Файл: Учебное пособие Иваново 2018.pdf

83
Существенным достоинством применения
CAE систем перед проверочными натурными испытаниями является возможность определения элементов не только с недостаточной прочностью, но и с избыточной. Это позволяет оптимизировать геометрию деталей с целью снижения их массы, что особенно критично, например, в авиакосмической отрасли, двигателестроении.
Расчетные системы позволяют «заглянуть» внутрь детали, что практически невозможно при натурных прочностных испытаниях, получить исчерпывающую картину распределения любых параметров: деформаций, напряжений, температурных полей и т. д. Что немаловажно – расчет может быть произведен не только для статического нагружения, но и в динамике, в сопряжении с кинематическим расчетом.
Наряду с расчетом конструкций компьютерное моделирование и симуляция могут использоваться и для оптимизации проектов. Оптимизацию можно проводить для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических переходных процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. Все это делается одновременно, путем вариации параметров формы, размеров и других свойств проектируемого изделия.
ANSYS
ANSYS – универсальная программная система конечно-элементного анализа. Модули ANSYS могут быть классифицированы на основе физических дисциплин и инженерных приложений, на которые они ориентированы: вычислительная гидродинамика; механика деформируемого твердого тела; электромагнетизм; тепловой анализ; многодисциплинарный анализ. Кроме того, в состав программных продуктов ANSYS входят специализированные приложения для подготовки расчетных моделей, работы с геометрией и конечно-элементной сеткой, моделирования на системном уровне, оптимизации и управления инженерными данными. Весь набор средств инженерного моделирования компании ANSYS объединяет специальная платформа –
ANSYS Workbench. Рассмотрим основные модули ANSYS.

84
Вычислительная гидродинамика (Computational Fluid Dynamics – CFD) – это совокупность теоретических, экспериментальных и численных методов, предназначенных для моделирования течения жидкостей и газов, процессов тепло- и массообмена, реагирующих потоков и т.д. Для решения этих задач предназначены следующие программные продукты: ANSYS CFX, ANSYS
Fluent, ANSYS CFD, ANSYS Polyflow, ANSYS TurboGrid и др.
Программный продукт ANSYS Fluent является мощным инструментом, позволяющим моделировать практически любые виды течения жидкости и газа
(рис. 8.5). При этом возможен учет таких сложных физических явлений как турбулентность, конвективный и лучистый теплообмен, химические реакции, фазовые переходы, горение, акустические эффекты. Кроме широкого набора моделей и численных методов, ANSYS Fluent также предлагает пользователю мощный функционал по добавлению в расчет собственных моделей, что делает его пригодным как для промышленного, так и для научно-исследовательского применения.
Рис. 8.5. Моделирование движения жидкости в аппарате с мешалкой с помощью программы ANSYS Fluent
Решения ANSYS для механики деформируемого твердого тела позволяют производить расчет конструкций на прочность, динамический расчет конструкций, тепловые и акустические расчёты. К этой группе относятся модули: ANSYS Mechanical, ANSYS Rigid Body Dynamics, ANSYS Composite
PrepPost и др.

85
Решения ANSYS в области электромагнетизма позволяют инженерам разрабатывать современную электронику и электротехнику в единой расчетной среде ANSYS Electronics Desktop. Она позволяет рассчитывать интегральные схемы и упаковки интегральных схем, печатные платы, соединители и линии передач, антенны и элементы трактов, аналоговую и цифровую электронику, датчики, трансформаторы, электроприводы и многое другое.
Для задач теплового анализа подойдут модули ANSYS Mechanical,
ANSYS CFD, ANSYS Icepak.
Многодисциплинарное моделирование может быть применено во многих отраслях промышленности, где требуется последовательный или совместный расчет, включающий в себя решения из разных дисциплин. К таким расчетам относятся сопряженные термомеханические, электротепловые, электротермомеханические и магнитогидродинамические задачи, задачи сопряженного теплообмена и механического взаимодействия между твердыми телами и жидкостью или газом. Неучтенные взаимосвязи тех или иных физических явлений могут проявиться в снижении технологичности, надежности и ресурса проектируемого изделия. В зависимости от уровня сложности задачи и количества учитываемых физических дисциплин, для выполнения многодисциплинарных расчетов можно использовать как комбинацию из нескольких программных продуктов ANSYS, так и специализированный программный продукт ANSYS AIM.
Adams
Adams – система виртуального моделирования машин и механизмов, разработанная компанией MSC Software Corporation. Adams используется для разработки и совершенствования конструкций фактически всего, что движется
– от простых механических и электромеханических устройств до автомобилей и самолетов, железнодорожной техники и космических аппаратов и т.д. С помощью Adams можно быстро создать полностью параметризованную модель изделия, строя ее непосредственно в препроцессоре или импортируя из наиболее распространенных CAD-систем. Задав связи компонентов модели,

86
приложив нагрузки, определив параметры кинематического воздействия и запустив расчет можно получить данные, полностью идентичные результатам натурных испытаний системы.
SIMULIA
CAE система SIMULIA французской компании Dassault Systemes, разработанная для реалистичного моделирования на базе платформы
3DEXPERIENCE, позволяет в реальных условиях изучать продукты, объекты природы и жизни. SIMULIA – это масштабируемый набор инструментов для решения множества инженерных задач, от типовых до уникальных по уровню сложности. Портфель SIMULIA включает продукты с расширенными функциями мультифизического моделирования, интеграции и оптимизации процессов, который может быть развернут в соответствии с задачами пользователя. В состав SIMULIA могут входить:
ABAQUS – программный комплекс, который предлагает решения для сложных инженерных задач на базе метода конечных элементов. Предназначен для решения традиционных задач конечно-элементного анализа, таких как статика, динамика, теплопередача в совокупности с контактными взаимодействиями и нелинейными свойствами материалов, основан на неявной схеме интегрирования. Помимо этого ABAQUS имеет дополнительные модули и интерфейсы: модуль исследования чувствительности конструкции к геометрическим изменениям, модуль исследования подводных и надводных сооружений.
Isight & SEE – программный комплекс для автоматизации вычислительных процессов и параметрической оптимизации.
Tosca Structure и Tosca Fluid Individual Approach – программный комплекс непараметрической оптимизации для задач прочности и гидродинамики.
Fe-safe – программный комплекс для расчетов усталостной прочности, долговечности и ресурса конструкций.
Simpack – программный комплекс для моделирования нелинейного движения любых механических или мехатронных многомассовых систем.

87
Приложения SIMULIA ускоряют процесс оценки рабочих характеристик, надежности и безопасности материалов и продуктов перед изготовлением физических прототипов. Использование SIMULIA позволяет сравнивать, оценивать и оптимизировать проекты на всех этапах разработки, чтобы повышать эффективность конечного продукта при снижении затрат. Примеры задач, которые можно решать с помощью SIMULIA, приведены на рис. 8.6.
Рис. 8.6. Возможные области применения SIMULIA: а – краш-тест автомобиля; б – листовая штамповка; в – задача пробития; г – соударение с птицей
FlowVision
FlowVision – программный комплекс для моделирования трехмерных течений жидкости и газа, разработанный отечественной компанией ТЕСИС.
FlowVision основан на численном решении трехмерных стационарных и нестационарных уравнений динамики жидкости и газа, которые включают в себя законы сохранения массы, импульса (уравнения Навье-Стокса), уравнения состояния. Для расчета сложных движений жидкости и газа, сопровождаемых

88
дополнительными физическими явлениями, такими как турбулентность, горение, контактные границы раздела, пористость среды, теплоперенос, в математическую модель включаются дополнительные уравнения, описывающие эти явления. FlowVision использует конечно-объемный подход для аппроксимации уравнений математической модели.
FlowVision находит применение в различных отраслях промышленности.
Например, в авиакосмической, автомобильной промышленности и в судостроении его используют для моделирования внешнего обтекания объекта
(самолета, автомобиля, судна), горения топлива в двигателях внутреннего сгорания, движения газов и жидкостей по магистралям и др.
Рис. 8.7. Интерфейс программы FlowVision
FlowVision в нефтегазовой и химической промышленности используют для моделирования движения нефти и газа в насосных станциях, трубопроводах, в пластах месторождений, для решения задач перемешивания жидкостей в химических реакторах и специальных резервуарах, в том числе с учетом выделения тепла, моделирования теплообмена в рубашке охлаждения, расчета компрессоров, вентиляторов и насосов различных типов.

89
DEFORM
DEFORM – это специализированный программный комплекс, созданный американской компанией Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC) и предназначенный для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением и термообработки. Комплекс, состоящий из виртуального штампа, пресса, молота, прокатного стана, печи, позволяет проверить разработанный технологом процесс не экспериментально, на реальном производстве, а виртуально – сидя за компьютером. Сегодня программный комплекс DEFORM не имеет достаточно сильных конкурентов в области обработки металлов давлением.
8.3. CAM системы
Основные функции современных САМ систем сосредоточены, в основном, на автоматизации подготовки управляющих программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Модули системы САМ часто входят в состав развитых (интегрированных) САПР, называемых системами
CAD/CAM, или CAE/CAD/CAM.
CAM-системы освобождают человека от ручного программирования станков с ЧПУ, заучивания языков программирования низкого уровня, которые могут отличаться у оборудования разных производителей. Входными данными
CAM-системы является геометрическая модель изделия, разработанная в CAD- системе. В процессе интерактивной работы с трехмерной моделью в CAM- системе инженер определяет траектории и скорость движения режущего инструмента по заготовке изделия, которые затем автоматически верифицируются, визуализируются и обрабатываются постпроцессором для получения программы управления конкретным станком.
Постпроцессор – программа, которая преобразует файл траектории движения инструмента и технологических команд (промежуточный файл), сформированный САМ­системой, в файл управляющей программы (УП) в соответствии с требованиями конкретного комплекса «станок – система ЧПУ».

90
Для того чтобы абстрагироваться от большого разнообразия станков, систем ЧПУ и языков программирования обработки, САМ­система генерирует промежуточный файл, содержащий информацию о траектории, угле поворота инструмента и обобщенные команды управления станком. Обычно этот промежуточный файл называется CL­файлом (Cutter Location) или
CLDATA­файлом. Далее в работу вступает постпроцессор. Он преобразует этот промежуточный файл в программу обработки в строгом соответствии с форматом программирования конкретного станка с ЧПУ. Такая технология позволяет программисту во время проектирования обработки в САМ­системе не задумываться о том, на какой конкретно станок попадет УП и каков будет ее формат. Ему необходимо лишь выбрать постпроцессор, соответствующий определенному станку с ЧПУ, и тот возьмет на себя всю работу по созданию программы обработки определенного формата.
Важной особенностью CAM-систем являются встроенные средства проверки корректности сгенерированных программ, для чего используются два основных подхода. Первый подход состоит в визуализации процесса работы станка на экране компьютера (пользователь может видеть работу металлорежущего инструмента или сборочных роботов и оценить корректность траекторий их движения). Второй способ – это моделирование процесса получения детали из заготовки и сравнение геометрии полученных в результате обработки поверхностей с данными, хранящимися в геометрической модели.
Как правило, соответствующая функциональность существует во многих интегрированных CAD/CAM пакетах, включая CATIA, SolidWorks, T-FLEX и др. Из независимых решений третьих производителей (не поставляющих собственно CAD программы) отметим ГeMMa-3D, SURFCAM и EdgeCAM.

91
наиболее сложных деталей на станках с ЧПУ, изготавливаемых с помощью фрезерования, сверления, электроэрозионной резки, вырубки, токарной обработки, гравировки. Система ГеММа-3D обеспечивает выход на все отечественные и зарубежные системы управления станками. В состав системы входит библиотека из 70 постпроцессоров в исходных текстах, а также универсальный постпроцессор, позволяющий дорабатывать готовые и создавать новые постпроцессоры.
SURFCAM
SURFCAM – CAM-система, разрабатываемая компанией Surfware (США) с 1988 г. Она поддерживает обмен данных с системами SolidWorks, Autodesk
Inventor, CATIA, Pro/Engineer и NX. SURFCAM используются в промышленном дизайне, макетировании, проектировании и подготовке управляющих программ
2-, 3-, 4-, и 5-координатной фрезерной, токарной, электроэрозионной, лазерной, плазменной и водорезной обработки на станках с ЧПУ.
EdgeСAM
Программа EdgeCAM, разработанная компанией Vero Software, - один из ведущих мировых программных продуктов в области создания управляющих программ обработки для станков с ЧПУ, токарной, фрезерной и электроэрозионной групп.
Рис. 8.8. Интерфейс программы EdgeСAM

92
Отличительной особенностью
EdgeCAM является возможность ассоциативной обработки параметрических твердотельных моделей AutoCAD,
Autodesk Inventor, SolidWorks, Solid Edge, Catia, КОМПАС-3D, а также целого ряда других CAD-систем. Загрузка моделей производится без конвертации.
Вероятность потери и искажения данных при передаче полностью исключается.
Изменение геометрии модели в CAD-системе приводит к автоматическому пересчету траектории обработки в EdgeCAM.
8.4. Комплексные САПР
Разработка средств автоматизации носит все более комплексный характер. Все большее число разработчиков создает и выставляет на рынок комплексные
(или интегрированные) системы
CAD/CAM/CAE,
CAD/CAM/CAE/PDM и др. Рассмотрим некоторые из таких систем.
CATIA
CATIA V5 (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) – система автоматизированного проектирования французской фирмы Dassault
Systemes. Это комплексная система автоматизированного проектирования
(CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ), включающая в себя передовой инструментарий трёхмерного моделирования, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической информации. Система позволяет эффективно решать все задачи технической подготовки производства – от внешнего (концептуального) проектирования до выпуска чертежей, спецификаций, монтажных схем и управляющих программ для станков с ЧПУ.
CATIA V5 предназначена для того, чтобы моделировать и описывать изделие на всех этапах его жизненного цикла. В этой системе исключительно удачно реализованы сложные функции 3D-моделирования в сочетании с описанием всех процессов создания модели. Эта высокоуровневая САПР позволяет без труда наращивать функциональность с помощью