Долгое время программа «Штуцер-МКЭ» развивалась неспешно, оставаясь в тени ПАССАТа, на развитие которого тратились основные ресурсы.

Сейчас ситуация изменилась. В команду разработчиков программ прочностных расчетов был принят опытный специалист, один из создателей известной программы CPIPE, к.т.н. Роман Владимирович Унесихин, который оживил процесс развития программы «Штуцер-МКЭ».

Разработка теперь идет полным ходом по новому перспективному плану, с которым мы хотим вас познакомить.

Сначала немного истории

«Штуцер-МКЭ» создавалась как программа для расчета методом конечных элементов (МКЭ) узлов врезки патрубков в корпус сосуда (аппарата).

Точнее, сначала это была просто программа «Штуцер», которая считала врезки без МКЭ, по нормам.

Норм аналитического расчета узлов врезки (в том числе тройников) произвольной конфигурации не существует: есть WRC 107, 297 для определения допускаемых напряжений ортогональных врезок без накладных колец, ГОСТ 24755–89 для расчета укрепления отверстия (эта методика перекочевала в современные стандарты) и РД 26.260.09−92 для расчета двух простейших видов ортогональных врезок. Прочие конструкции — даже распространенный случай врезки штуцера в эллиптическое днище со смещением — рекомендуется рассчитывать «инженерными методами», то есть фактически методом конечных элементов, с использованием специализированного ПО (например, ANSYS). Это непростой процесс, требующий от расчетчика высокой квалификации и больших затрат времени. Кроме того, после выполнения такого расчета и получения напряжений расчетной модели остается неясным, по какому критерию их оценивать и принимать решение о работоспособности узла. Широкому кругу расчетчиков нужен специализированный инструмент, решающий эти проблемы.

Поэтому «Штуцер» почти сразу начал превращаться в «Штуцер-МКЭ» — чтобы рассчитывать любые врезки и тройники.

Разработчики новой программы стремились сделать расчет доступным как можно большему числу специалистов, не требующим детального знания МКЭ и способов построения конечно-элементной модели, позволяющим осуществлять выбор метода расчета и т. д. Для оценки напряжений была разработана и реализована специальная методика, вошедшая в нормативный документ СА 03−004−07.

Таким образом, появился новый удобный инструмент — «Штуцер-МКЭ» (рис. 1), — позволяющий быстро оценить работоспособность врезки произвольной конфигурации, получить таблицу допускаемых напряжений и не требующий специфических знаний в области МКЭ.

В дальнейшем «Штуцер-МКЭ» в основном развивался горизонтально: добавились отчеты в стиле ПАССАТа, обновлялась база данных материалов (опять же синхронно с ПАССАТом), реализовывались требования новых нормативных документов и т. д.

С самого начала результаты разработки «Штуцера» (еще не МКЭ) применялись в программах СТАРТ и ПАССАТ. В обеих программах используются фрагменты расчета для определения прочности («ПАССАТ-Штуцер») и жесткости («СТАРТ-Штуцер») узла врезки. Кроме того, ПАССАТ умеет сохранять узлы врезки в виде файлов «Штуцер-МКЭ», но это односторонний интерфейс.

Рис. 1. Структура текущей версии «Штуцер-МКЭ» Рис. 1. Структура текущей версии «Штуцер-МКЭ»

Добавлялись и расчетные модели — новые виды обечаек, расположений штуцеров, дополнительные способы закрепления обечайки, но все это в рамках базовой геометрической модели и способов разбивки на КЭ.

Шаги вперед

Нам, конечно, хотелось превратить программу в универсальный инструмент, позволяющий моделировать и рассчитывать произвольную геометрию. Основными препятствиями на этом пути оказались использовавшиеся подсистемы геометрического моделирования и разбиения (mesher), ориентированные на распространенный, но частный случай «одна обечайка — один штуцер». Поэтому расчетные модели были предопределены заранее, и пользователь мог только выбрать одну из них.

Для преодоления этих недостатков нужны инструменты, и они у нас есть!

Геометрическое ядро

ПАССАТ уже довольно давно использует геометрическое ядро C3D, созданное компанией АСКОН в рамках развития программы «КОМПАС-3D», но уже несколько лет независимо разрабатываемое в компании C3D-Labs и доступное в виде отдельной библиотеки. Это довольно мощный инструмент, получивший признание на международном рынке геометрических ядер.

Мы планируем использовать его для построения модели и в «Штуцер-МКЭ». Приятный плюс, что при этом упростится обмен данными с ПАССАТом.

Генератор сеток

Для построения сеток с четырехугольными элементами некоторое время назад мы приобрели генератор четырехугольных сеток (QuadMesher), разработанный австралийскими специалистами для расчетов по МКЭ. Генератор требовал доработки, но мы получили исходные тексты и право модифицировать их. После доработки получился весьма приличный по скорости и качеству генератор, позволяющий строить адаптивные (с переменным шагом) сетки на произвольной геометрии (рис. 2).

Рис. 2. Сетка и результаты расчета с новым генератором сеток

Новый старый интерфейс

Естественно, если мы отказываемся от статичных моделей в пользу произвольных, потребуется соответствующее изменение интерфейса пользователя: должны добавиться средства моделирования и трехмерный просмотр модели. Тогда и результаты можно будет представлять в 3D-окне, а не только как готовые картинки в отчете. Из этих соображений начал вырисовываться контур будущего интерфейса пользователя, включающий несколько компонент:

  • окно дерева проекта: иерархический показ и выбор элементов модели, закреплений, нагрузок и результатов;
  • окно трехмерного просмотра модели, сетки, результатов расчета (напряжений и деформаций);
  • окно задания исходных данных трансформируется в окно свойств элемента, выбранного в дереве проекта;
  • навигация по отчету, которая может осуществляться в дереве проекта.

Получается стандартный набор, в немалой степени уже давно реализованный в других наших программах — СТАРТ, ПАССАТ, «Гидросистема». Но для «Штуцер-МКЭ» это значительный шаг!

Схема светлого будущего

В итоге структура программы должна существенно измениться (рис. 3). Мы стремимся улучшить не только сам продукт, но и его интеграцию с ПАССАТом и СТАРТом, а также сделать возможным и удобным повторное использование компонентов «Штуцер-МКЭ» в других программах.

Рис. 3. Будущая структура программы «Штуцер-МКЭ» Рис. 3. Будущая структура программы «Штуцер-МКЭ»

Все это уже начало воплощаться в жизнь. Есть сборка «Штуцер-МКЭ» с окном трехмерного просмотра и новым адаптивным генератором сеток. Сейчас мы ее активно тестируем.

Есть идея сделать возможным прямой вызов расчета МКЭ из ПАССАТа и СТАРТа, и новая архитектура это предусматривает. Это позволит кардинально улучшить возможности программ и их интеграцию.

В перспективе

Когда приведенная схема будет полностью реализована и интегрирована с программами ПАССАТ и СТАРТ, инженер-расчетчик получит не только свежий и удобный интерфейс, но и новые, в том числе уникальные возможности:

  • расчет сложных схем, включая учет взаимного влияния групп штуцеров, отверстий, смежных элементов;
  • расчет ответственных фрагментов аппарата целиком;
  • более точный учет нагрузок и условий закрепления;
  • расчет узлов врезки непосредственно в ПАССАТе;
  • расчет элементов трубопровода в СТАРТе по МКЭ;
  • возможность совместного (!) расчета аппарата и трубопровода.

Мы активно трудимся над этим, следите за выходом новых версий!

Алексей Тимошкин
НТП «Трубопровод»