Анализ динамики развития САЕ-систем

ADAMS

Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams, разработанный и развиваемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. отделившись от Мичиганского университета. Основное назначение Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.

ADAMS позволяет определить все параметры движения системы как из абсолютно жестких, так и упругих звеньев, вычислить усилия в связях и реакции в опорах с полной историей изменения по времени, приходящие усилия на элементы управления, определять взаимное перемещение составных частей и перемещения и углы поворота в шарнирах, проводить статический и модальный анализ и многое другое. Результатом расчета могут быть графики и таблицы изменения параметров, высококачественная анимация, в том числе и специализированная - с «точки зрения водителя», облет движущегося изделия камерой по заданной траектории, «следящая камера» и т.д.

Прямой двусторонний интерфейс с ведущими конечно-элементными комплексами (ANSYS и др.) обеспечивает учет упругих свойств конструкции в среде ADAMS и передачу полученных внешних усилий по результатам расчета в конечно-элементный пакет для детального анализа прочностных динамических характеристик конструкции.

Анализ динамики развития САЕ-систем позволяет выделить следующие основные тенденции и актуальные направления: многодисциплинарность и повышение скорости и эффективности CAE-систем. Рассмотрим подробнее каждое из этих направлений.

Любая из представленных на сегодняшнем рынке систем при своем появлении являлась специализированной и ориентированной на проблематику только одной области - вычислительной гидрогазодинамики, прочности и т.д. вследствие различия математического аппарата решения каждого из этих типов. Однако в процессе развития программных продуктов стала очевидной необходимость организации связи между разнородными типами анализа. Практически реализовать такую возможность можно двумя путями, а именно: многодисциплинарностью в рамках одного пакета; интеграцией разнородных пакетов.

Оба направления, являясь взаимодополняющими, активно поддерживаются в настоящее время всеми известными производителями программного обеспечения. Например, ANSYS, будучи исключительно прочностным, в дальнейшем расширил области применения и последовательно включил теплофизику, электромагнитные поля и гидрогазодинамику. Благодаря этому стало возможным решать не только задачи в каждой из вышеприведенных областей, но и так называемые связанные задачи. Теперь самой фирмой ANSYS комплекс позиционируется как многодисциплинарный (multiphysics), и именно это его свойство является одним из важнейших в конкурентной борьбе.

О важности многодисциплинарных связанных задач говорит и осуществленная в результате многолетнего сотрудничества фирм ANSYS и LSTC интеграция в программу ANSYS системы LS-DYNA, известной своей ориентацией исключительно на высоконелинейные и быстротекущие термомеханические процессы. Первичный код программы LS-DYNA был разработан как средство для решения задач контактного взаимодействия оболочечных конструкций. В дальнейшем под воздействием запросов со стороны заказщиков в программу были включены задачи гидро- и газодинамики, причем основное внимание уделяется связанным задачам.

В приложении к CAE-системам общие требования, предъявляемые к любому продукту на современном рынке, могут быть переформулированы следующим образом: минимизация временных затрат при максимальном количестве принятых инженерных решений и максимальной всесторонности и глубине анализа. Процесс решения любой задачи состоит из трех этапов: постановка и подготовка исходных данных - создание модели, приложение начальных и граничных условий и нагрузок (так называемый препроцессинг), непосредственно решение, а также просмотр и обработка результатов расчета (постпроцессинг).

Известно, что при решении практических задач временные затраты в процентном отношении составляют: около 40% - препроцессинг, 20% - решение и 40% - постпроцессинг. Первый и третий этапы, а именно пре- и постпроцессинг (около 80% суммарного времени), в большинстве случаев осуществляются средствами единого графического интерфейса. Следовательно, определяющим параметром является интенсивность пользовательской работы с графической оболочкой программы, то есть эффективность рабочего окружения. Кроме этого для сокращения общего времени необходимо повышать эффективность решателей и расширять спектр возможностей.

Скорость решения задачи определяется возможностями реализованного в решателе алгоритма. Главное требование к решателям это их способность быстро и устойчиво решать задачи большой размерности. Если в 70-х годах, как правило, решались системы из нескольких сотен неизвестных, а сверхбольшими считались задачи в 10-20 тыс. неизвестных, то в настоящее время обычным является решение систем из нескольких сотен тысяч неизвестных на персональном компьютере.

Самое важное направление современных разработок - параллелизацию вычислений путем декомпозиции расчетных заданий на сетевых кластерах. Совместно с динамическим размещением массивов эти возможности впервые стали доступными в 1998-1999 годах. В настоящее время множество пакетов реализовали данные методики.

Расширение спектра возможностей системы является наиболее очевидным и по сути означает общее развитие возможностей систем компьютерного моделирования. Преобладающей тенденцией для программных средств по вычислительной механике твердого и жидкого тела является все большее включение нелинейных алгоритмов и более богатый инструментарий по моделированию нестационарных процессов. Достаточно ознакомиться с изменениями в CAE-системах за последнее время, чтобы понять, что практически все они включают нелинейные модели материалов и пр. Так как ни одно явление реального мира не является линейным, богатство нелинейного инструментария означает полноту и точность описания физики событий реального мира.