ПРОГРАММЫ САПР С СРЕДСТВАМИ АНАЛИЗА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (МКЭ), сегодня является обычным инструментом для каждого инженера.

Многие из инженерных задач включают в себя проведение тестов, чтобы убедиться, что детали и материалы будут вести себя так, как ожидалось. Это включает реакции на различные ситуации, включая возхдействие различных сил, вибрации и тепла.

В прошлом такое тестирование проводились путем создания прототипа продукта и проведения испытаний на нем. Однако создание прототипов и их испытание на них обычно требует времени и высоких затратам.

Что такое анализ методом конечных элементов?

Анализ методом конечных элементов (МКЭ, Finite Element Analysis FEA) — это тип компьютеризированного метода анализа. Он используется для изучения смоделированных физических явлений, основанных на методе конечных элементов (МКЭ) . МКЭ — это численный метод, использующий математические модели для решения сложных инженерных задач, представленных дифференциальными уравнениями.

Суть метода заключена в его названии. Область, в которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество подобластей (элементов). В каждом из элементов произвольно выбирается вид аппроксимирующей функции. В простейшем случае это полином первой степени. Вне своего элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Значения функций на границах элементов (в узлах) являются решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами (в узлах). Затем эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах элементов. Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями ЭВМ. Так как каждый из элементов связан с ограниченным количеством соседних, система линейных алгебраических уравнений имеет разрежённый вид, что существенно упрощает её решение.

Этот метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики, электродинамики и топологической оптимизации.

Инженеры-конструкторы используют анализ конечных элементов в процессе проектирования. Вместо создания прототипов для реальных экспериментов они обращаются к программному обеспечению для анализа.

Как использовать МКЭ в процессе проектирования?

В процессе проектирования есть разные этапы. Один из них — тестирование изделий, чтобы увидеть, соответствуют ли они требованиям и ожидаемому поведению в реальной работе.

Это включает в себя моделирование различных деталей и даже целых сборок с помощью программного обеспечения САПР для лучшей визуализации.

К счастью, современное программное обеспечение САПР обычно поставляется в виде пакета, включающего в себя различные модули, помимо моделирования.

Поэтому модели, созданные на предыдущих этапах процесса проектирования, можно использовать для проверки возможного решения. При необходимости происходит доработка деталей на основе полученных данных и результатов испытаний.

При необходимости также можно экспортировать модели в другое программное обеспечение для моделирования. Специализированное программное обеспечение дает более точные результаты и имеет больше функций.

Аспекты, которые следует учитывать при применении анализа МКЭ

Рассмотрим некоторые аспекты, которые следует учитывать при применении МКЭ в процессе проектирования:

• Необходимо четко определить тип требуемого анализа, который может быть статическим или динамическим.
• Модель может быть оптимизирована по методу конечных элементов.
• Необходимость выполнения некоторых ручных расчетов.

Типы анализа

Вы должны быть уверены, что выбрали правильный тип анализа, чтобы получить правильные результаты.

Статический анализ

Статистический анализ — включает в себя линейные статические и нелинейные квазистатические ситуации. Некоторые из наиболее распространенных сценариев, охватываемых статическим анализом, включают анализ линейного напряжения, анализ деформации и термический анализ.

Простой и сложный структурный анализ при определенных нагрузках является обычным явлением для статического анализа.

Динамический анализ- изучает динамическое поведение при динамических нагрузках, таких как вибрационное возбуждение. Он включает модальный анализ, анализ гармонического отклика, динамический анализ переходных процессов и вращательный анализ.

Примеры приложений динамического анализа включают поведение компонентов двигателя на разных этапах, таких как запуск. Он также применим для изучения воздействий за пределами инженерной сферы. Например, вы можете создать симуляцию реакции человеческого черепа на удар.

Программное обеспечение с возможностями анализа МКЭ

В настоящее время предлагается большое разнообразие программных решений CAD и FEA. Благодаря постоянному техническому прогрессу легче создавать более конкретные решения с отличными характеристиками. Остается вопрос – какая программа лучше всего подойдет вам?

Здесь мы даем вам обзор самых мощных САПР со встроенными инструментами анализа методом конечных элементов. Выделение преимуществ и возможных ограничений каждого из них облегчит вам выбор наилучшего варианта.

Autodesk Inventor

Autodesk впервые завоевал мировую известность благодаря серии САПР для 2D-чертежей. Теперь Autodesk превратилась в одного из ведущих поставщиков программного обеспечения для САПР и анализа методом конечных элементов.

Inventor — это программное обеспечение Autodesk для механического проектирования и 3D-САПР. Он включает в себя классические функции САПР, такие как параметрическое моделирование, моделирование сборок и создание чертежей . Но он также имеет более мощные новые инструменты, такие как автоматизация проектирования и моделирование.

Эта САПР также позволяет работать с конструкциями из листового металла в отдельной среде. Он также обеспечивает большую гибкость для визуализации, такой как разнесенные изображения и видео-анимация.

Что касается возможностей анализа методом конечных элементов, вы можете легко запускать анализ статических или модальных напряжений и динамический анализ своих моделей. Программа предоставляет диалоговое окно настроек, параметрическую таблицу и руководство по моделированию, которые помогут вам в процессе моделирования.

Кроме того, Autodesk также предлагает Inventor Nastran, который они определяют как встроенный в САПР модуль для анализа методом конечных элементов.

Этот модуль является расширением возможностей анализа, предоставляемых Inventor. Он включает в себя более широкий спектр исследований и материалов для анализа. Например, возможность запуска линейных и нелинейных исследований напряжения, динамики и теплопередачи.

Плюсы

• Мощное программное обеспечение от известной компании.
• Встроенная САПР, поэтому в работе не требуется экспорт и импорт файлов.
• Поддержка доступна на нескольких языках.
• Большая база знаний на веб-сайте компании и за ее пределами, включая видеоуроки, статьи и форумы.
• Сборки и сварные детали также можно тестировать без необходимости сложных настроек.

Минусы

• Ограничено линейным напряжением и линейным динамическим анализом. Другие типы требуют использования Inventor Nastran.
• Inventor Nastran нельзя приобрести как отдельное дополнение, а только вместе с коллекцией. Коллекция может включать программное обеспечение, которое вам на самом деле не нужно, и оно может быть дорогим.
• Работает только в среде Windows.

Dassault Systemes SolidWorks

SolidWorks, один из основных конкурентов Autodesk Invetor, созданное во Франции.

Среди основных функций SolidWorks выделяется возможность работы с большими и сложными сборками. Можно работать с простой моделью и масштабировать ее до полного комплекса объектов.

SolidWorks — это полный пакет САПР с различными модулями, включая одно из лучших программ CAD-CAM

Анализ методом конечных элементов применяется через модуль SolidWorks Simulation. Модуль поставляется в трех уровнях: Standard, Professional и Premium. Очевидно, что последняя версия является наиболее мощной и включает в себя:

• Статические исследования
• Исследования усталости
• Анализ движения
• Термический анализ
• Частотные исследования
• Исследования потери устойчивости
• Исследования сосудов под давлением
• Оптимизация топологии
• Линейные динамические исследования
• Нелинейный анализ

Кроме того, разработчик предлагает дополнения к SolidWorks Simulation. Они варьируются от моделирования потока и пластиковых упаковок до более конкретных решений. Например, модули Electronics Cooling и Sustainability предоставляют вам возможности для проверки вашего проекта. Все эти пакеты и модули встроены в программное обеспечение.

Кроме того, чтобы предложить своим пользователям более широкие возможности FEA, Dassault Systèmes SolidWorks предлагает ABAQUS через Simulia Structural Simulation Designer. Это специализированное программное обеспечение FEA, которое отлично совместимо с интерфейсом CAD.

Плюсы

• Мощное программное обеспечение от известной и проверенной компании.
• Встроенная САПР, экспорт и импорт файлов не требуются для проведения исследований.
• Широкий спектр тестов в одном пакете.
• Также могут быть выполнены тесты CFD.
• Дополнения предлагаются как автономные решения, что дает вам возможность платить только за то, что вам действительно нужно.
• Поддержка клиентов доступна на нескольких языках.
• Большая база знаний на веб-сайте компании и за ее пределами, включая видеоуроки, статьи и форумы.

Минусы

• В зависимости от версии и количества используемых модулей системные требования к железу могут быть достаточно высокими.
• Работает только в Windows.

Siemens Solid Edge

Solid Edge — это полный набор инструментов для разработки , предлагаемых Siemens. Известная немецкая компания предлагает инструменты для механического и электрического проектирования, моделирования, производства, технических публикаций, управления данными и многого другого.

В последних версиях Solid Edge мы можем найти много новых функций. К ним относятся передовые технологии, такие как дополненная реальность и возможность полностью оцифровать процесс от проектирования до производства.

Еще одна выдающаяся функция Solid Edge — оптимизация как для аддитивного, так и для субтрактивного производства. Можно определить и выполнить ряд производственных процессов, в том числе:

• ЧПУ обработка
• Резка
• Изгиб
• литье
• Сварка
• Сборка
• Производство добавок

Последнее является хорошим дополнением благодаря достижениям в технологиях 3D-печати.

Solid Edge предлагает инструменты моделирования на трех разных уровнях: Solid Edge Premium, Solid Edge Simulation и Solid Edge Simulation Advanced. Масштабируемое моделирование Solid Edge позволяет пользователю в цифровом виде проверять и оптимизировать детали, сборки и целые системы. Вы можете сделать это на ранней стадии процесса проектирования, чтобы уменьшить потребность в быстром прототипировании и сэкономить время и деньги.

Возможности FEA в Solid Edge включают моделирование отдельных деталей, анализ сборки и вычислительную гидродинамику (CFD). С помощью этого программного обеспечения САПР и анализа методом конечных элементов можно выполнять:

• Анализ напряжения и моделирование
• Моделирование вибрации
• Моделирование полного движения
• Моделирование потери устойчивости
• Тепловое моделирование

Все варианты основаны на проверенной модели конечно-элементного моделирования Femap и технологии NX Nastran.

Плюсы

• Мощное программное обеспечение от известной и проверенной компании.
• Встроенная САПР, экспорт и импорт файлов не требуются для проведения исследований.
• Широкий спектр возможностей в одном пакете.
• Также могут быть выполнены тесты CFD.
• Возможности масштабируются в трехуровневой системе, чтобы вы могли решить, когда более высокие затраты действительно оправданы.
• Поддержка клиентов доступна на нескольких языках.
• Большая база знаний на веб-сайте компании и за ее пределами, включая видеоуроки, вебинары, статьи, форумы и многое другое.
• Лицензию можно приобрести по годовой или ежемесячной подписке. Это дает пользователю гибкость в выборе способа оплаты.

Минусы

• В зависимости от используемой версии системные требования могут быть очень высокими по сравнению с другим программным обеспечением CAD и FEA.
• Последние версии ограничены Windows Enterprise или Professional.

PTC Creo

Creo — еще одна известная компания в дизайнерском и инженерном сообществе. Их программное обеспечение для 3D проектирования и анализа методом конечных элементов является серьезным конкурентом.

Creo предлагает масштабируемые пакеты и инструменты для разработки продуктов 3D CAD. Эти инструменты включают моделирование и проектирование, моделирование и анализ, дополненную реальность и аддитивное производство.

В дополнение к возможностям 3D-проектирования, которые вы можете найти в любом программном обеспечении, Creo предлагает возможности для проектирования, основанного на знаниях. Вы можете использовать данные об использовании продукта в реальном мире с помощью функции Smart Connected Design.

Возможности FEA в Creo расширялись с годами. В последней версии они добавили CFD с расширением Creo Flow Analysis. Еще одним компонентом является инструмент Creo Simulation Live, который обеспечивает мгновенную обратную связь в среде моделирования.

Creo Simulation Live — самая замечательная функция, поскольку она мгновенно предоставляет конструкторам структурный, тепловой и модальный анализы. Можно выполнять моделирование без необходимости создания сетки или упрощения моделей.

Эта технология была создана в партнерстве с одним из самых уважаемых имен в индустрии инженерного программного обеспечения, ANSYS. Таким образом, Creo определенно повысила их авторитет и надежность на рынке.

Creo 6.0 позволяет выполнять:

• Структурный анализ
• Термические испытания
• Анализ движения
• Моделирование усталости
• Анализ заполнения формы

Все эти возможности делают его хорошим вариантом в качестве полноценного программного обеспечения для трехмерной САПР и анализа методом конечных элементов.

Плюсы

• Мощное программное обеспечение от известной и проверенной компании.
• Встроенная САПР, экспорт и импорт файлов не требуются для проведения исследований.
• Широкий спектр возможностей в одном пакете.
• Также могут быть выполнены тесты CFD и заполнения формы.
• Возможности масштабируются в 5-уровневой системе подписки, чтобы вы могли решить, когда более высокие затраты действительно оправданы.
• Поддержка клиентов доступна на нескольких языках.
• Большая база знаний на веб-сайте компании и за ее пределами, включая видеоуроки, вебинары, статьи, форумы и многое другое.
• Лицензию можно приобрести по модели оплаты по мере использования, что дает пользователю гибкость в выборе способа оплаты.

Минусы

• Моделирование ограничено уровнями Design Premium и Design Premium Plus.
• только для Windows.

Выводы

Важно отметить, что мы можем найти очень мощное и специфическое программное обеспечение для анализа методом конечных элементов, такое как ANSYS. Они дают возможность проводить исследования в более сложных и специфических инженерных ситуациях и областях. Однако этот тип программного обеспечения не используется как отдельная программа САПР. Поэтому их нужно использовать параллельно с некоторыми программами, о которых мы упоминали ранее.

Если вы студент, преподаватель или владелец малого бизнеса, вы часто можете воспользоваться специальными предложениями. Некоторые программы даже возможно использовать бесплатно для учебных целей, так что воспользуйтесь этой возможностью, чтобы выбрать подходящую для себя.