CADmaster

В совсем недалеком прошлом жизнь различного рода НИИ определяли следующие обстоятельства:

• Учитывая, что материя первична, а сознание вторично, подразделения НИИ вели беспощадную борьбу за хоздоговоры, — точнее, за денежные ресурсы, на которые можно было рассчитывать при их заключении.
• Превыше всех почитались и ценились те, кто имел рычаги, позволявшие эти хоздоговоры застолбить и, соответственно, получить под них приличные деньги.
• Узкой специализации не было — действовал принцип «главное ввязаться в драку, а там посмотрим».
• Поскольку хоздоговор заключался на годы (традиционно самым популярным сроком была пятилетка), была высока вероятность найти решение, которое в той или иной степени удовлетворит заказчика. А сам заказчик был достаточно снисходителен: государственные деньги на научные исследования выделялись целевым образом и не могли быть потрачены как-то иначе.
• Все программные наработки засекречивались от сидящего за перегородкой конкурента из другого отдела.
• Как результат, квалификация расчетчиков была высокой, а качество — достаточно низким.

Времена изменились. Отношения между заказчиком и подрядчиком перешли на коммерческую основу. Безусловно, остались отдельные отрасли, пребывающие на дотации государства, но деньги научились считать и здесь. Чтобы выжить в новых условиях, где движущей силой является конкуренция, предприятиям, занятым реальным производством, необходимо свести к минимуму сроки изыскательских работ и повысить их отдачу. Есть альтернатива: либо проводить теоретические изыскания своими силами, либо довериться смежнику — узкому специалисту, который решит задачу быстро и качественно, но, разумеется, не бесплатно. Когда речь идет о каком-нибудь ноу-хау, требующем нестандартных подходов, лучше, наверное, раскошелиться на специалиста. Но зачастую проблема относится к категории задач, алгоритм решения которых достаточно прозрачен, а необходимый инструмент доступен. Если так, то в плане экономии времени и финансов гораздо эффективнее всегда иметь этот инструмент (читай — специализированную или универсальную программу) под рукой. Программа приобретается один раз, но остается бесценным помощником на долгие годы.

К таким инструментам, бесспорно, относятся программы серии COSMOS, которые давно и эффективно используются расчетчиками в разных отраслях машиностроения. А разработчик, американская компания Structural Research & Analysis Corporation, постоянно совершенствует серию.

Интерфейс программы COSMOS/M c результатами расчета: распределение перемещений, вызванных нагрузкой, воздействующей на переднюю часть прицепа

Structural Research & Analysis Corporation вышла на рынок программного обеспечения, когда там господствовали такие монстры численного анализа, как ANSYS, ABAQUS и NASTRAN. Тем значительнее успех компании, не побоявшейся конкуренции с признанными авторитетами. Нашлась и свободная ниша: новая фирма создавала продукт, который отвечал бы почти всем потребностям разработчика и конструктора, но продавался по приемлемой цене…

Большинство экспертов сходятся во мнении, что программы группы COSMOS имеют наилучшее соотношение возможностей и стоимости. При этом у потенциальных пользователей может возникнуть вопрос о точности получаемых результатов. А точность (вернее, степень приближения к тому, что имеется в реальности) в большой мере зависит от адекватности модели, описывающей исследуемое явление. Тем, кто на практике знаком с численным анализом, хорошо известно, что слишком сложные модели зачастую приводят к менее точным результатам, чем простые и проверенные. Это объясняется и неопределенностью самих исходных данных, которые необходимы для исчерпывающего описания модели, и невозможностью получить их в достаточном объеме.Так, может быть, вообще отказаться от мало-мальски сложных моделей и сводить задачу к простейшим схемам, позволяющим получить решение в аналитическом виде? Едва ли. Необходим разумный компромисс — и программы группы COSMOS позволяют его найти.

Ну, а теперь о том, что представляет собой ПО COSMOS.

Упрощенно структуру программных продуктов серии можно представить в виде двух деревьев.

Первое дерево представляет собой совокупность модулей, определяющих функциональность программы COSMOS/M. Эта программа появилась раньше других пакетов своей серии и первой среди программ этого уровня могла использоваться на компьютерах настольного исполнения (учитывая достаточно ограниченные ресурсы первых персональных компьютеров, отдадим должное экономичности и эффективности программного кода). Универсальность пакета определяется единой методологией получения решений для широчайшего спектра задач математической физики. В компетенции COSMOS/M задачи механики деформирования твердого тела — статика, динамика и устойчивость элементов конструкции, в линейной и нелинейной постановках, с учетом временного фактора, усталостная прочность; тепловые процессы — стационарные и нестационарные, с разнообразными краевыми условиями; задачи низкочастотного и высокочастотного электромагнетизма, газовой динамики, сопряженные задачи и, наконец, многокритериальная оптимизация конструкции. В основе всех алгоритмов лежит метод конечных элементов (МКЭ).

рис. 1. Структура программного комплекса COSMOS

Центральным модулем пакета COSMOS/M является GEOSTAR. Это своеобразный центр управления, включающий в себя:

• трехмерный графический CAD-подобный построитель;
• препроцессор, позволяющий
• • создать конечно-элементную сетку для модели;
  • оформить расчетную схему;
  • определить параметры вычислительного процесса;
  • запустить соответствующий вычислительный модуль.
• постпроцессор, позволяющий представить результаты расчета в удобном для анализа виде.

Предлагаемые пользователю готовые связки модулей, как правило, полностью отвечают его потребностям — если же это не так, пользователь может сформировать пакет модулей самостоятельно. Единственный модуль, который будет входить в состав любой связки, — GEOSTAR.

С точки зрения функциональности COSMOS/M представляет собой замкнутую систему. Исключительно средствами COSMOS/M пользователь реализует всю ведущую к решению поставленной задачи технологическую цепочку: создает геометрическую модель, разбивает ее на конечные элементы, определяет все параметры модели, проводит требуемый анализ и получает в необходимом виде результаты.

COSMOS/M продолжает активно развиваться и совершенствоваться: за короткое время появились две новых версии: 2.5 (сентябрь 1999 г.) и 2.6 (ноябрь 2000 г.). Реализуются более совершенные алгоритмы, повышающие устойчивость вычислительного процесса и улучшающие сходимость, используются новые решатели систем уравнений. При этом сохраняется преемственность интерфейса — он практически не меняется, и пользователи, имеющие определенный опыт работы с программой COSMOS/M, переходят на новую версию совершенно безболезненно. Правда, от новичка, который привык к графическому интерфейсу в стандартах Windows, начало работы в среде GEOSTAR потребует некоторых усилий.

Другие представители семейства COSMOS: COSMOS/DesignSTAR и COSMOS/Works (см. второе дерево) — программы нового поколения с постоянно расширяющейся функциональностью. Одна из существенных особенностей этих пакетов — современный интуитивно понятный интерфейс (во многом сходный) и стандартная последовательность действий для всех видов анализа. Контекстно-зависимые меню и возможность работать в любой (в том числе смешанной) системе единиц еще больше упрощают взаимодействие пользователя с программой.

Распределение эквивалентных напряжений в уголке (COSMOS/M)

Распределение эквивалентных напряжений в корпусе вентиля, находящегося под действием внутреннего давления (COSMOS/ DesignSTAR)

В отличие от COSMOS/M, здесь нет собственного CAD-построителя: разработчики предпочли интеграцию с другими фирмами — производителями CAD-систем, чьи программы существенно превосходят по возможностям функционал графического построителя GEOSTAR.

Распределение эквивалентных напряжений в крыльчатке дымососа. Напряжения вызываются центробежными силами (COSMOS/Works)

COSMOS/DеsignSTAR импортирует геометрию, подготовленную практически в любой CAD-системе, а также способен устанавливать прямой интерфейс с такими графическими системами, как Autodesk Inventor, Solid Edge и SOLIDWORKS. COSMOS/Works интегрируется в среду SOLIDWORKS. Ассоциативная связь очень удобна при многовариантном анализе, поскольку с изменением геометрии изделия автоматически обновляются установленные ограничения, нагрузки и ссылочная геометрия. Достаточно перестроить сетку и снова запустить расчетный модуль.

Особо отметим инструменты генерации конечно-элементной сетки. Пользователь определяет параметры дискретизации — средний размер конечного элемента и, при необходимости, области с более мелкой сеткой. Кроме того, вы можете разрешить системе самостоятельно регулировать размеры ячеек в зонах с резким изменением геометрии.

Напряженно-деформированное состояние имплантанта под действием распирающего давления (COSMOS/Works)

Зоны разрушения имплантанта (выделены красным цветом)

Разнообразны возможности представления результатов анализа. Можно строить произвольно ориентированные сечения (плоские, цилиндрические, шаровые, а также изоповерхности), воспользоваться средствами анимации. Удобное средство — пробник — позволяет более точно определить значения рассчитанных величин в выбранных точках. Размерность решаемой задачи (количество узлов и конечных элементов) не ограничена: все определяется ресурсами вашей вычислительной системы.

Иллюстрация сверху слева: Конечно-элементное представление редуктора, учитывающее наличие контактного взаимодействия его компонент (COSMOS/DesignSTAR); Иллюстрация сверху справа: Поле эквивалентных напряжений в продольном сечении редуктора; в качестве нагрузки — момент, приложенный к оси ведущей шестерни; Иллюстрация снизу слева: Изоповерхности эквивалентных напряжений в редукторе; Иллюстрация снизу справа: Распределение эквивалентных напряжений в двух выделенных сечениях редуктора

И наконец о самом главном: какие классы задач можно решать с помощью этих программ.

COSMOS/DesignSTAR и COSMOS/Works активно развиваются, причем лидер по функционалу постоянно меняется.

На сегодня лидирует COSMOS/DesignSTAR 3.0, в перечень задач которого входят:

1. Линейная статика для отдельных деталей и сборок — трехмерных объемных тел и оболочек. Учет контактного взаимодействия с трением и без трения.
2. Определение резонансных частот и соответствующих форм колебаний.
3. Определение критических нагрузок и форм потери устойчивости.
4. Тепловые задачи — стационарные и нестационарные.
5. Динамика жидкостей и газов.
6. Нелинейные задачи деформирования твердого тела (12 моделей — анизотропность, пластичность, ползучесть, гиперупругость).
7. Низкочастотные электромагнитные явления.

Реализация шестого из перечисленных пунктов автоматически расширяет возможности остальных.

Электромагнит (выделенная расчетная область)	Конечно-элементное представление расчетной области электромагнита (COSMOS/DesignSTAR)
Распределение плотности магнитного потока в отдельных сечениях расчетной области	Изоповерхность, соответствующая определенному значению плотности тока возбуждения

Дело в том, что решение нелинейных задач сопряжено с необходимостью формирования кривых нескольких видов: временно-зависимых, температурно-зависимых, зависимостей напряжение-деформация, напор-давление и некоторых других. Эти кривые используются для определения свойств материала, истории нагружения конструкции, но с тем же успехом применимы при решении задач с условиями на границах и внутри расчетной области, зависящими от времени.

Например, теперь можно проводить анализ нестационарных тепловых процессов с изменяющимися во времени параметрами нагружения и краевыми условиями, в качестве которых могут выступать тепловые потоки, объемное тепловыделение, профиль температуры и некоторые другие величины.

COSMOS/Works 6.0, работающий совместно с CAD-системой SOLIDWORKS, по своему функционалу сейчас уступает COSMOS/DesignSTAR 3.0: в число его задач не входят нелинейные задачи деформирования твердых тел.

Конечно-элементное представление корпуса снаряда и распределение сил давления на его поверхности при обтекании потоком (COSMOS/DesignSTAR)

Но есть и немалые плюсы.

Во-первых, изящно реализованный алгоритм оптимизации конструкции.

В результате оптимизации можно сэкономить на материале, минимизируя объем или вес конструкции, обеспечить максимальный запас по устойчивости и добиться того, чтобы резонансная частота лежала вне опасного диапазона. В качестве ограничений могут выступать уровни допустимых напряжений и деформаций, температура, запас по устойчивости и др.

Второй плюс — выборочный адаптивный Р-метод для автоматического уточнения решения задач линейной статики.

Распределение скоростей набегающего потока и температуры вокруг корпуса снаряда

Пользователи, имеющие опыт работы с пакетами конечно-элементного анализа от разных производителей, при оценке программ COSMOS/DesignSTAR и COSMOS/Works практически единодушны: это лучшее средство экспресс-анализа при проектировании изделий.

Для российского пользователя критерием выбора программного продукта нередко является наличие или отсутствие русскоязычного интерфейса. Применительно к программам COSMOS/DesignSTAR и COSMOS/Works это обстоятельство не играет существенной роли. Интуитивно понятный интерфейс и тщательно продуманная серия примеров, сопровождающихся подробнейшей пошаговой инструкцией и соответствующими картинками, позволяет освоить программы в самый короткий срок.

Распределение относительного статического давления при обтекании снаряда сверхзвуковым потоком (COSMOS/DesignSTAR)

Более того, чтобы решение приобрести программу было вполне осознанным, а не основывалось на отрывочных впечатлениях, фирма-производитель предоставляет возможность познакомиться с пакетом в полнофункциональном варианте, но с ограниченной по времени лицензией.

В продолжение темы хотелось бы коснуться интеграции фирм — производителей программного обеспечения. Говоря о программах конечно-элементного анализа полезно упомянуть программу динамического анализа Dynamic Designer Motion (Mechanical Dynamics Inc.). При инсталляции эта программа интегрируется в среду трехмерного параметрического построителя, с которым устанавливает полную ассоциативную связь (есть варианты, которые работают с Autodesk MDT, Solid Edge и SOLIDWORKS). Сборку, созданную в CAD-системе, вы можете сразу же оценить с точки зрения динамики в реальных условиях эксплуатации. На выходе можно получить усилия, возникающие в шарнирных соединениях, силы реакций со стороны внешних опор, силы и моменты инерции. Эти данные можно сохранить в виде файлов и использовать при детальном конечно-элементном анализе. Таким образом, замыкается технологическая цепочка: CAD-система (создание сборки) — Dynamic Designer Motion (анализ динамики сборки) — COSMOS/DesignSTAR, COSMOS/Works (анализ напряженно-деформированного состояния компонентов).

В следующих номерах журнала мы подробно рассмотрим функционал и возможности программ семейства COSMOS. А пока сделаем первый вывод: COSMOS — это то, что достойно вашего благосклонного внимания.

Скачать статью в формате PDF — 1.94 Мбайт