CC BY
205
ПРИМЕНЕНИЕ CAE-СИСТЕМ В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ
Р.В. Дубровский
Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Инженерный факультет Российский университет дружбы народов Подольское шоссе, 8/5, Москва, Россия, 113093
Статья посвящена методике применения САE-системы (APM Structure 3D) в учебном процессе и научных исследованиях, проводимых на кафедре.
Ключевые слова: CAE, CAD, модель, метод конечных элементов, моделирование, инженерный анализ.
В настоящее время при конструировании, проектировании и научных исследованиях повсеместно используются автоматизированные системы научных исследований, которые на западе имеют название CAE-систем. Данные системы совместно с CAD-SD-системами позволяют создавать трехмерные модели деталей, конструкций и производить их инженерный анализ с помощью метода конечных элементов (МКЭ).
На нашей кафедре в этих целях применяется пакет программ APM WinMachi-ne, который содержит модули APM Studio, APM Structure 3D и др., позволяющие проводить расчет ряд машиностроительных деталей и конструкций.
APM Studio — модуль моделирования и импорта (поддерживается импорт из формата STEP) трехмерных поверхностных и твердотельных моделей с инструментами указания опор и приложения различных нагрузок и встроенным генератором разбиения на конечно-элементную сетку. Основное назначение модуля — подготовка смоделированной или импортированной геометрии к конечно-элементному анализу в модуле APM Structure 3D.
Модуль APM Structure 3D предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния стержневых, пластинчатых, оболочечных и твердотельных конструкций, а также их произвольных комбинаций. APM Structure 3D организован таким образом, что в его рамках можно рассчитать все многообразие существующих конструкций, собирая их из вышеперечисленных макроэлементов. Конструкции и их элементы могут быть импортированы в редактор конструкций через DXF-формат из 2D и 3D графических редакторов или напрямую через модуль APM Studio с подготовленной конечно-элементной сеткой и вариантами закрепления и нагружения. Внешняя нагрузка, так же как и условия закрепления конструкции, могут быть произвольными как по характеру, так и по местоположению.
Модуль позволяет решать следующие задачи:
— определение полей эквивалентных напряжений и их составляющих;
— расчет линейных, угловых и результирующих перемещений;
— определение внутренних усилий;
— расчет устойчивости и формы потери устойчивости;
— определение частот собственных колебаний и собственных форм;
— расчет вынужденных колебаний и анимация колебательного процесса по заданной вынуждающей нагрузке, расчет на вибрацию оснований;
— расчет температурных полей и термонапряжений;
— расчет усталостной прочности;
— геометрически нелинейные расчеты;
— автоматический подбор сечений из условий прочности, жесткости, устойчивости для металлоконструкций машиностроительного назначения;
— проектирование узлов металлоконструкций;
— автоматическая генерация номенклатуры элементов, составляющих конструкцию.
На первом этапе методика работы предусматривает создание трехмерной модели исследуемого объекта посредством любого CAD-3D редактора, который позволяет сохранять модели в STEP-формате, например КОМПАС 3D или Mas-terCAM; если же модель исследуемого объекта имеет не очень сложную конструкцию, 3-мерную модель можно создать непосредственно в модуле APM Studio.
На втором этапе полученную модель необходимо разбить на конечно элементную сетку (КЭ-сетка). Для этого, если модель была создана в стороннем редакторе, ее посредством экспортации открывают в модуле APM Studio и получают посредством встроенного алгоритма МКЭ модель в виде КЭ-сетки. Примеры данного этапа представлены на рис. 1.
a) б)
Рис. 1. Трехмерная твердотельная модель кронштейна (а) и его КЭ-сетка с максимальной длиной элемента 8 мм (б)
На третьем этапе полученную КЭ-сетку открывают в модуле APM Structure 3D, задают материал конструкции, в соответствии с техническим заданием на расчет и функциональным назначением конструкции, производят ее закрепление по всем трем координатам посредством функции опоры и прикладывают силы. Пример нагруженной и закрепленной детали показан на рис. 2 а).
а)
Рис. 2. Нагруженная модель кронштейна (а) и окно «Расчет», позволяющее выбрать вид расчета (б)
б)
Модуль APM Structure 3D позволяет проводить различные расчеты модели. На рис. 2 б) представлен скриншот окна «Расчет».
Результаты проведенных расчетов получают в виде цифровых значениях или можно визуально оценить в виде цветных картинок (рис. 3).
Рис.3. Пример полученных результатов: карта эквивалентных напряжений
Преимущества компьютерного моделирования с помощью CAE-систем неоспоримы:
— компьютерное моделирование часто становится единственно возможным методом проектирования большинства сложных реальных технических объектов и систем в связи с тем, что они не могут быть точно описаны с помощью аналитических формул и соотношений;
— моделирование позволяет вычислить параметры изделия его эксплуатационные характеристики еще до материального воплощения изделия;
— компьютерное моделирование позволяет значительно сократить затраты и трудоемкость исследований и разработок по сравнению с использованием материальных образцов и реальных технических систем.
Главным недостатком компьютерной модели является трудность в определении ее адекватности и точности относительно натурной модели исследуемого объекта. Одним из методов подтверждения данных характеристик является использование аналитических моделей для каких-то частных случаев рассматриваемого объекта, которые можно применять как своеобразный тест.
На адекватность и точность компьютерной модели влияют:
— недостаточный уровень проработки существенных элементов и частей модели;
— неправильная или неточная постановка задачи исследования или отсутствие плана работ;
— шаг разбиения МКЭ.
На рисунке 4 показано воздействие на модель одинаковой силы, приложенной в одной и той же точке, шаг КЭ-сетки (а) задан по умолчанию, а другой (б, в) отличается в 2 раза. На рисунке 4 а) максимальное значение градиентной шкалы равно 3,9 Н/мм2, а на рис. 4 б) уже 12 Н/мм2. Рисунок 4 в) представляет собой вариант б) с уменьшенным максимальным значением градиентной шкалы и равным 3,9 Н/мм2.
ЗУМ[Н
I:
2.Е
I
Г
Шо:
|
I-
■
2.1 2> ■ 2
и°:
1—'о.!:
• м •
• 1т1 •
# #
ЯВ1В1В1В1В1В1В1В1В1В1 # "Иг # ■ • 9 .
а)
б)
в)
Рис. 4. Карта напряжений модели детали
Можно заметить, что результаты компьютерного моделирования отличаются друг от друга; без подтверждения адекватности модели невозможно принимать те или иные расчеты как истинно верные.
Теоретически чем меньше шаг разбиения модели, тем точней получаемые результаты проведенного компьютерного моделирования, что, в свою очередь, ведет к повышению требований к вычислительным ресурсам, таким как тактовая частота процессора, оперативная память и увеличению времени проведения вычислений. Таким образом перед исследователем встает вопрос об определении шага КЭ-сетки модели, что бы результаты проводимых расчетов удовлетворяли требованиям по погрешности и занимали приемлемое время вычисление.
Комплекс АРМ WinMachine активно используется в учебных целях студентами — бакалаврами и магистрами для написания своих выпускных работ, а также аспирантами кафедры при написании и защите кандидатских диссертаций.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Замрий А. А. Проектирование и расчет методом конечных элементов в среде АРМ БйисШгеЗО: Учеб. пособие. — М., 2010.
[2] Черепашков А.А., Носов Н.В. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении. — Волгоград: ИН-Фолио, 2009.
APPLICATION CAE-SYSTEMS IN SCIENTIFIC RESEARCHES AND EDUCATIONAL PROCESS
R.V. Dubrovskiy
Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling Faculty of Engineering Peoples’ Friendship University of Russia
Podolskoe shosse, 8/5, Moscow, Russia, 113093
It is devoted a technique of application CAE of system (APM Structure 3D) in educational process and scientific researches applied on chair.
Key words: CAE, CAD, model, a method of final elements, modelling, the engineering analysis.
