Я.М. Клебанов, А.Н. Давыдов, В.Л. Папировский

ИспользованиЕ программного комплексА ANSYS в учебном процессе

(Самарский государственный технический университет)

Быстрое развитие вычислительной техники и ее внедрение практически во все сферы жизни привело к тому, что сегодня грамотный специалист в любой области знаний должен хорошо ориентироваться в мире компьютеров и владеть необходимыми программными средствами. Современный инженер не возможен без знания систем автоматического проектирования (CAD - Computer Aids Design), автоматического производства (CAM - Computer Aids Manufacturring) и автоматического инженерного анализа (CAE - Computer Aids Engineering). Такие CAD/CAM системы как AutoCAD, DUCT, Pro/Engineer, Unigraphics и SolidsWorks широко используются для компьютерного моделирования изделий сложной формы, с последующим выпуском чертежей и генерацией управляющих программ для станков с ЧПУ. Однако эти специализированные пакеты численного моделирования не обладают развитыми средствами инженерного анализа. CAE-системы инженерного анализа (ABAQUS, ANSYS, COSMOS, I-DEAS, NASTRAN, и другие) позволяют не только выполнить качественное моделирование систем различной физической природы, но и исследовать отклик этих систем на внешние воздействия в виде распределения напряжений, температур, скоростей, электромагнитных полей и т.д. Использование таких программ помогает проектным организациям сократить цикл разработки, снизить стоимость изделий и повысить качества продукции. В связи с этим одной из новых задач высшей школы является подготовка специалистов, владеющих современными программными комплексами инженерного анализа.

Одним из самых распространенных таких комплексов сегодня является программа ANSYS, использующая метод конечных элементов. Многоцелевая направленность программы, независимость от аппаратных средств (от персональных компьютеров до рабочих станций и суперкомпьютеров), средства геометрического моделирования на базе B-сплайнов (технология NURBS), полная совместимость с CAD/CAM/CAE системами ведущих производителей и «дружеский» интерфейс привели к тому, что именно ANSYS в настоящее время используется во многих университетах для обучения студентов и выполнения научно-исследовательских работ.

Программа ANSYS может быть положена в основу сквозной подготовки студентов ряда специальностей, начиная с первого курса и заканчивая дипломным проектом. На первом курсе студент может ознакомиться с возможностями геометрического моделирования сложных конструкций средствами ANSYS, а также пересылки геометрии из CAD программ путем использования стандартных графических форматов IGES и STEP. Далее, в курсе теоретической механики, с помощью ANSYS могут решаться задачи статики, кинематики и динамики. Решение целого ряда задач может быть освоено студентами и в последующих курсах общеинженерных и специальных дисциплин. Благодаря наличию в ANSYS модулей теплового и гидроаэродинамического анализа, а также анализа электромагнитных, электрических полей и пьезоэлектрических явлений программа также может быть использована при подготовке специалистов по ряду специальностей большинства факультетов технического университета.

В настоящее время лицензионная версия ANSYS установлена на ряде кафедр СамГТУ, а в компьютерном классе Вычислительного Центра университета установлена учебная версия программы.

На кафедре “Теоретическая механика” накоплен опыт использования ANSYS не только в базовом курсе «Теоретическая механика», где проводятся лабораторные работы с использованием этой программы, но и с 1997 года в учебные планы ряда специальностей машиностроительного факультета вводятся новые дисциплины, направленные полностью на изучение ANSYS.

Например, в 1997-м году для магистров 5 курса кафедры «Технология машиностроения» был разработан и введен новый курс «Моделирование процессов механической обработки и сборки». Учебная программа этого курса рассчитана на 272 часа в 2-х семестрах и включает в себя лекции и лабораторные работы. В 9-м семестре – зачет, в 10-м – экзамен. Кроме того, в 10-м семестре студенты выполняют курсовой проект, в котором используют возможности программы для моделирования сложных процессов механической обработки и сборки. Для примера можно назвать лишь несколько тем курсовых проектов, выполненных в прошлом году: «Расчет деформаций дорожек качения подшипников от действия технологических остаточных напряжений», «Исследование напряженно-деформированного состояния в абразивных кругах», «Динамический анализ головки цангового механизма при закреплении в ней детали на шлифовальном станке», «Моделирование дробеструйной обработки», «Компьютерное моделирование процесса поверхностного пластического деформирования сферическим индентором» и др.. Отметим, что последняя из названных работ в прошлом году заняла почетное третье место во всероссийском конкурсе-выставке «Компьютерный инжениринг». Итоги этого конкурса были подведены в Москве на традиционных Гагаринских чтениях, а с апреля по август 1999 года эта работа была выставлена в Интернете, где любой желающий мог с нею ознакомиться.

Кроме того, результаты, полученные студентами в курсовых проектах, используются ими в своих магистерских диссертациях. В прошлом году состоялся выпуск первых магистров, изучающих ANSYS. Те дипломные работы, которые были выполнены с использованием ANSYS, явно выигрывали по сравнению с работами, где эта программа не применялась.

В 1998 году уже для студентов 2-го курса большинства специальностей машиностроительного факультета был разработан и введен новый курс «Прикладные задачи механики». Программа этого курса рассчитана на один семестр и включает в себя лекции и лабораторные работы объемом 119 часов. Группа делится пополам и два преподавателя проводят лабораторные работы в компьютерных классах Вычислительного центра, причем каждый студент работает за отдельным компьютером. Цель этого курса научить студентов использовать ANSYS для решения прикладных задач механики. В дальнейшем они могут использовать полученные навыки при изучении сопротивления материалов, теории машин и механизмов, деталей машин и в других дисциплин специальностей и специализаций.

В 99-м году к внедрению ANSYS в учебный процесс подключилась кафедра Высшей и прикладной математики. Были выделены дополнительные часы для проведения лабораторных работ по курсу «Численные методы решения краевых задач» со студентами 4-го курса специальности «Прикладная математика».

Кроме машиностроительного факультета в нашем университете работают с ANSYS на нефте-технологическом факультете. Там программа используется преподавателями и аспирантами при выполнении научно-исследовательских работ, а также некоторыми студентами в своих дипломных проектах.

На кафедре «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» нефтетехнологического факультета, обучающей одну группу студентов 18-20 человек на каждом курсе, программа Ansys используется следующим образом - для небольшой группы наиболее успевающих студентов (3-5 человек) четвёртого курса читается курс введения в Ansys. Студентам даются темы курсовых проектов, в последствие перерастающие в темы дипломных проектов, в которых задачу невозможно или очень трудоёмко решить традиционными методами. Студенты, выполняющие курсовых и дипломных проектов с применением Ansys, получают индивидуальные консультации по углублённому изучению необходимых разделов программы.

Таким образом, за последние два года студентами были исследованы несущие способности мачт подъёмников, используемых при капитальном ремонте нефтяных скважин. Установлены причины разрушения мачт подъёмника УПТ1-50 и даны рекомендации по их совершенствованию. Произведён сравнительный анализ несущей способности мачт подъёмников УПТ1-50 и А-50 и выявлены причины большей несущей способности мачты подъёмника А-50.

С помощью программы Ansys спроектировано несколько мачт коробчатой конструкции для подъёмников текущего и капитального ремонта скважин.

Аспирантами кафедры выполняются более сложные исследования напряжённого состояния резьбовых соединений обсадных труб и пластин теплообменников.

Первые выпускники кафедры, владеющие программой Ansys, уже работают на производстве и мы имеем сведения о том, что ряд предприятий заинтересованы во внедрении этой программы для решения своих задач.

Кафедра оказывает помощь организациям в проектировании переходов трубопроводов через железнодорожные пути, реки и прочие препятствия. При этом программа Ansys была использована и для расчёта футляров этих трубопроводов.

На кафедре планируется обучение всех студентов методу конечных элементов и программы Ansys в рамках курса «Расчёт и конструкция бурового и нефтепромыслового оборудования».

На кафедре «Теоретическая механика» ANSYS также используется в научных исследованиях. Под руководством профессора Я.М.Клебанова был разработан новый, эффективный метод решения физически нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, основанный на методе подконструкций и аппроксимирующих обобщенный моделях нелинейного деформирования. Основные теоретические положения, алгоритм и практическая реализация разработанного метода были представлены на 8-й Международной конференции и выставке “Simulating Real Life: Software with No Boundaries”, проведенной фирмой ANSYS (Klebanov J.M., Davydov A.N. Non-Linear Substructure Analysis // Proceeding of Eighth International Conference and Exhibition "Simulating Real Life: Software with No Boundaries." Pittsburgh, USA, 18-20 Aug. 1998. Pittsburgh, -1998). Эта работа получила высокую оценку и была признана лучшей работой в секции нелинейных задач. В 1999 годы мы получили приглашение принять участие в следующей конференции 28-30 августа 2000 г. “Simulation: Leading Design into the New Millennium." (Pittsburgh, USA). В настоящее время наша новая работа “Non Linear Domain Decomposition Method” принята в сборник трудов конференции, который выйдет из печати к августу 2000 г. . В 1999-2000 году профессор Я.М.Клебанов выполняет научную работу в одном из университетов США и ведет переговоры с фирмой ANSYS о внедрении разработанного нами метода в последующие версии этой программы.

В заключение хочется отметить, что во внедрении современных программных комплексов инженерного анализа типа ANSYS в учебный процесс заинтересованы как ВУЗы так и разработчики и дистрибьюторы этого программного обеспечения. Представители фирм заинтересованы, чтобы как можно больше специалистов работали с их программным обеспечением. Ведь когда выпускники ВУЗов придут на предприятия они и там будут внедрять и использовать эти программы. А ВУЗы благодаря использованию таких программ в учебном процессе внедряют методы активного обучения на базе компьютерной техники, повышают уровень подготовки специалистов, а также интерес студентов к изучаемым дисциплинам.

Сведения об авторах

Клебанов Яков Матвеевич – зав. каф. теоретической механики, профессор, д.т.н.

Телефон: (462) 33-52-58 (раб.)

e-mail: klebanov@sstu.samara.ru

Давыдов Андрей Николаевич – доцент кафедры теоретической механики, к.т.н.

Телефон: (462) 33-52-58 (раб.)

e-mail: adavydov@mail.ru

klebanov@sstu.samara.ru