Читайте также:
|
Для автоматизації проектувальних і перевірочних інженерних розрахунків, аналізу стану і працездатності машинобудівних виробів застосовуються спеціальні методи моделювання, засновані на представленні і врахуванні фізичних властивостей та характеристик матеріалів, механічних та інших фізичних впливів на технічний об’єкт, фізичних факторів навколишнього середовища, фізики технологічних процесів тощо. Моделі, які відображають закономірності фізичного стану та функціонування технічних об’єктів і процесів, зручно називати інженерно-фізичними або, в залежності від змісту обговорення, просто фізичними. Комп’ютерні системи та програмні комплекси, що реалізують ці методи, називаються «системами інженерного аналізу» (CAE - Computed Aided Engineering).
Застосування реалістичних та інтуїтивно зрозумілих технічним фахівцям інженерно-фізичних моделей і методів розрахунку в САПР дозволяє досить широко використовувати даний клас комп’ютерних технологій в інженерній практиці. При цьому в результаті комп’ютерного моделювання та оптимізації досягається суттєве поліпшення структури і параметрів машинобудівних виробів, зменшення витрат на створення матеріальних прототипів, скорочення числа небезпечних і складних натурних випробувань.
Спочатку область інтересів САПР, яка стала дуже широко розумітися в нинішньому комп’ютерному столітті (САО / САМ / САЕ / САРР / РDМ...), асоціювалася переважно з інженерним аналізом й імітаційним моделюванням, що починав набирати популярність. В ті часи класифікація методів моделювання ще не усталилася і практично будь-яке моделювання на ЕОМ (термін комп’ютер також з’явився пізніше) автоматично вважалося імітаційним. До цих пір деякі користувачі прикладних автоматизованих систем застосовують термін «комп’ютерна імітація» в цьому сенсі, називаючи імітацією не тільки всілякі функціональні моделі, але навіть візуалізацію і анімацію.
Сучасні САЕ-системи вважаються невід’ємною частиною технологій автоматизованого проектування. Вони дозволяють моделювати різні впливи зовнішнього середовища і умов роботи на виріб і розраховувати практично будь-які фізичні поля (поля переміщень і напружень в силових конструкціях, поля температури, тисків, швидкостей і т.п.). В даний час методи і моделі інженерного аналізу з успіхом використовуються консрукторами-машинобудівниками при проектуванні і оптимізації самих різних машинобудівних виробів.
Використання комп’ютерної інженерно-фізичної імітації (моделювання процесів, явищ, станів технічних об’єктів) дозволяє технологам оперативно проводити обчислювальні експерименти, підбирати оптимальні режими і параметри операцій і переходів, що значно підвищує якість технологічного проектування та ефективність розроблювальних процесів.
Часто зване комп’ютерним інжинірингом, фізичне моделювання і розрахунки на ЕОМ не тільки дають можливість відмовитися від створення дорогих матеріальних прототипів, але і, що найважливіше, забезпечують прийняття точних і правильних інженерних рішень. При цьому скорочуються ризики появи технічних помилок і зменшуються терміни і витрати при постановці і впровадженні нових виробів на виробництві та в експлуатації.
Одним з найбільш універсальних методів, використовуваних в системах інженерного аналізу, є метод кінцевих елементів (МКЕ).
Метод скінченних елементів розроблено в середині минулого століття фахівцями, які працюють в областях будівельної механіки і теорії пружності. До теперішнього часу у всіх промислово розвинених країнах відомими комп'ютерними фірмами і навіть окремими авторськими колективами розроблено велику кількість програмних реалізацій МКЕ. Багато хто з них відрізняються оригінальними типами кінцевих елементів, унікальними підходами до організації інтерфейсів, використанням ефективних методів оптимізації та проектування.
CAE-системи можуть застосуватися самостійно – в спеціалізованих організаціях та відділах інженерного аналізу (наприклад, відділи міцності в машинобудівних КБ), але чаші всього інтегруються як підсистеми до складу повномасштабних САПР. Оскільки всі сучасні універсальні САЕ-системи реалізують однаковий математичний апарат, то головним критерієм вибору конкретного програмного забезпечення, найчастіше, буває не обчислювальна ефективність програм, а особисті уподобання, практичний досвід і зручність роботи користувача.
Більшості реальних інженерних задач властива висока розмірність системи і складні граничні умови. Такі моделі мають нескінченне число ступенів свободи. Єдиною альтернативою в цьому випадку є застосування чисельного моделювання, яке дозволяє зменшити число параметрів моделі до кінцевого і практично досяжного в інженерних розрахунках значення. Цей процес називається дискретизацією.
Результатом процесу дискретизації є дискретна модель. Причому дискретизації можуть піддаватися як просторові координати, так і час. Відповідно, виділяють просторову дискретизацію і тимчасову. Часто методи моделювання, засновані на застосуванні дискретизації, називають сітковими методами. У математичному відношенні застосування сітчастої дискретизації дозволяє перейти від диференціальної крайової задачі до різницевої, що приводить, в кінцевому підсумку, до формування і вирішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь. В даний час існує і продовжує розроблятися ціла серія методів інженерно-фізичного моделювання, що використовує ідеї просторової дискретизації, в тому числі такі як:
- Метод кінцевих різниць (МКР);
- Метод скінченних об’ємів (МКО);
- Метод граничних елементів (МГЕ);
- Спектральний метод;
- Метод вільних сіток;
- Метод кінцевих елементів (МКЕ).
Популярний свого часу метод кінцевих різниць, а також претендував на універсальність метод граничних елементів (граничних інтегральних рівнянь) зараз займають досить вузькі ніші, обмежені дослідними або спеціальними завданнями. МКЕ зайняв лідируюче положення завдяки можливості моделювати широке коло об’єктів і явищ. Абсолютна більшість машинобудівних виробів, їх деталей, вузлів і конструкцій, виготовлених з найрізноманітніших матеріалів, що мають різну структуру і склад, можуть бути змодельовані і розраховані за допомогою МКЕ.
Все різноманіття кінцевих елементів (КЕ), які використовуються для інженерно-фізичного моделювання машинобудівних конструкцій і процесів, можна умовно розділити на наступні дві великі групи: «Класичні», до яких відносяться найпростіші й універсальні елементи, і «Проблемно-орієнтовані», призначені для рішень спеціальних завдань.
В розряд класичних будемо відносити елементи, побудовані на класичних принципах методу переміщень, які складають типовий набір КЕ для створення моделей і використовуються в різних предметних областях. Такі КЕ складають основу бібліотеки кінцевих елементів практично будь-якої промислової САЕ – системи.
Застосування класичних елементів для моделювання машинобудівних виробів легко освоюється початківцями користувачами і успішно автоматизується в прикладних САПР. Як правило, автоматичні генератори кінцево-елементних сіток розраховані на використання в моделях класичних елементів. Вони часто застосовуються в підсистемах інженерного аналізу, що поставляються в складі комплексних САПР для типових автоматизованих робочих місць конструкторів і технологів.
Для використання в спеціалізованих відділах та КБ розроблені проблемно-орієнтовані елементи, характерні для конструктивних частин виробів з різних галузей машинобудування. Наприклад, авіабудування, автомобілебудування, двигунобудування, кораблебудування і т.д. Або для рішення вузькоспеціальних завдань: елемент з тріщиною, індикаторний елемент з нульовою жорсткістю і т.д.
Схему застосування методів інженерного аналізу в літературі по МКЕ часто поділяють на три великі стадії: препроцесування, процесування та постпроцесування. Препроцесування пов’язується з підготовкою вихідних даних для розрахунку. Поряд з розбивкою досліджуваного об'єкта на кінцеві елементи, навантаження повинні бути приведені до системи вузлових сил. А закріплення і спирання конструкції зводяться до обмеження ступенів свободи вузлів – встановлюються так звані кінематичні обмеження. Ці трудомісткі процедури моделювання не вдається повністю формалізувати й автоматизувати.
В результаті препроцесування ласне і створюється звичайно-елементіарні моделі, яка зберігається в пам’яті комп'ютера у вигляді таблиць (масивів):
- таблиця даних про вузли, що включає координати вузлів, вузлові сили і ступеня свободи;
- таблиці даних про елементи, які складаються для кожного типу елементів і включають інформацію про номери вузлів, що належать кожному елементу, його жорсткістні характеристики: товщина, поперечні перерізи та властивості вибраного конструкційного матеріалу.
Другий етап – процесування може здійснюватися автоматично за допомогою комп’ютерної програми, званої фахівцями по МКЕ, - процесором, або вирішувачем (solver). За допомогою МКЕ-процесора автоматично формуються матриці жорсткостей для всіх елементів, збираються в глобальну матрицю жорсткості конструкції. Вирішується система лінійних рівнянь (СЛАР), в результаті чого визначаються невідомі переміщення для всіх вузлів моделі. За завданням оператора автоматизованої системи вже на цьому етапі можуть обчислюватися компоненти напружень в елементах та інші цікаві для розробника параметри виробу. Розмір глобальної матриці жорсткості складних об’єктів і, відповідно, розмірність СЛАР, в цих завданнях досягає сотень тисяч і навіть багатьох мільйонів невідомих, що призводить до необхідності реалізації складних алгоритмів обчислень і використанні багаторівненої пам’яті ЕОМ. Тому на етапі процесування в сучасних CAE-пакетах високого рівня застосовуються такі комп’ютерні новації як паралельні і конвеєрні обчислення, доступні тільки для суперкомп’ютерів і кластерів ЕОМ.
Постпроцесування є не самим витратним за обчисленнями і трудомісткості, але найвідповідальнішим, і в значній мірі чисто людським етапом інженерного аналізу. Власне сам аналіз тільки тут і починається. Формально постпроцесування полягає в обробці та візуалізації результатів розрахунків кінцево-елементної моделі. Формуються таблиці звітів, будуються графіки та діаграми. На даному етапі широко використовуються засоби інтерактивної комп’ютерної графіки, яка при обробці результатів розрахунків виступає в ролі головного інструменту, оскільки автоматизує створення різноманітних графічних картин, необхідних фахівцю для прийняття підсумкових висновків та проектних рішень.
Дата добавления: 2015-01-07; просмотров: 134 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |