейс под Windows и Unix, обладает богатыми графическими и аналитическими возможностями. К его преимуществам также следует отнести поддержку кроме NASTRANа свыше 20 различных конечно-элементных программ, что позволяет пользователям безболезненно перейти на NASTRAN, например с ANSYSа или COSMOSа.

Как альтернативное решение предлагается программный продукт HyperMesh фирмы Altair Computing, который позволяет существенно ускорить процесс создания конечно-элементной модели при работе со сложными геометрическими объектами, что характерно, в частности, для авиации и автомобилестроения. Благодаря возможности импорта геометрии из различных CAD-комплексов через форматы IGES, VDAFS, PDGS, DES, INCA, DXF, STL и др., эффективным средствам автоматической генерации сеток и использованию одного пре/постпроцессора для работы с различными решателями, HyperMesh получил широкое распространение во многих отраслях промышленности всего мира. Например, компания General Motors сделала эту программу стандартом предприятия, а Горьковский автомобильный завод, в дополнение к имеющимся системам MSC/PATRAN и CATIA, приобрел HyperMesh специально для создания сложных моделей.

Кинематика и динамика механизмов

Жизнь подтверждает слова незабвенного Козьмы Пруткова-"Нельзя объять необъятное": любая программа позволяет решать достаточно широкий круг задач, однако что-то остается за пределами досягаемости. Общая проблема традиционных МКЭ-пакетов-невозможность моделирования механизмов, т.е. механических систем, составные части которых совершают большие твердотельные перемещения в пространстве относительно друг друга. Не вдаваясь в математические подробности, отметим, что эта проблема связана как с формулировкой уравнений движения в МКЭ, так и с численными процедурами, используемыми для их решения.

Такая ситуация породила новое направление в развитии инженерных программных средств, которое на Западе именуется MDI (Multibody dynamic interaction) - динамическое взаимодействие многих тел. В рамках этого подхода снимаются ограничения, заложенные в МКЭ (малые твердотельные перемещения) и в другом достаточно известном твердотельном подходе (исключение из рассмотрения упругих деформаций звеньев).

Лидером программных средств в области MDI является разработка американской фирмы Computer Aided Design Software, Inc. (CADSI) - программный комплекс DADS.

Описание механизма в DADS основано на нелинейных кинематических уравнениях и динамических уравнениях Лагранжа первого рода. Такой подход не накладывает ограничений на характер движения системы: корректно учитываются как произвольные твердотельные перемещения, так и малые упругие деформации.

DADS позволяет выполнять кинематический анализ, прямой и обратный динамический анализ, вычислять усилия в связях и реакции в опорах, определять возможность сборки изделия, находить собственные формы и частоты механической системы, контролировать взаимопроникновения частей конструкции друг в друга.

Интересна организация работы с упругими МКЭ-моделями. DADS использует модели, создаваемые в МКЭ-программах и возвращает в них данные, необходимые для определения напряжений и деформаций и, в конечном счете, проверки прочности изделия. Имеются прямые интерфейсы к МКЭ-программам: NASTRAN, ABAQUS, ANSYS и COSMOS. Кроме того, пользователь может создать собственный интерфейс для обмена данными, написав соответствующую FORTRAN-программу.

Наиболее трудоемкий этап анализа - создание модели. DADS предоставляет пользователю широкие возможности для ускорения этого процесса. В распоряжении инженера имеется собственный графический пре/ постпроцессор DADSModel, позволяющий интерактивно создавать модель "с нуля" - вводить новые тела, определять стыки и т.п. Более прогрессивный путь - использование готовой геометрической модели: имеются прямые CAD-интерфейсы к системам CATIA и Pro/Engineer. Кроме этого, возможен импорт геометрии в формате IGES, который на сегодняшний день поддерживается практически всеми конструкторскими пакетами. Такой подход радикально ускоряет процесс формирования модели и существенно повышает точность представления геометрии, что крайне важно при проверке взаимопроникновения частей механизма друг в друга или описании контакта сложных поверхностей.

В распоряжении инженера имеется большая библиотека элементов DADS: жесткие и упругие тела, всевозможные шарниры, зубчатые, ременные и червячные передачи, контактные и упругие связи и т.п.

Важной особенностью DADS является возможность выполнения комплексного анализа, а именно, механическая модель может быть дополнена моделями системы автоматического регулирования и гидросистемы.В этом случае можно использовать собственные контрольные и гидравлические элементы DADS, либо выполнять анализ совместно со специализированными пакетами MATLAB/SIMULINK, MATRIX или Easy5.

Программный комплекс DADS- максимально открытая система. Для задания специфических нагрузок, связей между телами и т.п. пользователь может создать свою собственную FORTRAN-подпрограмму по шаблонам, которые имеются в DADS. Эта особенность открывает максимальные возможности для построения предельно достоверных расчетных моделей.

Акустика и виброакустика

Получение информации о виброакустических свойствах конструкции или среды-важная проблема при проведении большинства разработок по созданию образцов новой техники.

В настоящее время расчетный комплекс SYSNOISE, предлагаемый бельгийской компанией LMS, является признанным лидером среди программ в области вибро-акустического проектирования, диагностики и оптимизации. SYSNOISE предоставляет возможность проводить акустический анализ не только в замкнутых объемах, но и одновременно дать достоверную оценку звукового поля вокруг объекта (внешняя акустика), вычислить отклик конструкции на акустическую нагрузку и, наконец, эффективно провести оптимизацию вибро-акустических свойств конструкции.

Примером интеграции программы в производство может служить опыт многих зарубежных промышленных фирм и организаций. К их числу, например, относятся такие известные организации, как DeHavilland, Ford, Bose, Motorola, Rieter, NASA, Saab-Scania AB Aircraft Division, Unikeller, Volvo Car Corporation, Michelin Research Center.

Программа SYSNOISE выполняет следующие задачи:

• расчет распространения акустических волн от источника как по поверхности конструкции, так и в области действия акустического поля. Начальные данные (характеристики вибрирующего источника) могут быть взяты в результате либо эксперимента, либо конечно-элементного анализа;
• расчет акустического рассеивания в результате отражения или дифракции от какой-либо конструкции в акустическом поле. SYSNOISE позволяет получить результирующее акустическое поле и вибрации конструкции по падающей внешней звуковой волне;
• корректно учитывает трансформацию звуковой энергии в результате отражения, абсорбции и передачи по элементам конструкции. Программа позволяет, например, с учетом характеристик поглощения конструкционных панелей, вычислить уровни вибраций как на внутренней, так и на внешней сторонах этих панелей;
• расчет вибраций конструкции при заданном силовом воздействии и последующий расчет акустического поля, генерируемого вибрирующей конструкцией.

Программа SYSNOISE предлагает достаточно широкий выбор методов решения акустических и виброакустических задач, включая использование акустических конечных элементов, конечно-бесконечных элементов и граничных элементов (прямая и непрямая формулировка).

Метод конечных элементов используется для решения акустических задач внутри исследуемых объемов. Акустические конечные элементы используются, например, для:

• моделирования акустических потоков, включая абсорбирующие облицовки, перфорированные или проницаемые стенки и пористые конструкции;
• расчета резонансных частот и соответствующих вибро-акустических мод;
• моделирования вибро-акустических переходных процессов в замкнутых объемах во временной или частотной областях с учетом всех особенностей звуковых обтеканий.

Граничные элементы используются для моделирования вибро-акустических процессов в замкнутых и открытых областях, в том числе при анализе:

• акустических волн от вибрирующей конструкции с определением частотных характеристик или переходного отклика в произвольной точке как на поверхности конструкции, так и в любом месте окружающего пространства под воздействием акустического поля;
• свойств поглощения, что позволяет увидеть, как звуковые волны взаимодействуют с твердыми и нетвердыми телами в зоне действия акустического поля;
• геометрической картины направлений распространения акустических волн с использованием мощных средств визуализации результатов анализа.

Граничные элементы эффективно используются также при вычислении передаточных коэффициентов и коэффициентов потерь при взаимодействии звуковых волн со стенами, каналами и звукоизоляторами.

При решении задач, связанных с моделированием распространения акустических волн в различных средах, SYSNOISE использует конечно-бесконечные элементы. Это также очень важный класс задач, как правило, связанный с проблемами внешней акустики, например, при решении связанной задачи об акустическом взаимодействии многих упругих тел, находящихся в открытой среде с заданными свойствами распространения и рассеивания звуковых волн.

SYSNOISE имеет собственный удобный графический пре/постпроцессор. При этом модель исследуемой конструкции можно не формировать заново, а брать из "традиционных" конечно-элементных пакетов, например, NASTRAN, HyperMesh, I-DEAS. Кроме расчетных моделей для описания свойств конструкции могут быть использованы результаты динамических испытаний. Пользователь имеет возможность передавать данные своих программ при помощи "нейтрального" текстового формата.

Компания UAI основана в 1972 году с целью проведения консалтинговых технических расчетов и разработки программного обеспечения для правительственных и частных заказчиков. Тогда же UAI сменила компанию MacNeal-Schwendler Corporation (MSC) как главного разработчика конечно-элементного комплекса NASTRAN по заказу NASA. В рамках этой правительственной программы UAI разработала и внедрила в NASTRAN такие новшества, как изопараметрические объемные элементы, автоматизированную работу с подконструкциями, анализ взаимодействия деформируемой конструкции со средой и, наконец, первую версию NASTRAN на мини-компьютере. С тех пор компания интенсивно развивает свою версию конечно-элементного программного комплекса - UAI/NASTRAN. О том, каких успехов достигла UAI сегодня, красноречиво свидетельствует список ее клиентов. Среди них, например, Boeing Company, Bosch, Caterpillar, Chrysler Corporation, Fokker Space, Isuzu, Lockheed Martin, National Nuclear Corp., U.S. Navy и др.

Система UAI/NASTRAN внедрена и успешно используется на многих российских предприятиях, среди которых: ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, РКК "Энергия", Московский авиационный институт, МГТУ им. Баумана, Московский институт теплотехники, ЦНИИМАШ, КБ транспортного машиностроения, Нижегородский авиационный завод "Сокол", ВКБ "Энергия" (Самара). Примечательно, что большинство американских компаний, использующих сегодня UAI/NASTRAN, ранее имели версии NASTRAN других фирм (CSA, MSC). В случае со шведской фирмой Saab комплекс UAI/NASTRAN выиграл в 1994 году соревнование с такими программными продуктами, как ANSYS, ASKA, MSC/NASTRAN и PERMES.

Фирма CADSI создана в 1983 году для практической реализации новых идей в области инженерного анализа на базе Университета штата Айова (США). В настоящее время программный комплекс DADS используют многие компании, среди которых Boeing, Gulfstream, General Motors, Mercedes Benz, Ford, BMW. С помощью DADS моделируются такие объекты, как трансмиссия автомобиля и манипулятор космического корабля Space Shuttle, кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы автомобильных двигателей, шасси самолета и многое другое.

ООО "ТЕСИС" - российская компания, специализирующаяся на маркетинге и продажах программно-аппаратных комплексов, инженерного и научного программного обеспечения на рынках России и стран ближнего зарубежья, выполнении консалтинговых работ. Компания имеет опыт работы на российском рынке с 1992 года, а с 1994 года выступает как независимая частная коммерческая организация.

Поскольку "ТЕСИС" является самостоятельной российской компанией, не связанной исключительными обязательствами с тем или иным разработчиком программ, она предлагает конфигурацию программного обеспечения, наиболее подходящую конкретному заказчику. Компания осуществляет весь цикл работ по внедрению программного обеспечения на предприятии - инсталляцию, обучение персонала и техническую поддержку.

Кроме инженерного анализа специалисты фирмы работают по следующим направлениям:

• CAD - системы (SolidWorks, DesignWorks);
• численное моделирование аэро- и гидродинамических течений для широкого класса индустриальных задач (CFX, TaskFlow);
• термомеханический анализ технологических процессов (MARC);
• вычислительная математика (MATLAB);
• моделирование систем управления (SIMULINK).

Дополнительную информацию можно получить в московском офисе фирмы "ТЕCИC": тел. (095) 214-68-16, (095) 212-38-34, факс (095) 212-38-38, e-mail: root@tesisjsc.msk.ru