Всем привет!
Итак, давайте начнем с рассмотрения некоторых ключевых тенденций, которые делают внедрение инноваций критически важными элементов для сохранения конкурентоспособности при создании изделий
Первая ключевая тенденция - это сокращение выбросов. Этот тренд вынуждает всех производителей создавать новые конструкции, двигаясь в сторону электрификации и гибридизации.
Вторая ключевая тенденция - это наступление эры новой мобильности. Внедрение систем помощи водителю, создание беспилотных транспортных средств уже не являются некими далекими перспективами.
Третья ключевая тенденция - это глобализация рынка, которая вынуждает производителей менять подходы к созданию изделий (например автомобилей), что в свою очередь заставляет меняться поставщиков всех уровней и производителей автокомпонентов.
В этой статье расскажу о CAE на базе отдельного решения Simcenter 3D от компании Siemens. Simcenter - это бренд програмного обеспечения Siemens, который несет идею создания цифрового двойника. В портфеле Simcenter совокупность решений 3D расчетов и испытаний. Сюда входят широко известные продукты NX Nastran, STAR-CCM+, LMS Imagine.Lab and LMS Test.Lab.3D1DРасчеты, данные с испытаний тесно связанны как друг с другом так и могут быть связаны через единую систему управления данными Teamcenter, т.е это все вместе образует единую PLM систему для отслеживания стадий развития продукта.
Simcenter как система относятся к классу PEA (Predictive Engineering Analytics) систем. Это применение междисциплинарного инженерного подхода к разработке цифровых двойников изделий, которые могут прогнозировать реальное поведение конструкции в течение всего жизненного цикла продукта.
Основой этой среды послужило NX CAE и туда добавлено все самое лучшее и практичное из решений LMS (Learning Management System) — система управления обучением. Т.е. имеем общий препостпроцессор + отдельные решатели для определённых областей. Ниже на рисунке представлена общая схема решения. Решение обьединяет различные области задачи – мультифизика и оптимизация. За счет этого Simcenter 3D ускоряет процесс моделирования, объединяя лучшее в своем классе инструменты редактирования геометрии, ассоциативного моделирования и инструменты для решения мультидисциплинарных задач.
Далее расскажу о всех этапах процесса проведения расчета на примере одного изделия в системе Simcenter 3D
Работа и сихронизация с CAD
Для начала расчетов берется CAD модель. Расчетчик\Аналитик может быстро редактировать геометрию интуитивно понятными способами, что невозможно в традиционных CAE-препроцессорах или CAD-системах с элементами. Прямое редактирование будет работать с геометрией из любого источника, и расчетчики\аналитики могут использовать его для быстрого удаления или изменения геометрии, а также создавать альтернативные варианты дизайна для оценок «что, если» или параметризовать их оптимизационные прогоны.
Выполняемы шаги:
- Создается расчетная модель с исходной CAD модели со всеми связями между компонентами сборки
- Настраивается 3D связь между телами чтобы каждое тело использовало реальную геометрию
- Выстраиваются связи в сборках и конвертируются в связи тел
- Выстраивается ассоциативная связь с геометрией
- С помощью инструмента для создания 2D и 3D сеток автоматически и вручную проводится наложение и соединение различных сеток для контроля качества
- Проводится морфинг (изменени и преобразование) сеток для создания ассоциативности.
- Проводится анализ поверхностей для выбора лучшей сетки
Примеры и виды используемых сеток
После наложения сеток на модель и ее декомпозицию переходим уже к следующему этапу.
Анализ кинематики и динамики механизмов
Simcenter 3D имеет встроенный решатель и современный постпроцессор для моделирования движения механизмов.
Выполняемые шаги:
- Проведение кинематического и динамического анализа для твердых тел сопровождаться связкой 2D и 3D взаимодействием
- Проводится оценка прочности отдельных звеньев механизма
- Проводится моделирование более сложного поведения механизма
- Проводятся инженерные вычислений и моделирование, основанное на физике процесса движения
- Проведятся расчеты и оптимизация входных характеристик на объектах модели
Т.к. есть возможность моделирования динамики нескольких тел, выходящие за рамки простой кинематики, то на этом этапе также проводится анализ движения для расчета силы реакции, крутящие моменты, скорости, ускорения и многое другое.
Кинематика
- Визуализация движения механизмов
- Проверка пересечений деталей во время работы
- Проверка, что скорости и ускорения остаются в пределах допустимых значений
Динамика
- Определение сил / моментов для дальнейшего анализа
- Проверка, что силы и моменты остаются в пределах допустимых значений
- Учета систем управления (мехатроника, гидравлика) в системе
На данном примере проводится прогнозирование и анализ перемещений отдельных частей изделия
Учет податливости компонент
В данном процессе проводится учет податливости, деформации, естественных вибраций для значительного повышения точность моделирования.
Гибкость представлена модальным синтезом, т.е. полная деформация тела является результатом линейной комбинации форм и все это расчитывается с помощью сложных математических методов.
Результаты включают в себя временные истории перемещений, скоростей и ускорений, а также напряжений и деформаций. В системе используется цветная палитра для отображения полей напряжений и деформаций. Действия на данном этапе выполняются что и в предыдущем. Запускаются разные средства анализа данных по 3D моделе.
Напряжения и деформации в податливых телах
- Визуализация концентрации напряжений при работе механизма
- Проверка деталей на долговечность
- Проверка, что механизм генерирует приемлемые вибрации и шум
Ниже приведен пример проверки работоспособности стойки шасси с помощью виртуальных испытаний в момент посадки самолета. Также проводится корреляция моделей с данными эксперимента.
Т.к. система предлагает большое количество инструментов для работы с граничными условиями – нагрузки можно параметризовать, их можно прикладывать с использованием полей, функций, табличных данных. Инструменты в системе позволяют легко управлять большим количеством нагрузок и закреплений для расчетных случаев.
При данной симуляции становится видно где возникают максимальные нагрузки на конструкцию. Как ведет и нагревается металл, как движутся и ведут себя элементы.
Автоматизация и оптимизация
На данном этапе проводится журналирование и автоматизиция расчетов, которые циклично повторяются со всеми отдельными компонентами модели. Оптимизация проводится прямо в процессе проектирования. Данные с модели передаются в отдельное решение HEEDS, которое запускается с Simcenter и использует гибридный и адаптивный алгоритм под названием SHERPA в качестве метода поиска решения по умолчанию.
HEEDS — специализированное программное обеспечение для решения задач многокритериальной и многопараметрической оптимизации, автоматизации расчетов и анализа данных.
SHERPA (Simultaneous Hybrid Exploration that is Robust, Progressive, and Adaptive) использует сразу несколько стратегий поиска и адаптируется к проблеме по мере «узнавания» проектного пространства. SHERPA требует значительно меньшего количества оценок модели, чем другие ведущие методы, для определения оптимизированных конструкций.
Расчет показывает, что 303 параметра изменились от их целевого показателя (отмечены желтым цветом), а 197 - нет (отмечены зеленым цветом). Отклонение от нормали должно попадать в некий диапазон (дисперсию) показателя. Если показатели не изменились, то все отлично и подкрашиваются зеленым цветом. Если показатели изменились но пределы диапазона не нарушены (отмечены желтый цвет), то конструктив иделия по этому показателю выдержит нагрузку. Если диапазон нарушен (отметится красным цветом), то конструктив нужно как-то улучшать, например меняя материал, толщину или усложнять узел. Затем заново оценивать диапазон и производить расчет повторно.
Мехатроника
На данном этапе проводится симуляция управляемых исполнительных систем и решатели обмениваются результатами во время выполнения расчета. Расчетные параметры передаются в соответсвующие модули системы и могут отражены в соответсвующем виде. Проводится мульти-дисциплинарная интеграция данных
Результаты расчета на прочность - входные данные для других анализов, например, по долговечности конструкции.
Результаты
Обзор параметров расчетов, которые получили наибольшее распространение в мире.
Тип анализа долговечности
- Stress Life
- Strain Life
- Композиты
- Сварные соединения (Stress Seam Weld)
Методы учета повреждений
- Smith-Watson-Topper
- Bergman
- Morrow
Анализ долговечности в области концентратора напряжений
- Метод Neuber’a
- Метод Fuch’a
- Метод Seeger-Beste
Зависимость при циклическом нагружении
- Ramberg-Osgood
- Power Hardening
- Linear
Выбор напряжений для анализа долговечности
- По главным осям
- Максимальному разрушению
- Максимальному сдвигу
Simcenter интегрирован с Teamcenter, управляющим данными на различных этапах жизненного цикла изделия, именно такой механизм взаимодействия позволяет реализовать концепцию предсказательной инженерной аналитики.
Система Simcenter обеспечивает:
- Расчет сложных мультифическихсистем (явления высокочастотного шума и вибраций) на основе гибрида расчетов и натурных испытаний
- Верификация, предсказание поведения изделия и его характеристик в процессе разработки (PEA)
- Обеспечивает точность проведения кинематического анализа и производительность при расчетах разных явлений
- Обеспечивает расширенную поддержку универсальных нелинейных расчетов, выполняемых NX Nastran
- Увеличение продуктивности расчетчиков\аналитиков при проверке гипотез
- Точное предсказание работы механизма и динамики механизма (Расчет нагрузок, перемещений, напряжений)
В общем, если на достаточно крупном предприятии разрабатывается много изделий и постоянно требуется их изменять, а требования к качеству и долговечности узла очень высокие, то CAE система как раз позволит без физического образца быстро понять характиристики изделия и оптимизировать его конструкцию и используемые материалы еще на этапе проектирования. Именно при таких задачах затраты на лицензию в несколько тысяч долларов действительно оправданы. Если раньше в такое решение вкладывались только крупные компании (Boing, Airbus, Kamaz, VW, и др.), то сейчас очень много компаний из сегмента среднего бизнеса (в том числе и отечественные компании) уже используют такое решение для оптимизации затрат. На рынке есть и отечественные решения (например "Логос" от Росатома), но о его функциональности ничего не скажу. Не тестировал. Может быть позже.
В других видах производств (где делают просто аналоги и производят изделия по готовым чертежам) содержание такого софта будет не выгодным для предприятия. Специалистов на рынке не много, изучение базовых функций системы занимает от 6 месяцев и потребует глубокого изучения функционала и штудирования примеров и документации на английском. В случае с отечественным софтом - проще. Специалисты от вендора проведут курс обучения и готовы будут помочь в реализации задач.
P.S. Ваш OSLABS
