Программные комплексы инженерного анализа

8. Программные комплексы инженерного анализа (САЕ-системы)

§8.1. Общие сведения

САЕ – computer aided engineering – инженерные расчеты, выполненные с помощью компьютера. Назначение САЕ - систем – моделирование рабочего процесса объектов (НДС, течение жидкостей, магнитные поля…).

Цель применения САЕ:

1. Проектирование.

2. Исследование поведения объектов в процессе испытания и эксплуатации.

Рекомендуемые материалы

Наивысшим уровнем развития САЕ – систем является виртуальный стенд.

§8.2. Классификация программных комплексов (ПК)

I. По назначению:

1) Многодисциплинарные ПК (универсальные). Позволяют на основе одной геометрической модели производить различные виды анализа: тепловой, газодинамический, напряженно-деформированное состояние… Это такие ПК, как NASTRAN, ANSYS, COSMOS.

Недостатки:

- требуются большие ресурсы ЭВМ,

- используется один метод решения, который не всегда одинаково хорош для решения всех задач.

2) Монодисциплинарные ПК.  Позволяют решать задачи только в одной области. Это AUTOSEA, CFX, ADAMS.

3) Специализированные ПК. Применяются для расчета конкретных технических объектов. Это Flower, AEROCAM, CODAS.

4) Вспомогательные ПК. Применяются на отдельных этапах решения задач. Например, ICEM – создание сетки.

II. По способу представления объектов:

1) ПК континуального моделирования – для моделирования сплошных сред (ANSYS, NASTRAN…).

2) ПК дискретного моделирования, т.е. в виде отдельных частей (DWIG, Gasturb…).

§8.3. Основа и структура ПК

Основой любого ПК является математическая модель процесса (системы дифференциальных уравнений, алгебраических уравнений…)

МКЭ – метод конечных элементов;

МКР – метод конечных разностей;

МКО – метод конечных объемов.

Структура ПК:

Препроцессор (подготовка модели задачи)

Процессор (решение системы уравнений)

Постпроцессор (просмотр и анализ результатов)

§8.3.  Основная характеристика отдельных программных комплексов

NASTRAN (США, по заказу NASA). Универсальный ПК, очень мощный, предназначенный первоначально для решения аэродинамических задач. Способен решить любые машиностроительные задачи. В основе лежит метод конечных элементов.

COSMOS (США). Наиболее простой и дешевый среди своих аналогов.

ANSYS Самый старый ПК. Создавался как пакет для поддержки научных работ. Является наиболее используемым и дешевым.

StarCD (Великобритания) Специализированный газодинамический ПК. Создавался по заказу автомобильной промышленности Великобритании. Является монодисциплинарным ПК.

Fluent (США) – газодинамический ПК. Создавался в 1980-82гг. по заказу химической промышленности.

CFX (США) Создавался в 1980г. Для решения гидрогазодинамических задач.

AutoSEA Предназначен для решения задач по акустике, вибрации.

LS-DYNA Является самостоятельным модулем ANSYSа, предназначенным для решения высокоградиентных задач механики деформированного тела (столкновение машин, пули, штамповка…).

ADAMS Создан для кинематического и динамического анализа механизмов.

FlowVISION (Россия) Создавался в 1999-2002 гг. для решения гидрогазодинамических задач.

Gas Dynamic Tools (Россия, г.Тула) Предназначен для решения высокоградиентных гидрогазодинамических задач (взрывы, пуски ракет…).

§8.4. Программный комплекс ANSYS

§8.4.1. Запуск ANSYS

Пуск → Программы → ANSYS 5.7.→Interactive.

Рисунок 1 – Панель входа в программу ANSYS 5.7.

§8.4.2. Основные меню, окна, панели

Рисунок 2 – Вид экрана при запуске ANSYS 5.7.

– ANSYS Utulity menu – набор часто используемых процедур, доступных в любой момент работы программы;

– ANSYS Input – панель для ввода команд с клавиатуры;

– ANSYS Toolbar – панель инструментов;

– ANSYS Main menu –  основное меню;

– ANSYS Graphics – окно для графического изображения модели и результатов расчета;

– ANSYS Output Window – окно сообщений системы.

Меню «Utulity menu »:

Fale – меню операции с файлами;

Select – меню выбора объекта;

List – меню вывода текстовой информации об объектах;

Plot – меню вычерчивания (рисования);

Plot Ctrls – меню управления вычерчиванием объекта (повернуть, увеличить…);

WorkPlane – управление рабочей плоскостью (разрезы, сечения…);

Parameters – меню выполнения математических действий;

Macro – меню макросов;

Menu Ctrls – меню управления панелями на экране;

Help – помощь.

Меню «Toolbar »:

Save_DB – сохранить базу данных;

Resume_DB – возобновить базу данных;

QUIT – выход.

Меню «Main Menu»:

Preferences (фильтр программы);

Preprocessor;

 Solution (решатель);

General Postprocessor (обработка результатов).

Рассмотрим более подробно подменю Preprocessor

Element Type – выбор типа конечного элемента (всего около 180 типов);

Real Constant – задание констант, необходимых для некоторых типов элементов;

Material Propset – назначение свойств материала (Е, σ,…);

Modeling – создание геометрической модели;

Mesh Tool – создание конечно-элементной сетки;

Cheking CTRLS – проверка модели;

Loads – задание граничных условий.

Меню Modeling:

Create – создание;

Operate – преобразование;

Move – перемещение;

Reflect – отражение;

Cheak geom –проверка геометрии;

Delete – удаление;

Update – модернизация.

Меню Create:

Keypoints – ключевые точки;

Line – линии;

Areas – области;

Volumes – объемы;

Nodes – узлы;

Elements – элементы.

§ 8.4.3. Вспомогательные меню и панели

Для меню Create:

Переключатели:

Pick – выбор нужного объекта;

Unpick – отказ от выбора нужного объекта;

Single  – выбор единичного объекта;

Box – выбор объекта внутри параллелепипеда.

Счетчики -  индикация количества или номера выбранного объекта:

Count  - число выбранных объектов;

Maximum – максимальный номер объекта;

Minimum – минимальный номер объекта;

…

Кнопки:

ОК

Reset – сброс;

Pick all

Apply – выполнить текущую команду и продолжить;

Cancel – выход без совершения действия.

Рисунок 3 – Панель для меню Create

Рисунок 4 – Панель для меню MechTools для генерации сетки

по глобальным параметрам

Панель для меню MechTools

Size – средний размер элемента;

NDIV – количество элементов.

Рисунок 5 – Панель для меню MechTools

Кнопки:

Set – установить опции разбивки;

Clear – удалить опции разбивки;

Quadr – четырехугольный элемент;

Tri – треугольный элемент;

Hexa – шестигранный элемент;

Tetra – четырехгранный элемент;

Free – свободная сетка;

Mesh – создать сетку;

Refine – улучшить сетку.

Панель для управления изображениями Pan-Zoom-Rotate

Рис.6 – Панель для меню Pan-Zoom-Rotate

Кнопки:

Top – посмотреть сверху;

Left – посмотреть слева;

Front – посмотреть спереди;

Iso – изометрия;

Bot – посмотреть снизу;

Right – посмотреть справа;

Back – посмотреть;

Zoom – приблизить/удалить;

Back-up – вернуться к исходному положению.

…

§ 8.5. Возможности ПК ANSYS

§ 8.5.1. Препроцессор

1) Создание геометрической модели.

2) Импорт и редактирование геометрических моделей.

3) Постановка задачи и ее визуализация.

4) Создание сеточной модели.

5) Внешний вывод сформированной задачи.

6) Внутренний язык программирования APDL.

§ 8.5.2. Процессор (решатель)

1) Линейные структурные задачи (НДС, упругие деформации).

2) Нелинейные задачи прочности (большие деформации).

3) Контактные задачи (о внедрении одного тела в другое).

4) Динамический анализ:

- собственные частоты колебаний;

- спектральный анализ вибраций;

- случайные вибрации.

5) Неустановившиеся процессы нагружения.

6) Устойчивость конструкции.

7) Анализ разрушения кострукции.

8) Тепловой анализ:

- расчет теплового состояния;

- распределение температур.

9) Гидрогазодинамический анализ.

10) Задачи химического реагирования, в т.ч. горение.

11) Электромагнитный анализ.

12) Совместный анализ:

- тепловой + структурный анализ;

- структурный + гидрогазодинамический анализ.

13) Оптимизационные задачи.

14) Усталостный анализ.

15) Вероятностные задачи.

16) Параллельные вычисления.

§ 8.5.3. Постпроцессор

1) Построение цветных контурных и векторных представлений параметров.

2) Построение изоповерхностей и изолиний.

3) Построение разрезов, сечений и вывод на них информации о параметрах.

4) Построение эпюр.

5) Анимация.

6) Построение графиков.

7) Любые алгебраические и матричные операции над результатами.

8) Таблицы чисел.

§ 8.6. Основные этапы решения задач в ПК ANSYS

1. Формирование (импорт) геометрической модели.

2. Выбор типа конечного элемента.

3. Создание сеточной модели.

4. Задание граничных условий:

- для структурной задачи задаются сила, момент, перемещение…

- для гидрогазодинамической задачи задаются скорость, давление, температура…

5. Задание свойств среды:

- для структурной задачи задаются плотность, модуль упругости...

- для гидрогазодинамической задачи задаются плотность, вязкость, показатель адиабаты…

6. Задание типа анализа для структурной задачи: статический, анализ частот и форм колебаний…

7. Задание моделей поведения среды для гидрогазодинамической задачи:

- ламинарная или турбулентная;

- несжимаемая или сжимаемая;

- стационарная или нестационарная.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 27. Медицинский и экологический аспекты.

8. Задание опций расчета:

- число итераций;

- периодичность вывода текущих результатов.

9. Запуск и работа процессора.

10. Просмотр результатов.

11. Анализ результатов.