Категории задач, для решения которых чаще всего применяются САЕ (computer aided engineering) системы. Архитектура и принцип работы стандартного САЕ-пакета, основные примеры систем: Salome, ANSYS (Swanson Analysis Systems) и MSC.Nastran, их характеристики.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Появление и последующее развитие технологий высокопроизводительных вычислений было вызвано необходимостью выполнения математических расчетов для различных исследований. Несмотря на то, что методы и алгоритмы этих расчетов не отличаются особой сложностью, объем самих вычислений настолько значителен, что небольшой группе исследователей практически невозможно выполнить их в приемлемые сроки и с должным качеством.

Первые инженерные пакеты были созданы в конце 60-х, начале 70-х годов именно для автоматизации рутинных вычислений. В англоязычной литературе такие пакеты обозначаются аббревиатурой CAE (computer aided engineering), а в России это понятие входит в состав САПР (системы автоматизированного проектирования). Задачи, для решения которых чаще всего применяются CAE-системы, можно разделить на следующие категории:

· прочностные расчеты различных деталей и узлов (расчет упругопластических деформаций и напряжений);

· гидродинамические расчеты (расчет характеристик различных одно- и многофазных течений, а также их эволюция во времени);

· термодинамические расчеты (расчет нагрева и остывания деталей и узлов);

· расчет электрических, магнитных и электромагнитных полей;

· различные комбинации предыдущих типов задач.

архитектура система принцип работа

1. Архитектура и принцип работы стандартного CAE-пакета

В основе большинства CAE-пакетов лежит метод конечных элементов. Идея этого метода заключается в замене непрерывной функции, описывающей изучаемое явление или процесс, дискретной моделью, которая строится на базе множества кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Каждая такая подобласть конечна и представляет собой часть (элемент) всей области, поэтому их называют конечными элементами . Исследуемая геометрическая область разбивается на элементы таким образом, чтобы на каждом из них неизвестная функция аппроксимировалась пробной функцией. Такое разбиение называется расчетной сеткой .

В качестве примера можно рассмотреть стальной цилиндрический прут, один конец которого помещен в огонь. Фрагмент прута, подверженный действию пламени, активно нагревается. То есть, на его цилиндрической поверхности действует источник тепла. Остальная часть прута нагревается только за счет явления теплопроводности - переноса тепла от горячих участков к более холодным. В самом грубом случае можно разделить прут на две части: с источником тепла на цилиндрической поверхности и с источником тепла в сечении цилиндра, параллельном основанию. Таким образом, одна комплексная (сложная) задача разбивается на две более простые.

Однако, получившиеся задачи всё равно слишком сложны для решения в общем виде, так как их решения представляют собой сложные экспоненциальные зависимости от координат и времени. Для упрощения можно разделить прут на более мелкие фрагменты (элементы), причем в элементах рядом с поверхностью задать выделение тепла во всем их объеме, а не только на границе (при выполнении определенных условий это оправдано), а в остальных элементах, ввиду их малости, искать приближенное решение в виде более простой зависимости (линейной или квадратичной). В этом случае сложная система дифференциальных уравнений для элемента сводится к более простой системе алгебраических уравнений. При таком подходе найти решение для каждой отдельной задачи будет намного проще.

Сложность подобного подхода заключается в необходимости решения большого количества таких упрощенных задач. В современных задачах используются сетки с десятками и сотнями миллионов элементов. Поэтому инженерные пакеты создаются с использованием технологий параллельного программирования, чтобы обеспечить необходимую вычислительную мощность.

Создание хорошей расчетной сетки также представляет собой нетривиальную задачу. Это связано с тем, что реальные детали машин имеют сложную геометрию и необходимо разделить их на такие элементы, чтобы приближенные решения не сильно отличались от точных. Поэтому, кроме самих CAE-пакетов, существует большое число приложений, выполняющих всего одну важную функцию: построение расчетной сетки. В англоязычной литературе подобные приложения называются mesher .

Модуль, отвечающий за решение системы уравнений, соответствующей сформированной сетке, называется решателем (в англоязычной литературе: solver ). Он получает все исходные данные и обрабатывает их на основе реализованных в нем методов.

В настоящее время компьютерное моделирование при помощи CAE-систем составляет значительную долю работы в любом серьезном научном или инженерном проекте. На рынке CAE-систем присутствуют известные коммерческие решения, например, ANSYS, Deform, Simulia (ранее Abaqus) и другие. Стоимость лицензий этих продуктов исчисляется сотнями тысяч и миллионами рублей, однако существуют и CAE-системы, относящиеся к свободному ПО.

Среди свободных CAE-пакетов наиболее известны: Salome, OpenFoam, Elmer. В качестве основных минусов этих пакетов можно отметить непроработанный интерфейс и отсутствие документации, особенно на русском языке. Впрочем, возможность их использования на любом количестве процессоров без каких-либо финансовых затрат на приобретение делает cвободные CAE-системы весьма привлекательными для использования в небольших компаниях и учебных заведениях.

2. Примеры CAE -систем

Salome

Большинство CAE-пакетов представляют собой законченные программные комплексы, содержащие в себе все, что необходимо для выполнения конечно-элементного моделирования. Salome - это платформа, предоставляющая функции предварительной и окончательной обработки задачи (pre-processing и post-processing ), т.е. есть определения геометрии, построения сеток, определение «траектории» вычислений, визуализацию результатов и т.д. В ней отсутствуют самые важные компоненты - решатели, но платформа Salome может расширяться за счет сторонних свободных или коммерческих модулей.

Основное предназначение платформы Salome - это создать некую унифицированную среду, после изучения которой пользователь сможет выполнять обработку исходных и полученных данных в привычной оболочке, вне зависимости от используемого решателя. Существует возможность подключить к данной оболочке решатели ANSYS и других коммерческих пакетов с помощью написания специальных модулей или управляющих сценариев, которые можно писать на языках Python или C++.

Внутренним языком платформы является Python, причем в самой платформе имеется встроенная консоль Python, которая может использоваться для выполнения пользовательских сценариев и автоматизации обработки множества типовых задач (пакетной обработки).

A NSYS

Конечноэлементный пакет. Фирма ANSYS,Inc. в течение 35 лет является одним из лидерhttp://www.ansys.ru/ов САЕ-рынка, разрабатывает и предлагает широкую линейку программных продуктов для автоматизированного инженерного анализа. Основанная г-ном Джоном Свонсоном, первоначально фирма называлась Swanson Analysis Systems, и предалагала только универсальный конечно-элементный комплекс ANSYS. Позднее программа дала имя и самой фирме. На сегодняшний день фирма является лидером рынка расчётных систем как по объёму продаж, так и по количеству используемых по всему миру рабочих мест её програмного обеспечения, и широте линейки и применимости программных продуктов: ANSYS, AutoDYN, CFX, Fluent, ICEM, Maxwell. Это лишь краткий список.

Линейка продуктов ANSYS широка и обеспечивает все нужды расчётчика на всех этапах его работы, начиная с построения или модификации геометрической и сеточной модели, далее переходя к эффективному решению задачи, и заканчивая обработкой, представлением и документированием результатов. ANSYS решает является инструментом для решения задач прочности, теплофизики, электромагнетизма.

MSC.Nastran

Общая характеристика . Главный продукт компании MSC.Software - MSC.Nastran - это лучшая на рынке конечно-элементная программная система. В сфере, где ненадежные результаты могут обернуться миллионами долларов дополнительных расходов на разработку, MSC.Nastran вот уже более 30 лет доказывает свою точность и эффективность. Постоянно развиваясь, он аккумулирует в себе достоинства новейших методик и алгоритмов и поэтому остается ведущей программой конечно-элементного анализа.

MSC.Nastran обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно - деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие. Расширенные функции включают технологию суперэлементов (подконструкций), модальный синтез и макроязык DMAP для создания пользовательских приложений.

Наряду с расчетом конструкций MSC.Nastran может 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. И все это делается одновременно путем вариации параметров формы, размеров и свойств проекта. Благодаря своей эффективности алгоритмы оптимизации обрабатывают неограниченное число проектных параметров и ограничений. Вес, напряжения, перемещения, собственные частоты и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (этом случае их можно минимизировать или максимизировать), либо в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения.

Широкие возможности функции оптимизации MSC.Nastran позволяют использовать его для автоматической идентификации компьютерной расчетной модели и эксперимента. Целевая функция определяется в виде минимизации рассогласования результатов расчета и эксперимента, варьируемыми параметрами выбираются наименее достоверные расчетные параметры конструкции. Как результат оптимизации MSC.Nastran выдает новую компьютерную модель, полностью соответствующую экспериментальной модели. MSC.Nastran - единственная из конечно-элементных программ, способная делать это автоматически.

MSC.Nastran также включает уникальную функцию оптимизации конструкции с неограниченными изменениями ее геометрической формы (изменение геометрической топологии объекта) при минимизации веса и удовлетворении граничным условиям по прочности. Данная функция позволяет использовать MSC.Nastran для автоматического проектирования силовых схем конструкций, когда на основе объемной массивной заготовки MSC.Nastran автоматически создает ажурную оптимальную конструкцию, максимально удовлетворяющую заданным условиям.

Применяется MSC.Nastran также и для планирования экспериментов (определения мест расположения датчиков) и оценки полноты полученных экспериментальных данных.

С помощью MSC.Nastran решаются также задачи моделирования систем управления, систем терморегулирования с учетом их воздействия на конструкцию.

На основе возможностей автоматического рестарта в MSC.Nastran проводятся сложные многошаговые исследования работы конструкции как при изменении условий нагружения, граничных условий и любых других параметров конструкции, так и при переходе от одного вида анализа к другому.

Основу MSC.Nastran составляют отработанная технология элементов и надежные численные методы. Программа позволяет одновременно применять в одной и той же модели h- и p-элементы для достижения точности расчета при минимальных компьютерных ресурсах. Элементы супер высокого порядка аппроксимации - p-элементы - хорошо отражают криволинейную геометрию конструкции и обеспечивают высокую точность при детальном расчете напряжений. Эти элементы автоматически адаптируются к желаемому уровню точности. Численные методы разреженных матриц, используемые при любом типе расчетов, резко повышают скорость вычислений и минимизируют объем требуемой дисковой памяти, что повышает эффективность обработки данных.

Тесная связь MSC.Nastran с MSC.Patran обеспечивает полностью интегрированную среду для моделирования и анализа результатов. Все ведущие производители пре - и постпроцессоров, а также систем автоматизированного проектирования, учитывая неоспоримое лидерство MSC.Nastran на рынке конечно-элементных программных продуктов, предусматривают прямые интерфейсы с этой системой. В результате MSC.Nastran гибко интегрируется в любую имеющуюся у Вас среду проектирования.

MSC.Nastran работает на персональных компьютерах, рабочих станциях и суперкомпьютерах, предусматривает возможности векторной и параллельной обработки данных на ЭВМ, которые поддерживают эти функции.

MSC.Nastran - это:

Эффективность решения больших задач за счет:

· Применения алгоритма обработки "разреженных" матриц

· Автоматической внутренней перенумерации матриц для уменьшения ширины ленты

· Возможности применения "рестарта" с целью использования уже полученных к этому моменту результатов

· Применения алгоритмов параллельных и векторных вычислений

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Внедрение технологии Computer-to-Plate. Образование печатных элементов на формных пластинах с помощью засветки пластин лазерным лучом и химической обработки. Формовыводные устройства для лазерной записи офсетных печатных форм, их характеристики.

реферат , добавлен 21.01.2010


Для решения задач теплопроводности применяют аналитические методы и численный метод. Чаще применяются: метод Фурье, метод источников и операторный метод. Уравнение процесса, удовлетворяющее дифференциальному уравнению теплопроводности и краевым условиям.

учебное пособие , добавлен 05.02.2009


Инженерные сети и системы. Структура систем автоматического управления. Структура систем телемеханики, основные функции и задачи. Принцип работы висцинового фильтра, регулятора высокого давления прямого действия. Одоризационная установка капельного типа.

курсовая работа , добавлен 17.10.2013


Технические характеристики и показатели оформления издания. Основные понятия о плоской офсетной печати. Разновидности ее форм. Классификация формных пластин для технологии Computer-to-Plate. Выбор оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

курсовая работа , добавлен 21.11.2014


Основные характеристики ротора компрессора К398-21-1Л. Определение собственных частот и форм колебаний. Модальный анализ блочным методом Ланцоша. Статический расчет рабочих колес. Возможности решения контактных задач в программном комплексе ANSYS.

курсовая работа , добавлен 20.06.2014


Назначение системы водяного охлаждения. Упаковка и комплектация продукции компании. Внутренняя структура ватерблока. История развития радиаторных систем. Основные характеристики устройства, принцип работы, тестирование. Техническое обслуживание систем.

курсовая работа , добавлен 13.02.2012


Основные понятия и определения алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) как комплексной программы алгоритмического типа, основанной на законах развития технических систем. Классификация противоречий, логика и структура АРИЗ. Пример решения задачи.

реферат , добавлен 16.06.2013


Основные виды экономической деятельности, в которых применяются информационные технологии. Особенности технологий мобильного предпринимательства. Роль и место автоматизированных информационных систем в экономике. Информационная модель предприятия.

контрольная работа , добавлен 19.03.2008


Системы вытяжной вентиляции с естественным побуждением. Неисправности вентиляционных систем. Схема выпуска канализации из здания. Схема насосной системы отопления, принципы ее работы и причины присоединения расширительного сосуда с обработкой магистрали.

контрольная работа , добавлен 10.10.2014


Особливість виготовлення флексографських друкованих форм за технологією Computer to Plate. Аналіз схеми прямого лазерного гравірування. Технологія одержання флексографської друкованої форми при використанні прямого запису зображення на формний матеріал.

Функции CAE -систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования , оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных CAE-систем прежде всего включают программы для выполнения следующих процедур:

моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ ;

расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в них средствами макроуровня ;

имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри .

Основными частями программ анализа с помощью МКЭ являются библиотеки конечных элементов, препроцессор, решатель и постпроцессор.

Библиотеки конечных элементов (КЭ) содержат модели КЭ - их матрицы жесткости . Очевидно, что модели КЭ будут различными для разных задач (анализ упругих или пластических деформаций, моделирование полей температур, электрических потенциалов и т.п.), разных форм КЭ (например, в двумерном случае - треугольные или четырехугольные элементы), разных наборов координатных функций .

Исходные данные для препроцессора - геометрическая модель объекта, чаще всего получаемая из подсистемы конструирования. Основная функция препроцессора - представление исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т.е. в виде множества конечных элементов.

Решатель - программа, которая ассемблирует (собирает) модели отдельных КЭ в общую систему алгебраических уравнений и решает эту систему одним из методов разреженных матриц .

Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это графическая форма. Пользователь может видеть исходную (до нагружения) и деформированную формы детали, поля напряжений, температур, потенциалов и т.п. в виде цветных изображений, в которых палитра цветов или интенсивность свечения характеризуют значения фазовой переменной .

Основные функции cad-систем

Функции CAD -систем в машиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относят черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D - получение трехмерных геометрических моделей, метрические расчеты, реалистичную визуализацию, взаимное преобразование 2D и 3D моделей. Трехмерные модели представляют в виде описания поверхностей, ограничивающих деталь, или указанием элементов пространства, занимаемых телом детали. Модели поверхностей сложной формы получают с помощью разновидностей кинематического метода , к которым относят вытягивание заданного плоского контура по нормали к его плоскости, протягивание контура вдоль произвольной пространственной кривой, вращение контура вокруг заданной оси, натягивание поверхности между несколькими заданными сечениями. В случае построения скульптурных поверхностей , проходящих через заданные точки пространства, применяют модели в форме Безье , а при требованиях высокой гладкости поверхности - модели в форме B-сплайнов . Синтез моделей сборок выполняют применением операций позиционирования и теоретико-множественных операций пересечения, объединения, вычитания к библиотечным элементам и вновь созданным моделям комплектующих деталей. В ряде систем предусмотрено также выполнение операций компоновки и размещения оборудования, проведения соединительных трасс и т.п.

К важным характеристикам CAD-систем относятся параметризация и ассоциативность . Параметризация подразумевает использование геометрических моделей в параметрической форме, т.е. при представлении части или всех параметров объекта не константами, а переменными. Параметрическая модель , находящаяся в базе данных, легко адаптируется к разным конкретным реализациям и потому может использоваться во многих конкретных проектах. При этом появляется возможность включения параметрической модели детали в модель сборочного узла с автоматическим определением размеров детали, диктуемых пространственными ограничениями. Эти ограничения в виде математических зависимостей между частью параметров сборки отражают ассоциативность моделей.

Параметризация и ассоциативность играют важную роль при проектировании конструкций узлов и блоков, состоящих из большого числа деталей. Действительно, изменение размеров одних деталей оказывает влияние на размеры и расположение других. Благодаря параметризации и ассоциативности изменения, сделанные конструктором в одной части сборки, автоматически переносятся в другие части, вызывая изменения соответствующих геометрических параметров в этих частях.

Корректные синтез и редактирование 3D твердотельных моделей изделий возможны с помощью нескольких методов.

Наиболее очевидный метод - задание проектировщиком изделия ограничений и условий, накладываемых на параметры модели и отражающих требования непересечения тел, соосности отверстий, компланарности, перпендикулярности и т.п.

В большинстве современных MCAD используется метод, основанный на использовании дерева построения модели. Деревом построения называют историю моделирования сборки, другими словами, последовательность операций создания модели, упорядоченную по времени их совершения. Согласно этому методу внесение изменений в ту или иную часть модели подразумевает переход в ту вершину дерева, которая соответствует изменяемой части, и после внесения изменений повторное выполнение всех последующих операций синтеза.

Третий способ - синхронное моделирование , основанное на автоматическом определении, благодаря применению экспертных систем , тех ограничений, которые в первом методе задаются пользователем. В результате упрощается работа конструктора, не требуются затраты времени на перестроение дерева модели.

CAE (англ. Computer-aided engineering) - общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.).

Современные системы инженерного анализа (или системы автоматизации инженерных расчётов) (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).

Численные методы

CAE системы могут использовать в своей работе следующие математические методы:

• Метод конечных элементов (МКЭ, Конечно-элементный анализ, КЭ анализ) - численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики.
• Метод конечных разностей - численный метод решения дифференциальных уравнений, основанный на замене производных разностными схемами. Является сеточным методом.
• Метод конечных объемов (Метод контрольных объемов) - численный метод интегрирования систем дифференциальных уравнений в частных производных.

Примеры CAE

• ABAQUS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
• ADAMS - система моделирования и расчёта многотельной динамики;
• ANSYS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
• APM WinMachine 2010 - отечественная универсальная система для проектирования и расчета в области машиностроения, включающая КЭ анализ с встроенным пре-/постпроцессором;
• APM Civil Engineering 2010 - отечественная универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором для проектирования и расчета металлических, железобетонных, армокаменных и деревянных конструкций;
• Autodesk Simulation - комплекс универсальных систем КЭ анализа со встроенными пре-/постпроцессорами (в комплекс входят Autodesk Simulation CFD - программа вычислительной гидрогазодинамики, Autodesk Simulation Mechanical - программа для механического и теплового анализа изделий и конструкций, Autodesk Simulation MoldFlow - программа моделирования процесса литья пластмассовых изделий под давлением);
• ESAComp - программная система конечно-элементных расчетов тонкостенных многослойных пластин и оболочек;
• EULER (Эйлер) - программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем;
• FEM-models - программный комплекс для моделирования и анализа методом конечных элементов. Специализация программы - геотехнические расчеты, совместные расчеты систем здание-основание;
• Femap - независимый от САПР пре- и постпроцессор для проведения инженерного анализа методом конечных элементов;
• АСОНИКА - Автоматизированная система обеспечения надёжности и качества аппаратуры (комплекс подсистем моделирования радиоэлектронной аппаратуры методом МКЭ и МКР);
• CAE Fidesys - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
• HyperWorks (HyperMesh, RADIOSS, OptiStruct, AcuSolve и др.) - универсальная программная платформа систем конечно-элементного анализа;
• Moldex3D - программная система конечно-элементного моделирования литья армированных пластмасс под давлением;
• MSC.Nastran - универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором MSC.Patran;
• NEiNastran - универсальная программная система конечно-элементного анализа;
• NX Nastran - универсальная система МКЭ анализа;
• OpenFOAM - свободно-распространяемая универсальная система КО пространственного моделирования механики сплошных сред;
• QForm 2D/3D - специализированный программный комплекс для моделирования и оптимизации технологических процессов объёмной штамповки;
• SALOME - платформа для проведения расчётов МСС (подготовка данных - мониторинг расчёта - визуализация и анализ результатов);
• SolidWorks Simulation - семейство расчетных пакетов в среде SolidWorks (прочность, динамика, тепло, частотный анализ, газо-гидродинамика и пр.);
• SAMCEF - универсальная система КЭ анализа с пре-постпроцессором SAMCEF Field;
• Simmakers CAE Platform - программная платформа для выполнения численного моделирования физических и технологических процессов со встроенным пре-/постпроцессором.
• SimulationX - программный комплекс для моделирования и анализа динамики и кинематики автомобилей, индустриального оборудования, электро-, пневмо- и гидроприводов, ДВС, гибридных двигателей и т. д.
• STAR-CD - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
• STAR-CCM+ - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
• T-FLEX Анализ - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
• CAElinux - дистрибутив операционной системы Линукс, включающий в себя ряд свободных САЕ-программ, в том числе OpenFOAM и SALOME.
• Универсальный механизм (UM) - программный комплекс предназначен для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических систем;
• ФРУНД - комплекс моделирования динамики систем твёрдых и упругих тел;
• MBDyn - система комплексного анализа и расчётов нелинейной динамики твёрдых и упругих тел, физических систем, «умных» материалов, электрических сетей, активного управления, гидравлических сетей, аэродинамики самолётов и вертолётов. * Распространяется на условиях лицензии GNU GPL 2.1.;

Функции CAD-систем в ма­шиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D - по­лучение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобра­зование 2D и 3D моделей.

Среди CAD-систем различают “легкие” и “тяжелые” системы. Первые из них ориентированы преимущественно на 2D графику, сравнительно дешевы и менее требовательны в отношении вычис­лительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое моделирование (3D), более универ­сальны, дороги, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей.

Основные функции CAM-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моде­лирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инст­румента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов обору­дования с ЧПУ (NC - Numerical Control), расчет норм времени обработки.

Наиболее известны (к 1999 г.) следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные для машиностроения. “Тяже­лые” системы (в скобках указана фирма, разработавшая или распространяющая продукт): Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC - Parametric Technology Corp.), СЛТ1Л (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.

“Легкие” системы: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПро Группа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (НИВЦ АСК, Москва).

Системы, занимающие промежуточное положение (среднемасштабные): Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), T-FlexCAD (Топ Системы, Москва) и др. С ростом возможностей персональных ЭВМ грани между “тяжелыми” и “легкими” CAD/CAM-системами постепенно стираются.

Функции CAE-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами ана­лиза, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных САЕ-систем прежде всего включают программы для следующих процедур:

Моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще все­го выполняется в соответствии с МКЭ;

Расчет состояний и переходных процессов на макроуровне;

Имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массо­вого обслуживания и сетей Петри.

Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ: Nastran, Ansys, Cosmos, Nisa, Moldflow.

Примеры систем моделирования динамических процессов на макроуровне: Adams и Dyna - в механических сис­темах, Spice - в электронных схемах, ПА9 - для многоаспектного моделирования, т.е. для моделирования систем, прин­ципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной природы.

Для удобства адаптации САПР к нуждам конкретных приложений, для ее развития целесообраз­но иметь в составе САПР инструментальные средства адаптации и развития. Эти средства представ­лены той или иной CASE-тсхнологисй, включая языки расширения. В некоторых САПР применяют оригинальные инструментальные среды.

Примерами могут служить объектно-ориентированная интерактивная среда CAS.CADE в системе EUCLID, содер­жащая библиотеку компонентов, в САПР T-Flex CAD 3D предусмотрена разработка дополнений в средах Visual C++ и Visual Basic.

Важное значение для обеспечения открытости САПР, се интегрируемости с другими автомати­зированными системами (АС) имеют интерфейсы, представляемые реализованными в системе форма­тами межпрограммных обменов. Очевидно, что, в первую очередь, необходимо обеспечить связи между CAE, CAD и САМ-подсистемами.

В качестве языков - форматов межпрограммных обменов - используются IGES, DXF, Express (стандарт ISO 10303-11, входит в совокупность стандартов STEP), SAT (формат ядра AC1S) и др.

Наиболее перспективными считаются диалекты языка Express, что объясняется общим характе­ром стандартов STEP, их направленностью на различные приложения, а также на использование в со­временных распределенных проектных и производственных системах. Действительно, такие форма­ты, как IGES или DXF, описывают только геометрию объектов, в то время как в обменах между раз­личными САПР и их подсистемами фигурируют данные о различных свойствах и атрибутах изделий.

Язык Express используется во многих системах интерфейса между CAD/CAM-системами. В частности, в систему CAD ++ STEP включена среда SDA1 (Standard Data Access Interface), в которой возможно представление данных об объек­тах из разных систем CAD и приложений (но описанных по правилам языка Express). CAD++ STEP обеспечивает доступ к базам данных большинства известных САПР с представлением извлекаемых данных в виде STEP-файлов. Интерфейс программиста позволяет открывать и закрывать файлы проектов в базах данных, производить чтение и запись сущностей. В качестве объектов могут использоваться точки, кривые, поверхности, текст, примеры проектных решений, размеры, свя­зи, типовые изображения, комплексы данных и т.п.

Определение CAD, САМ и CAE

Согласно предыдущему разделу, автоматизированное проектирование (computer- aided design - CAD) представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, также как и любое приложение, используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических программ для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс-инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция GAD - определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т, и,), поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах. Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

Автоматизированное производство (computer-aided manufacturing - САМ) - это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для планирования, управления и контроля операций производства через прямой или косвенный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое программное управление (ЧПУ, numerical conovl - NC). ЧПУ заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать, резать, фрезероваггь, штамповать, изгибать и иными способами превращать заготовки в готовые детали. В наше время компьютеры способны генерировать большие программы для станков с ЧПУ на основании геометрических параметров изделий из базы данных CAD и дополнительных сведений, предоставляемых оператором. Исследования в этой области концентрируются на сокращении необходимости вмешательства оператора.

Еще одна важная функция систем автоматизированного производства - программирование роботов, которые могут работать на гибких автоматизированных участках, выбирая и устанавливая инструменты и обрабатываемые детали на станках с ЧПУ Роботы могут также выполнять свои собственные задачи, например, заниматься сваркой, сборкой и переносом оборудования и деталей по цеху.

Планирование процессов также постепенно автоматизируется. План процессов может определять последовательность операций по изготовлению устройства от начала и до конца на всем необходимом оборудовании. Хотя полностью автоматизированное планирование процессов, как уже отмечалось, практически невозможно, план обработки конкретной детали вполне может бьггь сформирован автоматически, если уже имеются планы обработки аналогичных деталей. Для этого была разработана технология группировки, позволяющая объединять схожие детали о семейства. Детали считаются подобными, если опт имеют общие производственные особенности (гнезда, пазы, фаски, отверстия и т, д.). Для аЕггомалгического обнаружения схожести деталей необходимо, чтобы бала данных CAD содержала сведения о таких особенностях. Эта задача осуществляется при помощи объектно-ориентированного моделирования или распознавания элементов.

Вдобавок, компьютер может использоваться для того, чтобы выявлять необходимость заказа исходных материалов и покупных деталей, а также определять их количество исходя из графика производства. Называется такая деятельность планированием технических требований к материалу (material requirements planning - MRP). Компьютер может также использоваться для контроля состояния станков в цехе и отправки им соответствующих заданий.

Автоматизированное конструирование (computer-aided engineering - CAE) - это технология, состоящая в использовании компыотерных систем для анализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенствования и оптимизации его конструкции. Средства САЕ могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических расчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев и механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Программы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко в конструировании используется метод конечных элементов (finite - element method - FEM). С его помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля, потоки жидкостей и другие задачи с непрерывными средами, решать которые каким-либо иным методом оказывается просто непрактично. В методе конечных элементов аналитическая модель структуры представляет собой соединение элементов, благодаря чему она разбивается на отдельные части, которые уже могут обрабатываться компьютером.

Как отмечалось ранее, для использования метода конечных элементов нужна абстрактная модель подходящего уровня, а не сама конструкция. Абстрактная модель отличается от конструкции тем, что она формируется путем исключения несущественных деталей и редуцирования размерностей. Например, трехмерный объект небольшой толщины может быть представлен в виде двумерной оболочки. Модель создается либо в интерактивном режиме, либо автоматически. Готовая абстрактная модель разбивается на конечные элементы, образующие аналитическую модель. Программные средства, позволяющие конструировать абстрактную модель и разбивать ее па конечные элементы, называются препроцессорами (preprocessors). Проанализировав каждый элемент, компьютер собирает результаты воедино и представляет их в визуальном формате. Например, области с высоким напряжением могут быть, выделены красным цветом. Программные средства, обеспечивающие визуализацию, называются постпроцессорами (postprocessors).

Существует множество программных средств для оптимизации конструкций. Хотя средства оптимизации могут быть отнесены к классу САЕ, обычно их рассматривают отдельно. Ведутся исследования возможности автоматического определения формы конструкции путем объединения оптимизации и анализа. В этих подходах исходная форма конструкции предполагается простой, как, например, у прямоугольного двумерного объекта, состоящего из небольших элементов различной плотности. Затем выполняется процедура оптимизации, позволяющая определить конкретные значения плотности, позволяющие достичь определенной цели с учетом ограничений на напряжения. Целью часто является минимизация веса. После определения оптимальных значений плотности рассчитывается оптимальная форма объекта. Она получается отбрасыванием элементов с низкими значениями плотности.

Замечательное достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания и тестирования реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизации и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам САЕ) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

Таким образом, технологии CAD, САМ и САЕ заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясь независимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал интеграции проектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризованного

интегрированного производства (computer - integrated manufacturing - С/М). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе и превратить их в бесперебойно и эффективно работающую систему. CIM подразумевает использование компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предприятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, а не только проектированием и производством, которые охватывались системами CAD, САМ и CAE. С1М часто называют философией бизнеса, а не компьютерной системой.

Наконец, системы управления инженерными данными (PDM - Product Data Management) обеспечивают хранение и управление проектно-конструкторской документации разрабатываемых изделий, ведение изменений в документации, сохранение истории этих изменений и т. п.

Итак, термин САПР (система автоматизации проектирования) подразумевает комплексный подход к разработке изделия и включает совокупность систем CAD/CAM/CAE. Развитие систем геометрического моделирования, анализа и расчета характеристик изделия сопровождается интеграцией в рамках предприятия. Мировой рынок обособленных CAD/CAM решений уже насыщен, системы близки по функциональности, и темпы роста этого сегмента рынка минимальны. По этой причине происходит усиление интеграции систем CAD/CAM/CAE с системами PDM, которые позволяют хранить и управлять проектно-конструкторской документацией на разрабатываемые изделия, вносить в документацию изменения, поддерживать хранение истории этих изменений. Распространение функций PDM-систем на все этапы жизненного цикла продукции превращает их в системы PLM (Product Lifecycle Management). Развитие систем PLM обеспечивает максимальную интеграцию процессов проектирования, производства, модернизации и сопровождения продукции предприятия и по сути имеет много общего с концепцией интегрированной поддержки жизненного цикла изделия (CALb-технологии).

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Кафедра: Инновационные технологии в машиностроении

Реферат по дисциплине

Инженерный анализ изделий в САПР

САЕ системы. Решаемые задачи. Представители.

Выполнил:

студент группы ТКА-13-1бзу

Азанов А.С.

Проверил ст. преподаватель:

Осипович Дарья Андреевна

1. Общие понятия о САЕ системах…………………………………………………………………………3

2. Классификация САЕ систем……………………………………………………………………………...3

3. Возможности САЕ систем……………………………………………………………………………….4

4. Фирмы – представители САЕ систем…………………………………………………………………..4

5. Система NX CAE…………………………………………………………………………………………6

6. Этапы работы с САЕ…………………………………………………………………………………….10

Общие понятия о CAE системах.

CAE (Computer-Aided Engineering) - комплекс программных продуктов, которые способны дать пользователю характеристику того, как будет вести себя в реальности разработанная на компьютере модель изделия. По-другому CAE можно назвать системами инженерного анализа. В своей работе они используют различные математические расчеты: метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов. При помощи CAE инженер может оценить работоспособность изделия, не прибегая к значительным временным и денежным затратам.

CAE неразрывно связаны с CAD и CAM. Развитие этих программных продуктов шло параллельно. В начале 80-х годов XX столетия первые пользователи CAD/CAM/CAE применяли для работы графические терминалы, которые были компонентами мейнфреймов IBM и Control Data. Основными поставщиками аппаратного и программного обеспечения CAD/CAM/CAE были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph. Поскольку мейнфреймы того времени были несовершенными, то появлялись определенные трудности. Интерактивный режим работы был практически недоступен из-за большой нагрузки на центральный процессор. Стоимость одной CAD/CAM/CAE системы составляла порядка $90000. С развитием прогресса аппаратные платформы CAD/CAM/CAE систем перешли с мейнфреймов на персональные компьютеры. Это было связано с меньшей стоимостью и большей производительностью ПК по сравнению с мейнфреймами. Закономерно снизилась и цена на CAD/CAM/CAE до $20000. На базе ПК создавались рабочие станции для CAD, которые поддерживали архитектуру IBM PC или Motorola. В середине 80-х годов появились архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). На их основе были разработаны более производительные рабочие станции, опиравшиеся на операционную систему Unix. С середины 90-х годов конкуренцию системам RISC/Unix

Классификация САЕ систем.

САЕ системы подразделяются:

Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов. В них предусмотрены собственные средства моделирования геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid, ACIS. Самыми известными подобными системами считаются ANSYS/Multiphysics, AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN.

Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР, имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую систему проектирования тяжелой САПР. К ним относятся Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER, Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX, Extensive Digital Validation (CAE) для I-deas, Catia CAE для CATIA;

Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD-системы, другие считывают геометрию из CAD. К первым относятся COSMOS/Works, COSMOS/Motion, COSMOS/FloWorks для SolidWorks, ко вторым - visualNastran, Procision.

Возможности САЕ систем.

С помощью САЕ можно проводить:

· Стресс-анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;

· Термический и гидродинамический анализ;

· Кинематические исследования;

· Моделирование таких процессов, как литье под давлением;

· Оптимизацию продуктов или процессов.

4. Фирмы – представители CAE систем .

Основные фирмы – представители CAE – систем:

Пакет SolidWorks. Это мощный машиностроительный CAD пакет для твёpдотельного пapaметpического моделиpовaния сложных деталей и сборок. Системa констpуиpовaния сpеднего клaссa, бaзиpующaяся нa пapaметpическом геометpическом ядpе Parasolid. Создaнa специaльно для использовaния нa пеpсонaльных компьютеpaх под упpaвлением опеpaционных систем Windows 95 и Windows NT.

1. SolidWorks.
2. Аскон.
3. Delcam.

Пакет Pro/ENGINEER. Это система высокого уровня, САПР для единого цикла проектирование-производство. Программный комплекс Pro/ENGINEER охватывает весь цикл "конструирование - производство" в машиностроении. Во всем мире более 16000 компаний используют программные продукты фирмы РТС для сокращения длительности сквозных проектно-производственных циклов, оптимизации инженерных процессов и улучшения качества продукции. Ядро Pro/ENGINEER использует уникальную по своим возможностям технологию -- Proven Technology, основанную на граничных представлениях
Разработчик - Parametric Technology Corporation, США.

Примеры фирм – представителей:

Пакет SolidCAM. Пакет генерации управляющих программ для станков с ЧПУт при обработке деталей, содержащих сложную поверхностную или твердотельную геометрию. Обеспечивает 2,5 и 3-осевую фрезерную обработку, токарную обработку, визуализацию процесса обработки.
Разработчик - CADTECH, Израиль.

Пакет Ansys. Конечноэлементный пакет. Самое широко используемое средство обеспечения инженерных расчётов в мире. Универсальный расчетный комплекс, применяемый в различных видах анализа. Используется для расчета конструкций различного типа (авиастроение, судостроение, машиностроение, строительство, энергетика, электронная промышленность и др.) на воздействия различной природы. С его помощью производится как линейный, так и нелинейный статический и динамический анализ конструкций, анализ усталостных разрушений, решение линейных и нелинейных задач устойчивости и теплофизики. Задачи гидро- и газодинамики, акустики, электродинамики и электростатики, пьезоэлектричество. Единственный из представленных на мировом рынке комплекс, с помощью которого с использованием одной базы решаются связанные задачи типа теплофизика-прочность, электродинамика-прочность, гидро-газодинамика и прочность и др. ANSYS позволяет конструктору ещё в процессе проектирования предсказать поведение изделия и провести прочностной, модальный и тепловой анализы.; сведения о напряжениях, деформациях, распределениях температур и тепловых потоков, возникающих в изделии. Основываясь на выводимых программой цветовых контурах, представляющих градации "необходимости" материала (оставить, убрать), конструктор убирает ненужный материал, подводя конструкцию к оптимальному весовому соотношению.
Разработчик - ANSYS Inc., США.

Пакет Unigraphics. Система Unigraphics является CAD/CAM/CAE - системой высокого уровня. Unigraphics позволяет осуществлять полностью виртуальное проектирование изделий, механообработка деталей сложных форм, имеет полностью ассоциативную базу данных мастер-модели, Unigraphics Solutions , одна из самых быстроразвивающихся компаний, производящих системы автоматизированного проектирования, производства и управления проектами, занимается разработкой, продажей и технической поддержкой программного обеспечения для автоматизации проектирования, производства, инженерного анализа и управления проектами для всех областей промышленности, включая автомобилестроение, авиационную и космическую промышленности, станкостроение, производство товаров народного потребления и т.п.
Серия продуктов Unigraphics Solutions, Inc.: Unigraphics Solutions, Parasolid, Solid Edge, Unigraphics, IMAN, ProductVision, GRIP .
Разработчик - Unigraphics Solutions, Inc., США.

Пакет CATIA. CATIА/CADAM Solutions - это полностью интегрированная универсальная CAD/CAM/CAE система высокого уровня, позволяющая обеспечить параллельное проведение конструкторско-производственного цикла CATIA, являясь универсальной системой автоматизированного проектирования, испытания и изготовления, широко применяется на крупных машиностроительных предприятиях во всем мире для автоматизированного проектирования, подготовки производства, реинжиниринга. Число фирм-пользователей CATIA превышает 8 тысяч.

Функции, поддерживаемые CATIA/CADAM Solutions :
- администрирование - планирование, управление ресурсами, инспектирование и документирование проекта;
- самый совершенный моделлинг;
- описание всех механических связей между компонентами объекта и приведение их в состояние пространственного взаимопозиционирования;
- автоматический анализ геометрических и логических конфликтов
- анализ свойств сложных сборок;
- разработанный инструментарий трассировок систем коммуникаций с соблюдением заданных ограничений;
- специализированные приложения для технологической подготовки производства.

Компании DASSAULT SYSTEMES (Франция) и IBM (США) являются совместными разработчиками и распространителями системы автоматизированного проектирования. В последние три года параллельно сосуществуют две CATIA: версии 4 и 5, причем версия 4 - только на рабочих станциях и на ядре DASSAULT SYSTEMES, а версия 5 - и для РС на ядре CASCADE разработки MATRA.