Лекция 7 «Основы разработки эскизных, технических и рабочих проектов»

21.10.2018 10:18 Александр
Печать

Преподаватель Грядунов И.М.

На случай, если картинки не загрузились, вот резервный файл.

1. Автоматизация технических расчётов в современных CAD/CAE-системах

История

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 составили технологии, разработанные компанией Intel на основе операционных систем MS Windows NT и MS Windows 2000. В настоящее время стоимость CAD/CAM/CAE систем снизилась и составляет не более $10000.

Классификация


Возможности САЕ

С помощью САЕ можно проводить:

Этапы работы с САЕ

Отрасли применения

Наибольшей популярностью САЕ пользуются в следующих отраслях производства: машиностроение и станкостроение, оборонная и аэрокосмическая промышленность, энергетика, судостроение, производство полупроводников, телекоммуникации, химическая, фармацевтическая и медицинская промышленность, строительство, производство систем отопления, кондиционирования, вентиляции.

Опыт использования САЕ в автомобильной промышленности

Преимущество систем САЕ состоит в том, что автопроизводители могут проводить компьютерное тестирование разрабатываемых моделей. Это позволяет сосредоточить максимум внимания на повышении безопасности, комфортности и долговечности автомобилей, не затрачивая при этом финансовых средств. Безопасность пассажиров при столкновениях может быть оценена при помощи таких программных продуктов, как RADIOSS, LS-DYNA, PAM-CRASH.

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения. Преследуются следующие цели:

Мировой рынок

По прогнозу TechNavio (весна 2013 года), рынок CAE в ближайшие пять лет будет ежегодно расти на 11,18% и к 2016-му достигнет 3,4 млрд. долл. Этот рост обусловлен целым рядом факторов, главный из которых — необходимость ускорения выпуска продукции на рынок. А основным тормозом, как и в случае CAD, является рост популярности систем с открытым исходным кодом, обусловленный высокой стоимостью лицензий на коммерческие CAE-системы.

Из географических регионов самым большим с точки зрения востребованности CAE в 2012-м стала Северная Америка, а по темпам роста первое место занял Азиатско-Тихоокеанский регион, в котором активно развивается промышленность.

Наибольшее распространение CAE-системы получили в автомобиле- и самолетостроении, электротехнике и электронике, тяжелом машиностроении и оборонной отрасли. Самый высокий рост спроса на CAE ожидается в автомобильной промышленности, а наименьший — в тяжелом машиностроении.

Ведущие позиции на рынке CAE занимают Ansys, MSC Software, Dassault Systemes, CD-adapco Group и LMS International. Кроме них в этой области работает немало менее крупных компаний, но число фирм, сосредоточенных только на CAE, сокращается, так как их покупают более крупные игроки ради их технологий.

В своем комментарии аналитики из TechNavio отметили, что некоторые крупные глобальные поставщики CAE и PLM начали продвигать `глобализованные` лицензии, которые позволяют купившим их заказчикам использовать CAE-системы в любой точке мира и обращаться за услугами поддержки в офис поставщика в любой стране. Это позволяет вендорам устранить разницу в стоимости своих продуктов в различных странах и продавать их по одной цене по всему миру. Аналитики ожидают, что данный подход будет применять все больше поставщиков CAE и PLM, и тогда на рынке произойдут значительные перемены с точки зрения ценовой политики вендоров.

В 2008-2009 годах SolidWorks продолжил развиваться как универсальная система проектирования. Возможности модулей инженерного анализа также претерпели более-менее существенные изменения. Модификация затронула как собственно функциональность расчетных модулей, так и их взаимодействие с процедурами проектирования в среде SolidWorks. По сути, создана единая среда проектирования и анализа, по степени универсальности и соотношению «функциональность/цена» практически не имеющая аналогов среди сопоставимых продуктов.

Факт стирания различий между разными составляющими SolidWorks выразился в изменении названий основных расчетных модулей с включением в новые названия имени основного продукта — SolidWorks. В нашем рассказе мы будем оперировать новыми именами расчетных модулей, параллельно упоминая для удобства давно знакомых с SolidWorks читателей и старые названия. Вообще изменение имен носит «косметический» характер и на функциональности как таковой не отражается. В связи с этим в течение некоторого времени компания SolidWorks Russia предполагает одновременно с новыми названиями использовать и старые.

SolidWorks Motion

В SolidWorks Motion (бывший COSMOSMotion) дальнейшее развитие получили функциональность и интерфейс, объединяющие геометрическое проектирование и моделирование кинематики и динамики. Некоторые опции, описывающие свойства объектов, встроены непосредственно в Менеджер свойств SolidWorks, остальные представлены в Менеджере движения.

Новые возможности, в принципе, делятся на две группы: те, что действительно оригинальны относительно «старой» функциональности SolidWorks Motion, и те, что в определенном смысле восстанавливают возможности SolidWorks Motion, частично утраченные при переходе к «интегрированной» реализации 2008 года.

Кроме того, значительно повышена надежность работы как собственно вычислительных процедур, так и внутреннего интерфейса между графической оболочкой и расчетными алгоритмами.

Модель движения на базе блоков эскизов

Модель движения на базе блоков эскизов

Общие усовершенствования

Модель с сопряжением пути

Модель с сопряжением пути

Функциональность SolidWorks Motion

Изменения функциональности при переходе на новую версию в целом можно классифицировать как эволюционные. Акцент сделан на адаптации алгоритма, ориентированного на идеальную модель механизма c жесткими объектами, для реальных задач функционирования податливых систем.

Локальное сопряжение для модели движения

Локальное сопряжение для модели движения

SolidWorks Flow Simulation

Основные усовершенствования SolidWorks Flow Simulation 2009 (бывший COSMOSFloWorks) направлены на повышение качества интерфейса (как графического, так и алгоритмического), а также на поддержку современных вычислительных средств.

Общие усовершенствования

Параметры податливых втулок для замены избыточных ограничений

Параметры податливых втулок для замены избыточных ограничений

Физические модели

- модель Cross-William-Landel-Ferry (Cross-WLF), более адекватно описывающая зависимость вязкости от температуры и давления,

- полиномиальная аппроксимация зависимости вязкости от скорости сдвига;

Сопряжение «шарнир»

Сопряжение «шарнир»

Препроцессор

Коэффициент использования ресурсов процессоров в Flow Simulation

Коэффициент использования ресурсов процессоров в Flow Simulation

Постпроцессор

- Air age — время действия воздуха — время прохождения воздухом расстояния от одной точки внутреннего объема до другой, находящейся в нем;

- Average age of air — среднее время действия воздуха (имеются в виду местные значения этого параметра для внутреннего проветриваемого объема);

- Local mean age of air — местное значение времени действия воздуха — среднее время прохождения воздухом расстояния от входа до какой-либо точки.

Полиномиальная аппроксимация вязкости

Полиномиальная аппроксимация вязкости

SolidWorks Simulation

Основные направления развития SolidWorks Simulation (бывший COSMOSWorks) — создание и развитие виртуальных сущностей, призванных упростить построение расчетных моделей сложных систем при сохранении удобного интерфейса. В частности, это касается задач, где необходим анализ систем, содержащих конструктивные элементы в виде тел, оболочек и балок с разнообразными соединениями и неканоническими условиями нагружения.

Кроме того, уделяется внимание повышению вычислительной эффективности алгоритмов, что позволяет рационально использовать современные компьютеры.

Два множества характеристик объектов при теплообмене излучением

Два множества характеристик объектов при теплообмене излучением

Граничные условия на фоне модели

Граничные условия на фоне модели

Местное значение времени действия воздуха на фоне линий тока

Местное значение времени действия воздуха на фоне линий тока

Общие усовершенствования

Интерфейс

- панели инструментов объединены в единую панель с подсвечиваемыми активными командами,

- менеджер команд исследований зависит от выполняемого исследования и может настраиваться,

- в дереве исследования отображается только активное исследование, а остальные присутствуют в виде вкладок в Менеджере движения,

- в дереве исследования пиктограммы, обозначающие контактные и граничные условия, перегруппированы,

- в Менеджер свойств кинематических и статических граничных условий, а также соединителей добавлена вкладка Разделить, позволяющая в фоновом режиме построить линию разъема на соответствующей грани. Это облегчает локализацию соответствующих объектов;

Граничные условия

Сетка

- твердотельная геометрия автоматически аппроксимируется твердотельными конечными элементами,

- поверхностная геометрия автоматически покрывается оболочечными конечными элементами,

- тела из листового металла автоматически (неявно) преобразуются в поверхности, на базе которых строится сетка оболочек с автоматически назначаемой толщиной (за исключением исследования Испытание на ударную нагрузку). Более того, если такие тела контактируют между собой по граням, то оболочки сшиваются на участках с общей площадью,

- структурные элементы (балки) SolidWorks автоматически преобразуются в балки Simulation с возможностью корректировки подвижности/фиксации в соединениях. Соединения формируются автоматически с дальнейшей их модификацией;

- исключить из анализа,

- сделать жестким,

- сделать деформируемым,

- зафиксировать (при этом тело автоматически становится недеформируемым),

- перемещающийся;

Несовместные сетки для термоупругого анализа

Несовместные сетки для термоупругого анализа

Изменения в реализации анализов определенных типов

- симметричный относительно нейтральной поверхности многослойный материал в смысле толщины и углов укладки арматуры. Материалы слоев могут быть линейно-упругими ортотропными и изотропными,

- несимметричный по толщине и схеме армирования материал,

- сэндвич-панель, образованная симметричными наружными тонкими жесткими слоями и относительно толстым податливым внутренним слоем.

- Для оценки прочности анизотропных оболочек реализованы критерии прочности Цая — Ву и Цая — Хилла. Компоненты напряжений и деформаций автоматически вычисляются в системе координат, связанной со слоем;

Многослойные анизотропные оболочки

Многослойные анизотропные оболочки

Соединители

Напряжения в слое

Напряжения в слое

Контактные условия

- грань или кромка оболочки с гранью твердого тела,

- грань или кромка оболочки с гранью оболочки,

- оболочка, построенная на базе объекта из листового металла, со структурным элементом балочной геометрической модели;

Модель с комбинированной сеткой на базе конструкции с зазорами

Модель с комбинированной сеткой на базе конструкции с зазорами

Автоматическое связывание в сетке оболочек на базе модели из листового металла

Автоматическое связывание в сетке оболочек на базе модели из листового металла

Отображение и обработка результатов

Сохранение деформированной модели конструкции для последующего оптического анализа

Сохранение деформированной модели конструкции для последующего оптического анализа

Дополнительные замечания о комплектации модулей SolidWorks Simulation

Примечание, касающееся COSMOSFloWorks PE — ныне SolidWorks Flow Simulation (Premium), заключается в том, что конфигурация STD как таковая более не поставляется и все пользователи SolidWorks Flow Simulation всегда получают его максимальный по функционалу вариант. Увидеть функционально ограниченную версию STD можно лишь в период эксплуатации до регистрации продукта.

Не изменяется ценовая политика в части отсутствия отдельных лицензий (соответственно дополнительной платы) за поддержку многопроцессорности/многоядерности и за работу в 64-разрядных операционных системах как 64-разрядного приложения. В стандартную поставку входят два установочных диска: для Windows XP/Vista для 32 и 64 разрядов.

Как всегда, лицензии для учебных заведений включают все расчетные модули SolidWorks без ограничения функциональности, в частности SolidWorks Simulation Premium. Единственным исключением на данный момент является отсутствие поставки 64-разрядной версии системы, что не отменяет, разумеется, возможности использования 32-разрядного приложения в 64-разрядной ОС. В этом случае лимитироваться будет только максимальная доступная для одной задачи оперативная память — порядка 2,5 Гбайт, чего более чем достаточно для решения абсолютного большинства как учебных, так и академических задач.

Что касается взаимодействия с учебными заведениями, то дальнейшее развитие получила подготовка преподавателей. В течение последних лет в рамках программы SWR-Академия производилось (а в перспективе будет развиваться) бесплатное обучение не только базовым возможностям SolidWorks, но и модулям семейства Simulation с такой же продолжительностью. Также фирма оказывает техническую поддержку и консультации по всем актуальным вопросам. При этом слушатели получают для дальнейшей работы методические материалы. Наряду с тем, что как у SolidWorks, так и у модулей семейства Simulation (пока за исключением Flow) русскоязычными являются не только интерфейс, но и справочная система и описания учебных примеров, формальные проблемы при организации учебного процесса у клиентов отсутствуют.

В заключение отметим, что в данной статье приведена только конспективная информация о новых возможностях модулей инженерного анализа, однако она свидетельствует об их непрерывном развитии. Кроме того, следует упомянуть еще об одном обстоятельстве, стимулирующем внедрение более свежих версий. Дело в том, что в новые продукты гласно (с публикацией в информационных материалах, доступных как поставщикам программного обеспечения, так и лицензионным пользователям), а для несущественных моментов — негласно вносится ряд изменений, исправляющих ошибки и неточности, имевшие место в предыдущих версиях программ. Разработчики, разумеется, стремятся внести изменения в действующие версии. В продуктах SolidWorks жизненный цикл обновлений, доступных лицензионным пользователям, составляет практически два года. Однако существуют функции, которые применяются в достаточно экзотических комбинациях, когда проблемы диагностируются в конце даже столь долгого жизненного цикла программ. В этом случае «работа над ошибками» переносится в следующую версию, а информация об изменениях становится доступной пользователям.