Системы инженерного анализа

Инженерный анализ методом конечных элементов (МКЭ)

Инженерный анализ представляет собой комплекс испытаний, предназначенных для определения способности оборудования, конструкций, а также производимой продукции выдерживать проектные нагрузки и бесперебойно функционировать при расчетных условиях эксплуатации.

В современном проектировании широко используются различные программные пакеты автоматизированного конструирования (Computer-aided engineering-CAE), позволяющие проводить инженерный анализ компьютерных моделей не прибегая к реальным экспериментам.

CAE ( Computer - aided engineering ) — общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.).

Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).

CAE-системы — это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Эти системы помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

Наиболее распространенным и эффективным расчетным методом, применяемым в CAE-системах, является метод конечных элементов (МКЭ). Системы, использующие в качестве численного анализа технических конструкций МКЭ, называют FEA системами (Finite Element Analysis ).

Современные FEA системы:

· T-FLEX Анализ — универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;

· APM WinMachine 2010 — отечественная универсальная система для проектирования и расчета в области машиностроения, включающая КЭ анализ с встроенным пре-/постпроцессором;

· APM Civil Engineering 2010 — отечественная универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором для проектирования и расчета металлических, железобетонных, армокаменных и деревянных конструкций;

· ABAQUS — универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;

· ANSYS — универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;

· Autodesk Simulation — комплекс универсальных систем КЭ анализа со встроенными пре-/постпроцессорами (в комплекс входят Autodesk Simulation CFD — программа вычислительной гидрогазодинамики, Autodesk Simulation Mechanical — программа для механического и теплового анализа изделий и конструкций, Autodesk Simulation MoldFlow — программа моделирования процесса литья пластмассовых изделий под давлением);

· ESAComp — программная система конечно-элементных расчетов тонкостенных многослойных пластин и оболочек;

· MSC.Nastran — универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором MSC.Patran;

· CAE Fidesys — универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;

· HyperWorks (HyperMesh, RADIOSS, OptiStruct, AcuSolve и др.) — универсальная программная платформа систем конечно-элементного анализа;

· Moldex3D — программная система конечно-элементного моделирования литья армированных пластмасс под давлением;

· NEiNastran — универсальная программная система конечно-элементного анализа;

· NX Nastran — универсальная система МКЭ анализа;

· SAMCEF — универсальная система КЭ анализа с пре-постпроцессором SAMCEF Field.

· Femap — независимый от САПР пре- и постпроцессор для проведения инженерного анализа методом конечных элементов;

· FEM-models — программный комплекс для моделирования и анализа методом конечных элементов. Специализация программы — геотехнические расчеты, совместные расчеты систем здание-основание.

САПР, включающие возможности для проведения инженерного анализа и использующие МКЭ как численный метод анализа:

· Autodesk Inventor ;

· SolidWorks ;

· PRO / Engineer;

· Solid Edge;

· CATIA;

· и др.

Систем и САПР, решающих задачи инженерного анализа как видно огромное количество. Тут приведены только системы, использующие МКЭ как численный метод анализа. FEA-системы - это специализированные системы, чаще всего, со слабыми возможностями по геометрическому моделированию, но включают мощные решатели. САПР, решающие задачи инженерного анализа, зачастую направлены больше на решение CAD задач, и не включают каких-то сложных средств анализа. Зачастую САПР используют внешние решатели FEA-систем. Есть еще третий вид систем, которые используются для визуализации результатов анализа, например, GLView.

МКЭ в сравнении с другими методами используется в разных областях, для разных типов анализа. К примеру МКО чаще используется для узкой области - гидрогазодинамики. МКЭ реализуется как система, то МКО часто включается как модуль в систему Например ANSYS заявлен как КЭ система, но включает модуль Flow, использующий МКО, основанный на МКЭ (как заявлено в документации). МКЭ и МКО оба сетчатых метода и очень похожи, но МКО использует более специфические сетки(полиэдрическая сетка) и чаще используется в областях, где есть потоки жидкости или газа, например, обтекание потоками воздуха крыла самолета - авиакосмическая промышленность. МКО более популярен в гидрогазодинамике в сравнении с МКЭ, из-за трудностей при описании тонких пограничных условий.

Например, программы использующие метод конечных объемов (МКО):

· OpenFOAM — свободно-распространяемая универсальная система КО пространственного моделирования механики сплошных сред;

· STAR-CD — универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;

· STAR-CCM+ — универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;

Можно сделать вывод что МКЭ более широко применяемый метод, хотя и другие метода применяются, но в более узких областях.

История появления МКЭ

Метод конечных элементов - основной метод современной строительной механики, лежащий в основе подавляющего большинства современных программных комплексов, предназначенных для выполнения расчетов строительных конструкций на ЭВМ.

Строительная механика совокупность наук о прочности, жёсткости и устойчивости строительных конструкций.

Но диапазон его применения чрезвычайно широк: строительство и машиностроение, гидро- и аэродинамика, горное дело и новейшая техника, а также различные задачи математической физики – теплопроводности, фильтрации, распространения волн и т. д.

Метод конечных элементов впервые был применен в инженерной практике в начале 50-х гг. XX в. На раннем этапе формулировки МКЭ основывались на принципах строительной механики, что ограничивало сферу его применения. И только когда были сформулированы основы метода в вариационной форме, стало возможным распространение его на многие другие задачи. Быстрое развитие МКЭ шло параллельно с прогрессом современной компьютерной техники и ее применением в различных областях науки и инженерной практики.

Значительный вклад в разработку МКЭ был сделан Иоаннисом Аргирисом. Им впервые дана общая матричная формулировка расчета стержневых систем на базе фундаментальных энергетических принципов, определена матрица податливости, а также введено понятие матрицы жесткости (как обратной матрице податливости). Аргирис — один из основателей метода конечных элементов. В 1956 г. его теоретические разработки использовались при строительстве Боинга-747. Работы Аргириса и его сотрудников, опубликованные в период 1954–1960 гг., дали отправную точку для матричной формулировки известных численных методов и применения ЭВМ в расчетах конструкций.

Первая работа, в которой была изложена современная концепция МКЭ, относится к 1956 г. Американские ученые М. Тэрнер, Р. Клафф, Г. Мартин и Л. Топп, решая плоскую задачу теории упругости, ввели элемент треугольного вида, для которого сформировали матрицу жесткости и вектор узловых сил. Название – метод конечных элементов ввел в 1960 г. Р. Клафф.

К семидесятым годам относится появление математической теории конечных элементов. Значительный вклад в разработку теоретических основ МКЭ внесли и российские ученые.

Период последних десятилетий особенно характерен для развития и применения МКЭ в таких областях механики сплошных сред, как оптимальное проектирование, учет нелинейного поведения, динамика конструкций и т. п.