Этап выполнения технических расчетов (CAE)

Процесс разработки КД сопровождается выполнением разнообразных технических расчетов, с помощью которых определяются оптимальные размеры деталей и её нагрузочная способность.

Традиционно, для выполнения таких расчетов в проектных подразделениях существовал специальный отдел, в котором для автоматического выполнения расчетов используются различные пакеты программ. В зависимости от специфики проектных подразделений решение задачи может быть разным, поэтому в соответствии с требованиями к расчету существуют и разные программы осуществляющие его. Поэтому разработчики CAE систем выпускают свои системы в виде целого набора специальных модулей.

Системы класса CAE - наиболее сложные и наукоемкие из всех видов САПР. Среди зарубежных систем наиболее известны системы: ANSYS (США) и NASTRAN.

Эти системы обеспечивают выполнение следующих расчетов:

1) Конструкционные (механические расчеты);

2) Термические;

3) Гидрогазодинамические;

4) Электростатические, электромагнитные;

5) Междисциплинарные задачи;

Область применения:

1) Аэрокосмическая;

2) Автомобильная;

3) Машиностроение (станки, тяжелое оборудование, турбины, электрооборудование);

4) Морская техника;

5) Нефтегазовая отрасль;

6) Проектирование мостов и зданий;

7) Энергетика;

8) Электроника и приборостроение

9) Биомедицинская

Особенность механических расчетов в этой системе состоит в том, что учитывается предельная нагруженность, при которой упругие деформации начинают переходить в пластические.

Задачи расчета конструкций

- Модули ANSYS/Multiphysics, ANSYS/LS-DYNA, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Structural, ANSYS/Professional, ANSYS/DesignSpace):

- Cтатический и динамический анализ конструкций с учетом нелинейного поведения материалов, включая ползучесть, большие пластические деформации, значительный изгиб, сверхэластичность, накопление остаточной деформации при циклическом нагружении, изменяющиеся условия контакта;

- Определение собственных мод и резонансных спектров вынужденных колебаний, а также смещений и напряжений по известным вибрационным спектрам;

- Динамический анализ переходных процессов и точный динамический анализ, моделирующий большие деформации в тех случаях, когда значимыми становятся силы инерции — ударное нагружение, дробление, быстрая формовка и т.п.

- Контактные задачи (поверхность-поверхность, узел-поверхность, узел-узел, cтержень-стержень).

- Задачи потери устойчивости конструкций.

Стоимость таких систем (полный комплект модулей) может достигать 30000€.

В России также имеются системы класса CAE. Сравнительный анализ, выполненный на основе расчета аналогичных конструкций показывает, что российские системы как минимум не уступают зарубежным. Одной из наиболее мощных систем класса CAE считается система Win Machine, разработанная в МГТУ им. Баумана.

Данная система специализируется на следующих расчетах:

1) энергетических и кинематических параметров;

2) прочности, жесткости и устойчивости;

3) выносливости при постоянной и переменной внешних нагрузках;

4) вероятности, надежности и износостойкости;

5) динамических характеристик;

Система имеет модульную структуру и в зависимости от решаемых задач пользователь может приобрести нужный набор модулей. Всего в систему входит 11 модулей:

1) проектирование приводов (APM Drive)

2) проектирование подшипников (APM Bear)

3) проектирование валов и осей (APM Shaft)

4) проектирование зубчатых, червячных, ременных и цепных передач (APM Trans)

5) проектирование кулачковых и мальтийских механизмов (APM Cam)

6) расчет напряженно-деформированного состояния и динамики конструкций (APM Structure3D)

7) расчет балочных элементов конструкций APM Beam

8) проектирование резьбовых, сварных, заклепочных соединений (APM Joint)

9) проектирование пружин (APM Spring)

10) проектирование рычажных механизмов (APM Slider)

11) расчет винтовых, шарико-винтовых и планетарных передач (APM Screw)

Последний вид расчета отличается высокой сложностью и затратами машинного времени. Он основан на конечных элементах.

Рисунок 11 - Конечный элемент

Вся конструкция разбивается на конечные элементы, чем мельче элемент, тем точнее расчет, но при этом и гораздо выше время его исполнения. Взаимодействие соседних конечных элементов описывается системой линейных алгебраических уравнений. Таким образом, система конечно-элементного анализа разбивается на 3 части:

1. Модуль формирования сетки конечных элементов.

Рисунок 12 - Сетка конечных элементов

Рисунок 13 - Конструкция и ее анализ

2. Модуль формирования системы линейных алгебраических уравнений и её решения.

3. Модуль интерпретации результата расчета.

Кроме описанной системы Win Machine, имеется также целый ряд других программ. Многие разработчики CAD систем создают свои собственные CAE системы, пусть и не охватывающие весь спектр расчетов. Так, например, в состав комплекса T-Flex также входит CAE система конечно-элементного анализа. Она обеспечивает расчет деформации под действием статических нагрузок, поведение конструкции под действием динамических нагрузок, термические расчеты.