В первом квартале 2013 года корпорация MSC Software объявила о выпуске нового продукта — проблемно-ориентированного модуля Nastran Embedded Fatigue (NEF) для расчета усталостной прочности и долговечности изделий, а также оптимизации изделия по ресурсу.

Nastran Embedded Fatigue является принципиально новым этапом в интеграции структурных прочностных расчетов с анализом усталостной прочности и долговечности. Сущность реализованного в нем нового подхода состоит в том, что модуль NEF работает непосредственно в среде MSC Nastran.

MSC Nastran — программный комплекс, предназначенный, прежде всего, для оценки напряжённо-деформированного состояния узлов и элементов конструкций. Результатом же работы новой версии MSC Nastran со встроенным модулем NEF является оценка долговечности и ресурса исследуемых компонентов изделия.

До появления NEF расчет с использованием программного комплекса Fatigue, предназначенного для оценки ресурса и долговечности изделий, осуществлялся по традиционной схеме. При этом сначала производился отдельный запуск структурного прочностного расчета изделия для получения напряжений в узлах и элементах конструкции, затем эти на пряжении транслировались в графическую среду — препостпроцессор, где производилась подготовка множества исходных данных для проведения расчета усталостной прочности и долговечности. На первом этапе подготовки инженер задавал усталостные характеристики материалов и формировал сложные истории циклического нагружения изделия. На следующем этапе создавались многочисленные файлы непосредственно для решателя Fatigue, после чего производился расчет долговечности и повторное считывание результатов в препостпроцессор уже для анализа и визуализации полученных данных (рис. 1).

Рис. 1. Традиционная схема расчета изделия по ресурсу и долговечности с использованием Fatigue
Рис. 1. Традиционная схема расчета изделия по ресурсу и долговечности с использованием Fatigue

При работе с большими моделями (от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов степеней свободы) и использовании реальных историй нагружения (моделирование пробега самолета по взлетной полосе или движения автомобиля по дороге) объем файлов результатов прочностного анализа и входных файлов для решателя Fatigue мог составлять десятки и сотни гигабайт. Трансляция таких объемов информации в любой современный препостпроцессор занимала достаточно длительное время: от нескольких часов до нескольких суток, а в некоторых случаях была практически невозможна.

Специалисты MSC Software смогли максимально оптимизировать рабочий процесс подготовки необходимых исходных данных и проведения анализа долговечности изделий, исключив многократную трансляцию больших объемов информации в графическую среду пользователя. С выходом Nastran Embedded Fatigue у инженеров появилась возможность провести одновременно прочностной расчет и расчет долговечности за один запуск решателя MSC Nastran (рис. 2).

Рис. 2. Схема интегрированного расчета на прочность и долговечность с использованием Nastran Embedded Fatigue
Рис. 2. Схема интегрированного расчета на прочность и долговечность с использованием Nastran Embedded Fatigue

Для расчета изделия на долговечность с использованием NEF достаточно подготовить всего один файл с исходными данными, чтобы после работы программы MSC Nastran в конечном итоге получить единственный файл с результатами расчета усталостной прочности и долговечности. Такой файл очень компактен — до нескольких десятков килобайт. При использовании такого подхода отпадает необходимость в формировании промежуточного файла с результатами прочностного расчета. В Nastran Embedded Fatigue запрос на вывод результатов структурного прочностного расчета перед запуском анализа долговечности необязателен, что еще больше экономит время и вычислительные ресурсы. Кроме того, выполнение расчетной оценки долговечности непосредственно в среде MSC Nastran, предназначенного для расчета напряженнодеформированного состояния, обеспечивает возможность параметрической и топологической оптимизации расчетной модели по критериям долговечности (рис. 3).

Рис. 3. Оптимизация изделия по прочности и ресурсу в NEF
Рис. 3. Оптимизация изделия по прочности и ресурсу в NEF

Сравнительная оценка MSC.Fatigue (с графическим препостпроцессором Patran) с Nastran Embedded Fatigue была проведена специалистами MSC Software. Был реализован расчет усталостной прочности и долговечности кабины магистрального тягача Navistar Heavy Duty Truck по традиционной схеме и аналогичный расчет с использованием NEF (рис. 4−5).

Рис. 4. Модель кабины магистрального тягача Navistar Heavy Duty Truck
Рис. 4. Модель кабины магистрального тягача Navistar Heavy Duty Truck
Рис. 5. Результаты расчета - повреждаемость элементов конструкции
Рис. 5. Результаты расчета - повреждаемость элементов конструкции

Расчетная модель кабины насчитывала свыше ста тысяч конечных элементов и более полумиллиона степеней свободы. Для моделирования ускоренных дорожных испытаний был задействован специальный модуль MSC.Fatigue — «Duty Cycle Analyser» — уникальный инструмент, помогающий инженеру-расчетчику сформировать сложный нагрузочный цикл, состоящий из Большого числа стандартизированных блоков нагружения конструкции. В рассматриваемом примере каждый из таких блоков нагружения соответствовал движению автомобиля в различных условиях и по дорогам с различными покрытиями (асфальт, булыжник, бетонные плиты), движению через железнодорожные переезды и преодолению различного рода препятствий (рис. 6).

  • Duty cycle
    • Ускоренные испытания «shaker test»
    • Время одного цикла — 3478 секунд — 58 минут
    • Эквивалент — 1197 миль
  • Цель испытаний
    • 30 000 миль пробега
    • 250.6 повторений нагрузочного цикла
    • 10.1 дней
    • Визуальный контроль после каждого цикла
Рис. 6. Программа ускоренных испытаний с использованием модуля MSC.Fatigue «Duty Cycle Analyser»

Event#

Name

Description

Duration (s)

Repeats

Total Time (s)

1

еаЮ

Empty Abbreviated Belgian Blocks at 10 mph

38.0

4

152.0

2

egvl

Empty Gravel Road

14.0

3

42.0

3

er20

Empty Railroad Crossing at 20 mph

6.0

3

18.0

4

егЗО

Empty Railroad crossing at 30 mph

6.0

3

18.0

5

Ip10

Loaded Primary Belgian Blocks at 10 mph

96.0

5

480.0

6

1р12

Loaded Primary Belgian Blocks at 12 mph

58.0

29

1682.0

7

1р14

Loaded Primary Belgian Blocks at 14 mph

54.0

7

378.0

8

1г20

Loaded Railroad Crossing at 20 mph

6.0

3

18.0

9

Ir30

_oaded Railroad Crossing at 30 mph

6.0

3

18.0

10

Is20

Loaded Supplemental Course at 20 mph

34.0

2

68.0

11

nois

Shaped Noise

302.0

2

604.0

Вычисления производились на четырехпроцессорной машине под управлением ОС Windows 7 с использованием 16 гигабайт оперативной памяти. Суммарное машинное время расчета с использованием NEF составило 24,55 мин., а расчет по классической, или традиционной, схеме занял 118,79 мин. (рис. 7).

При этом требуемый объем дискового пространства для вычислений с использованием NEF сократился почти в пять раз, а количество отдельных файлов, необходимых для расчета, сократилось с двухсот до двух (рис. 8−9)! Совершенно очевидно, что при исследовании расчетных моделей с большей размерностью, например, полноразмерной модели корпуса судна или планера самолета, эффективность применения Nastran Embedded Fatigue будет еще больше.

Такие впечатляющие результаты красноречиво свидетельствуют, что NEF идеально подходит для решения задач в первую очередь в аэрокосмической и автомобильной промышленности, где используются большие (сотни тысяч конечных элементов) и сверхбольшие (миллионы конечных элементов) расчетные модели.

Компании MSC Software в этом году исполнилось 50 лет и на протяжении этой полувековой истории MSC разрабатывает программное обеспечение для производителей космической, авиационной, автомобильной и железнодорожной техники, медицинского и энергетического оборудования. Программные решения MSC Software широко используются в судостроении, вертолетостроении, двигателестроении, электронной промышленности и биомедицине.

С помощью программных продуктов MSC Software предприятия в кратчайшие сроки и с минимальными издержками выводят на рынок высокотехнологичные изделия, обладающие высочайшими эксплуатационными характеристиками и отвечающие самым строгим требованиям по безопасности и ресурсу.

MSC Software постоянно совершенствует существующую линейку расчетных инженерных комплексов и предлагает абсолютно новые подходы для решения все более сложных инженерных задач, обеспечивающие предприятиям еще большую конкурентоспособность их продукции.

Рис. 7. Сравнительная оценка времени расчета долговечности с использованием классического подхода и NEF

Время, необходимое для расчета долговечности, мин.

Стадия расчета

Псевдостатический расчет по традиционной схеме MSC.Fatigue+Patran

Переходный процесс (Modal Transient) по традиционной схеме MSC.Fatigue+Patran

Псевдостатический расчет

Nastran Embedded Fatigue (NEF)

Переходный процесс (Modal transient)

Nastran Embedded Fatigue (NEF)

Структурный расчет

1,92

17,84

-

-

Генерация исходных данных Fatigue

8,44

21,87

-

-

Решатель Fatigue

38,20

79,08

-

-

Суммарное время расчета

48,56

118,79

11,67

24,55

Рис. 8. Сравнительная оценка необходимого дискового пространства для расчета долговечности с использованием классического подхода и NEF
Требуемый объем дискового пространства, мегабайт

Используемые типы файлов

Расширение

Псевдостатический расчет по традиционной схеме MSC.Fatigue+Patran

Переходный процесс (Modal transient) по традиционной схеме MSC.Fatigue+Patran

Псевдостатический расчет

Nastran Embedded Fatigue (NEF)

Переходный процесс (Modal transient) Nastran Embedded Fatigue (NEF)

Хранение данных структурного расчета

.xdb

79,95

271,546.57

-

-

Файл исходных данных для Fatigue

.fin

0,10

21,87

-

-

Файл исходных данных для Fatigue

.fes

157,27

11,040.96

-

-

Файлы результатов Fatigue

.fef*

71,40

71,40

(71,40)

(71,40)

Файлы результатов Fatigue

.op2*

-

-

31,02

31,02

в сумме

308,52

282,660.21

31,02

31,02

Рис. 9. Менеджмент расчетных данных с использованием классического подхода и NEF

Менеджмент расчетных данных — необходимое количество файлов для разных этапов расчета прочности и долговечности

Стадии решения

Тип данных

Расширение файла

Псевдостатический расчет по традиционной схеме MSC.Fatigue+Patran

Переходный процесс (Modal transient) по традиционной схеме MSC.Fatigue+Patran

Псевдостатический расчет Nastran Embedded Fatigue (NEF)

Переходный процесс (Modal Transient) Nastran Embedded Fatigue (NEF)

MSC Nastran -структурный прочностной расчет

Input

.dat

1

11

1

1

Result

.xdb

1

11

Result

.op2

-

-

1

1

Fatigue — расчет долговечности

Load history

.dac

132 (12×11)

132

Input

.fin

11

11

Input

.fes

11

11

Result

.fef

11

11

Material DB

.adb /.mdb

2

2

Load DB

.adb /.tdb

2

2

в сумме

171

191

2

2

Валерий Широбоков,
технический эксперт MSC Software Rus
Тел.: (495) 363−0683
E-mail: