С0SM0S/М
COSMOS/М это построенная по модульному принципу автономная система анализа МКЭ, разрабатываемая корпорацией Structural Research для персональных ЭВМ и рабочих станций. Она включает модули для решения линейных и нелинейных, статических и динамических задач анализа механических конструкций, а также полевых задач теплопроводности, механики жидкости и электромагнетизма. Имеются также модули для решения ряда специальных задач, таких как усталостная прочность при циклических нагрузках и анализ гидравлических сетей. Система непрерывно развивается и совершенствуется с использованием самых передовых методов, соответствующих стремительному прогрессу технических средств. Программа COSMOS/M имеет модульную структуру, однако пользователь взаимодействует с ней только через интерфейс программы GEOSTAR. Все внутренние обращения и передачи управления автоматизированы таким образом, чтобы обеспечить пользователю работу в режиме однотипного экрана. Пользователь строит модель, определяет все данные, необходимые для программы анализа, выполняет собственно анализ и оценивает результаты - и все это, не выходя из среды GEOSTAR.
Каждой задаче должно быть дано имя, которое является общим для всех файлов, относящихся к этой задаче. Имя каждого из этих файлов имеет свое расширение, которое определяет тип содержащейся в файле информации. В настоящем пособии все файлы, относящиеся к одной задаче, называются базой данных задачи. Многие файлы базы данных являются общими для всех типов анализа; некоторые содержат информацию, относящуюся только к одному типу анализа. Одна и та же база данных может быть использована для выполнения различных типов анализа. COSMOS/M создает как двоичные файлы, так и файлы в формате ASCII. Двоичные файлы используются самой программой для сохранения и восстановления информации. Файлы ASCII, с другой стороны, используются для хранения информации, которая непосредственно используется пользователем.
Краткий обзор модулей COSMOS/M
Система COSMOS/M включает пре- и постпроцессоры, различные модули анализа, интерфейсы с CAD-системами, трансляторы и утилиты.
GEOSTAR: пре- и постпроцессор
Модуль GEOSTAR представляет собой работающий в графическом режиме трехмерный интерактивный геометрический моделировщик, позволяющий генерировать сетки конечных элементов, а также выполняющий функции пре- и постпроцессора при анализе МКЭ. Геометрические возможности GEOSTAR базируются на методе смешанных граничных представлений (В-гер) и параметрических кубических уравнениях.
Основное назначение GEOSTAR - выполнение функций пре- и постпроцессора для системы анализа МКЭ COSMOS/M. Пользователь может создавать модель, вводить всю необходимую для анализа информацию, выполнять собственно анализ, используя расчетные модули COSMOS/М и, наконец, визуально оценивать результаты. Все это доступно непосредственно в среде GEOSTAR в графическом интерактивном режиме под управлением падающего меню.
Разнообразные возможности геометрического моделирования в сочетании с гибкими средствами генерации конечно-элементных сеток, позволяют легко создавать сложные расчетные модели. Нагрузки, граничные и начальные условия могут быть приложены к соответствующему геометрическому элементу модели в любой заранее определенной системе координат.
Программу GEOSTAR выгодно отличает сочетание мощных возможностей, интуитивно понятной структуры и легкости в освоении.
Модели, созданные в других системах геометрического моделирования (CAD), могут быть введены в GEOSTAR с помощью форматов DXF и IGES. Пользователю в процессе работы в CAD-системе необходимо получить файл в одном из этих форматов, а потом воспользоваться одной из команд GEOSTAR для ввода модели. Также легко можно получить описание модели, построенной в GEOSTAR, в выходном файле в формате DXF или IGES для последующего использования в одной из CAD-систем.
STAR: модуль линейного статического анализа
Модуль STAR использует для вычисления деформаций конструкций линейную теорию, использующую предположение малости перемещений. Для расчета напряжений STAR вызывает дополнительный модуль STRESS. Ниже приведены основные особенности модулей STAR и STRESS:
· Расширенная библиотека элементов.
· Изотропные, ортотропные, анизотропные и композитные свойства материалов.
· Критерий разрушения для композитных материалов.
· Предписанные начальные смещения узлов с учетом или без учетадругих нагрузок.
· Связанные степени свободы.
· Задание уравнений связи.
· Тепловые, весовые и центробежные нагрузки. „
· Балочные нагрузки.
· Плоскостные эффекты при оценке жесткости.
· Расчет для составного нагружения за один прогон модуля.
· Введение в матрицу жесткости дополнительной небольшой упругости для предотвращения ее возможного вырождения.
· Техника суперэлементов.
· Взаимодействие жидкости с твердым телом.
· Элемент "Зазор с трением".
· Постпроцессорные возможности:
вывод листинга смещений и напряжений; автоматический выбор экстремальных значений смещений и компонент напряжений; визуализация деформированного состояния; анимация деформированного состояния; многоцветное представление полей деформации и напряжения; представленные полей деформации и напряжения в изолиниях; векторное представление полей деформации и напряжения; вывод в листинг и визуализация сдвиговых и моментных компонент балочных элементов; управляемое пользователем масштабирование; комбинирование смещений и компонент напряжения различных вариантов нагружений.
STRESS: дополнительный модуль вычисления напряжений для задач линейной статики.
Модуль STRESS вычисляет напряжения в элементах и узлах для большинства элементов библиотеки, используя результаты, полученные STAR. Напряжения, вызываемые составными нагрузками, вычисляются за один проход модуля, а комбинирование нагружений возможно на постпроцессорной стадии. Напряжения могут быть получены в любой предварительно определенной системе координат. Модуль STRESS поддерживает все возможности STAR
DSTAR: модуль вычисления собственных частот и анализа устойчивости
Модуль DSTAR оценивает собственные частоты и соответствующие им формы свободных колебаний конструкции. Он также позволяет найти критические нагрузки и связанные с ними формы потери устойчивости. Далее отмечены наиболее важные особенности модуля DSTAR.
· Наличие нескольких методов отыскания собственных значений итераций в подпространстве (вплоть до 150 значений), Ланцоша (вплоть до 150 значений), Якоби (все собственные значения), обратный степенной (одно собственное значение).
· Вычисление комплексных собственных значений.
· Вычисление собственных значений в заданной частотной области путем задания частотного сдвига.
· Использование последовательности Штурма для выделения кратных собственных значений.
· Матрицы сосредоточенных и распределенных масс.
· Учет влияния плоской нагрузки на жесткость. Возможность добавить малую упругость.
· Постпроцессорные возможности:
вывод листинга собственных частот и форм; вывод листинга экстремальных значений форм; визуализация форм; анимации форм; управляемое пользователем масштабирование.
HSTAR: модуль решения задач теплопроводности
Модуль HSTAR решает задачи теплопроводности, включающие теплообмен за счет проводимости, конвекции и излучения. Далее отмечены наиболее важные особенности модуля HSTAR.
· Линейная и нелинейная, стационарная и нестационарная теплопроводность.
· Температурно-зависимые свойства материалов.
· Источники и стоки тепла, зависящие от времени и температуры.
· Граничные условия, зависящие от времени и температуры: тепловые потоки; конвекция; излучение.
· Предписанные температуры, задаваемые как функции времени. (Несколько итерационных вычислительных алгоритмов): метод Ньютона - Рафсона; модифицированный метод Ньютона - Рафсона.
· Вычисление коэффициентов направленности излучения.
· Постпроцессорные возможности:
вывод в листинг и визуализация температур, температурных градиентов и тепловых потоков; вывод экстремальных значений; представление многоцветной областью, в изолиниях и в векторном виде.
ASTAR: Модуль динамического анализа
Модуль ASTAR использует результаты, вычисленные модулем DSTAR, и метод разложения по собственным формам для вычисления динамической реакции конструкции. Далее отмечены некоторые важные особенности модуля ASTAR.
· Расширенная библиотека элементов.
· Возможности анализа:
возбуждение во временной области; возбуждение через основание (включая сейсмические нагрузки); возбуждение в частотной области; ударный спектр; генерация спектра ответа; случайная вибрация; стационарный гармонический анализ; спектральная плотность мощности (случайный отклик).
· Модели демпфирования: скалярная; амортизационная; с дискретной вязкостью; с модальной вязкостью; конструкционная.
· Начальные условия.
· Функции времени для масштабирования нагрузок.
· Анализ напряженных состояний.
· Двух узловые элементы "зазор с трением", работающие на сжатие или растяжение.
· Постпроцессорные возможности:
вывод в листинг и визуализация реакций (смещения, скорости, ускорения и напряжения); построение графиков функций времени или частоты для реакций отдельных узлов и элементов; вывод в листинг экстремальных значений, визуализация в многоцветных и векторных полях, а также изолиниях, масштабирование под управлением пользователя.
NSTAR: модуль нелинейного анализа конструкции
Модуль NSTAR решает задачи нелинейного статического и динамического анализа конструкций. Далее отмечены некоторые важные особенности модуля NSTAR.
· Расширенная библиотека элементов.
· Геометрическая нелинейность:
большие перемещения (общая и модифицированная формулировка Лагранжиана); большие деформации (резиноподобные материалы); управляемые зазоры, линии и поверхности контакта.
· Физическая нелинейность:
нелинейная упругость (билинейная и произвольная кривая - напряжение-деформация); гиперэластичность; пластичность; ползучесть; термопластичность; несжимаемость.
· Вычислительные методы:
методы управления включают: управление нагрузкой; управление перемещением (определяет движение узла как функцию времени в заданном направлении).
· Итерационные методы включают:
обычный метод Ньютона - Рафсона (метод касательных); модифицированный метод Ньютона - Рафсона (метод касательных); BFSG-метод (Бройдена-Флетчера-Голдфарба-Шанно) (метод секущих), поиск линии для улучшения сходимости; управление числом итераций и погрешностью.
· Нагрузки:
сосредоточенные силы; давление; температуры; центробежные; весовые; консервативные и неконсервативные; временные функции для масштабирования нагрузок.
· Дополнительные возможности:
нелинейная устойчивость (анализ предельной нагрузки); повторный запуск для продолжения вычислений с заданного шага (нагрузки, метод решения и шаг интегрирования могут быть изменены перед каждым повторным запуском); связанные степени свободы.
· Постпроцессорные возможности:
вывод в листинг перемещений, деформаций и напряжений; вывод в листинг экстремальных значений перемещений, деформаций и компонент напряжений; визуализация деформированных форм в заданных точках процесса; анимация деформированных форм; визуализация в многоцветных и векторных полях, а также изолиниях; масштабирование под управлением пользователя, построение графиков функций времени для реакций отдельных узлов и элементов.
CSTAR: модуль анализа динамики разрушений
Модуль CSTAR выполняет анализ динамики разрушений в реальном времени, используя точные схемы. Далее отмечены некоторые особенности модуля CSTAR.
· Элементы: трехмерный стержень (ферма) (TRUSS3D); трехмерная балка (ВЕАМЗD); толстая и тонкая трехузловая оболочка (SНЕLL3 и SНЕLL3Е); четырехузловая оболочка (SHELL4); объемный упругий элемент (SOLID).
· Двух- и трехмерный нестационарный анализ.
· Физическая и геометрическая нелинейность.
· Автоматическое вычисление шага интегрирования по времени исходя из величины критического шага для предупреждения неустойчивости, возможной вследствие слишком большого шага.
· Простой и эффективный оболочечный элемент (SНЕLL4), требующий мало памяти.
· Граничные условия: смещения; скорости; ускорения.
· Нагрузки: сосредоточенные силы; давление; предписанные смещения; временные кривые для масштабирования нагрузок в различных местах.
· Постпроцессорные возможности:
вывод в листинг перемещений, деформаций и напряжений; вывод в листинг экстремальных значений перемещений, деформаций и компонент напряжений; визуализация деформированных форм в заданных точках процесса; анимация деформированных форм; визуализация в многоцветных и векторных полях, а также изолиниях; масштабирование под управлением пользователя; построение графиков функций времени для реакций отдельных узлов и элементов.
FSTAR: модуль анализа усталостной прочности
Модуль FSTAR использует результаты расчета напряжений, полученные другими модулями, для выполнения анализа усталостной прочности. Модуль позволяет оценить усталостную долговечность (коэффициент запаса при усталостной эксплуатации) механической конструкции при циклическом нагружении. Далее отмечены некоторые важнейшие особенности модуля FSTAR.
· Расширенная библиотека элементов.
· Процедуры анализа:
правило Минера; АSМЕ-нормы для котлов и сосудов давления; упрощенная упругопластическая формулировка, использующая спецификацию АSМЕ.
· Вычисление коэффициента эксплуатационного запаса в заданных положениях.
· Автоматическое вычисление коэффициента эксплуатационного запаса во всех узлах.
· Упрощенный ввод.
Напряжения берутся из результатов линейного, нелинейного и динамического анализа, а также могут быть непосредственно введены пользователем. Профили напряжений, основывающихся на результатах, полученных из других модулей, могут быть модифицированы пользователем перед выполнением анализа усталостной прочности.
· Параметры явления усталости и соответствующее число циклов.
· Постпроцессорные возможности:
вывод в листинг коэффициентов эксплуатационного запаса; визуализация распределения коэффициентов запаса при усталостной эксплуатации в виде многоцветных и векторных полей, а также в виде изолиний; масштабирование под управлением пользователя.
FLOWSTAR: модуль анализа потоков жидкости
Модуль FLOWSTAR позволяет решать двух- и трехмерные стационарные и нестационарные задачи течения жидкости, в которых также могут быть учтены и тепловые эффекты. Модуль использует метод штрафных функций для решения уравнений Навье-Стокса и уравнения энергии для профилей скорости, давления и температуры. Анализируются как внешние потоки вокруг тел произвольной формы, так и внутренние течения в клапанах и теплообменниках. Далее отмечены некоторые важнейшие особенности модуля FLOWSTAR.
· Ламинарное течение вязкой несжимаемой жидкости с учетом теплопереноса.
· Двух- и трехмерные ламинарные течения.
· Температурно-зависимые свойства жидкости.
· Стационарные и нестационарные потоки.
· Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
· Изотермические и неизотермические потоки.
· Естественная и вынужденная конвекция.
· Наличие источников тепла.
· Граничные условия задаются для следующих величин: скорость; кинетическая энергия; коэффициент диссипации энергии; узловое расстояние от жесткой стенки; плотность; энергия; нулевая нормальная скорость для граничных элементов; температура; давление; тепловые потоки: конвекция.
· Постпроцессорные возможности:
вывод в листинг и визуализация скоростей, давлений, температур, сдвиговых напряжений, функции тока, температурных градиентов, турбулентной кинетической энергии и коэффициентов диссипации энергии; вывод в листинг экстремальных значений всех вышеперечисленных величин; визуализация в виде многоцветных и векторных полей, а также в виде изолиний; масштабирование под управлением пользователя.
ESTAR: модуль электромагнитного анализа
Модуль ESTAR позволяет решать задачи электромагнетизма. Далее отмечены некоторые важнейшие особенности модуля ESTAR.
· Типы анализа:
двумерный, осесимметричный и общий трехмерный магнито-статический анализ с источниками тока и постоянными магнитами; двух- и трехмерный электростатический анализ; двумерный и осесимметричный нестационарный электромагнитный анализ; нелинейный анализ, определяемый кривыми намагничивания (В-Н) и/или кривыми размагничивания магнитов; анализ течения тока в проводниках для вычисления распределениятока и потерь.
· Итерационные методы решения нелинейных задач: обычный метод Ньютона-Рафсона; модифицированный метод Ныотона-Рафсона.
· Граничные условия:
узловые токи; плотность тока на элементе; напряжение и магнитный потенциал; магнитная связь; периодические граничные условия.
· Постпроцессорные возможности:
вывод в листинг и визуализация плотности магнитных потоков, интенсивности магнитного поля, магнитных потенциалов, напряжений, плотности электрического поля и плотности электрического тока; вывод в листинг экстремальных значений всех вышеперечисленных величин; визуализация в виде многоцветных и векторных полей, а также в виде изолиний; масштабирование под управлением пользователя, сохранение электрической энергии для электростатического анализа; магнитная энергия для магнитостатического анализа; крутящий момент для магнитостатического анализа с использованием принципа виртуальной работы.
· Другие свойства:
электротермическая связь для анализа течения тока и задач магнитодинамики; анализ краевых токов; магнитомеханическая связь, когда результирующие магнитные силы могут быть включены в задачи механического анализа.
MODSTAR, PLOTSTAR и GRAPHSTAR
MODSTAR это ранний вариант препроцессора, работающий в текстовом режиме и использующийся для генерации модели и запуска на выполнение различных расчетных модулей. Для реализации графических возможностей при этом используются модули PLOTSTAR и GRAPHSTAR. Эти модули могут быть выполнены непосредственно из среды GEOSTAR.
OPTSTAR: модуль оптимизации конструкции
Модуль OPTSTAR это конечно-элементная программа численной оптимизации конструкций. Задача оптимизации базируется на использованиивесаконструкции или ее механических характеристик в качестве целевой функции, площади поперечного сечения или толщины как конструкторских переменных и, наконец,веса конструкции или ее механических характеристик как ограничений. Численная программа оптимизации с возможностями анализа чувствительности выполняется в соответствии со следующими положениями.
· Возможные целевые функции:
вес модели; перемещения узлов в заданных направлениях; компоненты напряжений на элементе; относительные перемещения между двумя узлами.
· Конструкторские переменные:
площадь поперечного сечения стержня (фермы); ширина и высота балки; толщина плосконапряженной пластины; толщина оболочечного элемента.
· Конструкторские ограничения:
компоненты перемещения в узле; относительные перемещения между двумя узлами; компоненты напряжений на элементе; верхний предел для веса модели; пределы на конструкторские переменные.
· Другие возможности:
нагрузки в виде сосредоточенных сил и давлений; случай многовариантности нагружений; встроенный анализ чувствительности; связывание конструкторских переменных; точная аппроксимация ограничений.
COSMOS/M интерфейсы
В состав системы включены следующие интерфейсные программы:
COSMOS/M DESIGNER. Автономная интерфейсная программа для системы AutoCAD. Она позволяет вызывать на выполнение вычислительные модули программы COSMOS/M прямо из среды AutoCAD через дополнительное меню. (AutoCAD продукция Autodesk, Inc.)
COSMOS/M ENGINEER. Автономная интерфейсная программа для системы Рго/ENGINEER на рабочих станциях. Модули анализа COSMOS/M могут быть вызваны на выполнение прямо из среды COSMOS/M ENGINEER. (РRО/ENGINEER продукция Paremetric Technology Corporation)
COSMOS/M трансляторы
В систему COSMOS/M входят следующие программы-трансляторы форматов файлов:
IGES
IGES - транслятор используется для чтения или записи файлов в формате IGES. Этот транслятор может быть вызван на выполнение либо на уровне операционной системы, либо из среды GEOSTAR.
DXF
DXF - транслятор используется для чтения - или записи файлов в формате DXF. Этот транслятор может быть вызван на выполнение либо на уровне операционной системы, либо из среды GEOSTAR.
ANSYS
Двунаправленный интерфейс для передачи данных между системами ANSYS и COSMOS/M.
NASTRAN
Двунаправленный интерфейс для передачи данных между системами NASTRAN и COSMOS/M.
PATRAN
Двунаправленный интерфейс для передачи данных между системами PATRAN и COSMOS/M.
SINDA
Двунаправленный интерфейс для передачи данных между программой анализа теплопроводности SINDA'87 и SINDA'85 и системой COSMOS/M.
NODSTAR/GEOSTAR
Входной командный файл для NODSTAR может быть сгенерирован в среде GEOSTAR с помощью команды MODINPUT. Входной командный файл для GEOSTAR может быть сгенерирован в среде MODSTAR с помощью команды MOD2GEO.
Выполнимые файлы, требующиеся для анализа
В дополнение к GEOSTAR (386GEO.ЕХЕ) и нескольким файлам-утилитам для выполнения анализа различного типа используются следующие выполняемые файлы (все с расширением ЕХЕ). Файл 386RENUM.ЕХЕ используется для внутренней перенумерации узлов (скрытой от пользователя) для ускорения процесса решения путем минимизации ширины ленты и профиля матрицы жесткости.
| Линейная статика | 386RENUM, 386PRE1, 386STAR, 386STRES |
| Собственные частоты и устойчивость | 386RENUM, 386PRE1, 386STAR, 386STRES, 386DSTAR |
| Теплопроводность | 386RENUM, 386HSTAR |
| Нелинейный анализ | 386RENUM, 386PRE1, 386NSTAR |
| Динамический анализ | 386RENUM, 386PRE1, 386STAR, 386DSTAR, 386ASTAR |
| Динамика разрушений | 386RENUM, 386CSTAR |
| Усталость | 386RENUM, 386PRE1, 386STAR, 386STRES или 386NSTAR |
| Механика жидкости | 386RENUM, 386FLOW |
| Электромагнетизм | 386RENUM, 386ESTAR |