Направления совершенствования современных САПР

В настоящее время общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложных наукоемких радиоэлектронных систем без применения систем автоматизации. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требования, принадлежат CAD/CAM/CAE-системы, решающие весь комплекс задач от анализа технического задания до разработки полного объема конструкторской и технологической документации.

Подавляющее большинство конструкторских САПР (Autodesk Inventor, SolidWorks, CATIA и др.) наряду с программными средствами собственно автоматизированного конструирования включают также программы инженерного анализа. Однако полная интеграция CAM - и CAD -систем в единую интегрированную систему еще не достигнута. Дело в том, что модели, лежащие в основе CAD и CAE -систем, используют разные типы математических и геометрических моделей. Унифицированной же модели, которая бы содержала в себе как информацию для проектирования, так и для анализа, в настоящее время не существует.

В то же время, поиск путей интеграции CAD и CAE-систем идет по следующим направлениям:[И5].

- CAD–ориентированый подход;

- CAE–ориентированный подход;

- CAD/CAE–ориентированный подход;

- использование технологии управления информацией об изделии на протяжении его жизненного цикла (PDM/PLM).

CAD-ориентированный подход выполняет разработку изделия в CAD-системе, а инженерный анализ проводится с целью улучшения его характеристик. Таким образом, задача проектирования решается в два этапа. На первом – CAD-система обеспечивает создание детализированной твердотельной модели изделия. В процессе же преобразования этой модели в конечно-элементную модель, пригодную для анализа на втором этапе, происходит огрубление CAD-модели. Последняя существенно упрощается, в результате чего последующий анализ является весьма приближенным.

CAE-ориентированый подход. В CAE-ориентированном подходе, прежде всего проводится инженерный анализ абстрактной модели проектируемого изделия для определения всех параметров его CAE-модели. Как показано на рисунке 1-б CAD– модель для получается путем добавления дополнительных элементов и необходимой информации о размерах к CAE -модели. Данный подход, как видим, прямо противоположен CAD-ориентированному подходу, который требует упрощения геометрии модели с целью приближения к модели МКЭ. В случае ориентации на CAE, разрабатываются автоматизированные процедуры формирования твердотельных моделей на основе абстрактных предшественников.

В основе подхода к интеграции CAD/CAE  лежит принцип разработки автоматизированных средств для непрерывного поддержанию двух различных моделей одного и того же изделия, основанного на использовании общего пространства CAD/CAE–моделей и двунаправленная автоматическая их интеграция. Интегрированная модель позволяет CAD-системе автоматически генерировать модели для анализа, а CAE-системе – автоматически модифицировать геометрию деталей и проводить новый анализ до достижения заданного критерия точности. Данный подход основан на многомасштабном моделировании объектов проектирования.

Использование технологии PLM, подразумевающей объединение отдельных участков автоматизации в едином информационном пространстве и реализацию сквозного конструкторского, технологического и коммерческого цикла, от подготовки проекта до утилизации. В результате:

- ускоряется выпуск новых продуктов при усилении контроля за качеством;

- сокращаются издержки ввиду замены физических макетов виртуальными;

- появляется возможность многократного использования проектных данных;

- расширяются возможности оптимизации изделий;

- сокращаются отходы производства и затраты на документооборот.

Основная проблема реализациитехнологии PLM заключается в необходимости объединения на предприятии разнородных САПР и обеспечении коллективной работы персонала путем установки корпоративных стандартов на форматы данных, либо внедрения PLM -продуктов одного поставщика, либо переходом на использование открытого формата описания 3D-моделей (типа STEP, XML и др.).

Контрольные вопросы и упражнения

1. Дайте определение САПР.

2. Что является целью функционирования САПР?

3. Что включает полный комплект документации при неавтоматизированном проектировании?

4. Что включает полный комплект документации при автоматизированном проектировании?

5. Что является объектом проектирования?

6. Что является объектом автоматизации проектирования?

7. В чем заключается сущность функционирования САПР?

8. Каковы основные черты современных САПР?

9. Какие преимущества дает имитационное моделирование?

10. Перечислите принципы создания САПР.

11. В чем заключается принцип информационного единства САПР?

12. В чем заключается принцип совместимости САПР?

13. Что значит "открытая структура САПР"?

14. Что означает "принцип инвариантности САПР"?

15. Объясните понятие «жизненный цикл» промышленных изделий.

16. Перечислите разновидности САПР.

Применение САПР

САПР ANSYS

Составные части САПР AnSYS. Программный комплекс Ansys (далее – «программа Ansys») [3, 8, 11] представляет собой многоцелевой комплекс пограмм для решения сложных задач физики, механики деформируемого твердого тела, тепло­проводности, задач механики жидкости и газа, рассчитывать электро­магнитные поля. Математической основой, на которой реализован) этот программный продукт, является метод конечных элементов. Программа Ansys располагает широким перечнем расчетных средств, которые могут учесть разнообразные конструктивные нелинейности. Многоцелевые функции комплекса Ansys обеспечиваются наличием в нем многочис­ленного семейства отдельных специализированных программ, имеющих много общих функций, причем математическое обеспечение которых рассчитано на решение отдельных классов задач. Перечислим некоторые из них:

Ansys/Multiphysics - программа для широкого круга инженерных дисциплин, которая позволяет проводить расчеты в области прочности, распространения тепла, механики жидкостей и газов, электромагнетизма, а также решать связанные задачи.

Ansys/Mechanical - программа для решения сложных задач прочности конструкций, теплопередачи, акустики. Эта программа позволяет определять перемещения, напряжения, усилия, температуры давления и другие параметры, важные для оценки механического поведения материалов и прочности конструкции. Данная программа является подмножеством Ansys Multiphysics.

Ansys/Structural- выполняет сложный прочностной анализ конструкций с учетом разнообразных нелинейностей, среди которых геометрическая и физическая нелинейности, нелинейное поведение конечных элементов и потеря устойчивости. Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных моделей. Данная программа является подмножеством Ansys/Mechanical.

Ansys/Thermal –программа для решения задач теплопереноса.

Ansys/LS-DYNA – программа для решения прочностных задач динамики при больших нелинейностях. Эта программа может использоваться для численного моделирования процессов формообразования материалов, анализа аварийных столкновений и ударов при конечных деформациях, включая пробивание, нелинейное поведение материала и контактное взаимодействие элементов конструкции.

Ansys/ED- представляет собой полнофункциональную программу Ansys/Multiphysics, используемую для учебных целей.

Возможности конечно-элементного анализа в программе Ansys охватывают диапазон от сравнительно простого линейного статического анализа – до сложного нелинейного динамического анализа.

Окно интерфейса программы AnSys. После входа в систему диалог пользователя с про­граммой выполняется через многооконный интерфейс, показанный на рисунке 9.

Верхнее горизонтальное окно 1 представляет собой Меню утилит (Utility menu). Ме­ню утилит содержит набор часто используемых процедур, которые отображены здесь для доступа в любой момент работы программы. Окно 2 представляет собой Окно ввода (Ansys input) - область для набора команд и вывод сообщений в Output Window. Имеется возможность обратиться к списку введенных ранее команд. Команды можно извлекать из файла регистрации (/og-файла) введенных ранее команд и (или) входных файлов для последующего ввода.

Рис. 9. Окно интерфейса программы AnSys

Окно 3 представляет собой Главное меню (Ansys Main Menu). Оно содержит основ­ные функции и этапы выполнения программы, которые группируются в располагаемые сбоку всплывающие (динамические) меню, вид которых зависит от продвижения по программе. Окно 4 является Графическим окном. Оно представляет собой область для вывода та­кой графической информации, как конечно-элементная модель или графики результатов анализа. Окно 5 - Линейка инструментов (Toolbar). Линейка инструментов позволяет пользователю создавать кнопки и иметь быстрый доступ к часто исполняемым командам. Окно 6 (не показанное на рисунке 9) - Окно вывода (Output Window), предназначенное для показа текстовых сообщений программы.

База данных программы Ansys. Исходные данные, введенные при препроцессорной подготовке, становятся частью центральной базы данных программы. Эта база данных разделена на таблицы координат­ных систем, типов элементов, свойств материала, ключевых точек, узлов сетки, нагрузок и т. д. Как только в таблице появляются некоторые данные, на них становится возможным ссылаться по входному номеру таблицы. Например, могут быть определены несколько координатных систем, которые активизируются простой ссылкой на соответствующий номер системы (входной номер таблицы). Кроме того, существует набор команд управле­ния базой данных, чтобы выделить некоторую ее часть для определенных операций. Вы­деление необходимых данных можно проводить по местоположению геометрических объектов, графическим примитивам твердой модели, типам конечных элементов, видам материалов, номерам узлов и элементов и т.п. Так, например, сложные граничные условия можно легко указать или изменить, используя геометрическое представление модели, а не номера узлов или элементов.

Пользователь имеет возможность ввести обширную информацию, относящуюся к данной расчетной модели, но программа будет использовать только ту ее часть из базы данных, которая необходима для определенного вида расчета. Вид расчета задается при входе в программу.

Еще одним способом выбора данных является разделение модели на компоненты или слои, представляющие собой группы геометрических объектов, которые выделены поль­зователем для большей наглядности. Для наглядности компоненты могут быть окрашены в разные цвета.