Метод конечных элементов





 

Один из основных методов, используемых в CAE-системах, является МКЭ. Главная сфера использования МКЭ – анализ на прочность и расчет деформаций. Также этот метод быстро завоевал популярность и для решения инженерных задач, связанных с гидро- и аэродинамикой, электроникой, радиоанализом. С его помощью можно решить задачи из таких областей, как механика жидкости, статика, динамика. Сейчас МКЭ является одним из наиболее популярных инструментов исследования характеристик инженерных конструкций, подвергаемых различным нагрузкам.

МКЭ позволяет конструктору решать задачи расчета сложных деталей путем разбиения их на более мелкие части – конечные элементы. После разбивки дальнейшие расчеты проводятся для отдельных конечных элементов, каждый из них вносит свой вклад в характеристику прочности детали. Точки, ограничивающие элемент, называются узлами. Узлы вместе с проходящими через них линиями образуют конечную элементную сетку.

Для двумерных областей наиболее часто используются элементы в форме треугольника и четырехугольника. Для трехмерных областей наиболее применимы элементы в форме тетраэдра и параллелепипеда.

В общем случае МКЭ состоит из следующих этапов.

1. Выделение конечных элементов и их нумерация. Один из наиболее важных этапов МКЭ, так как от качества разбиения во многом зависит точность полученных результатов. Возможность легко изменять размеры элементов позволяет без труда учитывать концентрацию напряжения, температурные градиенты, свойства материалов и т.д. Разбиение области на элементы обычно начинают от ее границы. Затем выполняют разбиение внутренних областей. Часто разбиение области на элементы выполняют в несколько этапов. Сначала область делится на достаточно большие подобласти, границы между которыми проходят там, где изменяются свойства материалов, геометрия, приложенная нагрузка и др. Затем каждая подобласть делится на элементы, причем резкого изменения размеров конечных элементов на границах подобластей стараются избегать.

Порядок нумерации имеет существенное значение, так как влияет на эффективность последовательных вычислений. При нумерации узлов предпочтителен способ, обеспечивающий минимальную разницу между номерами узлов в каждом отдельном элементе. Рациональная нумерация уменьшает необходимый объем памяти почти в три раза.

2. Определение аппроксимирующей функции для каждого элемента (определение функции элемента). Эту процедуру нужно выполнить один раз для типичного элемента области безотносительно к его топологическому положению в ней. Полученная функция используется для всех остальных элементов области того же вида. Элементы с определенными функциями включаются в библиотеку элементов программного комплекса и используются для решения разнообразных краевых задач. В качестве аппроксимирующей функции элементов чаще всего используются полиномы.

3. Объединение конечных элементов в ансамбль. На этом этапе уравнения, относящиеся к отдельным элементам, объединяются в ансамбль, т.е. в систему алгебраических уравнений.

4. Решение полученной системы алгебраических уравнений. Реальная конструкция аппроксимируется множеством конечных элементов. Поэтому появляются системы уравнений с сотнями и тысячами неизвестных. Решение таких систем – главная проблема реализации МКЭ. Методы решений зависят от размеров разрешающей системы уравнений. В связи с большой размерностью матрицы коэффициентов для реализации МКЭ в САПР разработаны специальные способы хранения матрицы жесткости, позволяющей уменьшить необходимый для этого объем памяти. Матрицы жесткости используются в каждом методе прочностного расчета.

 


Структура CAE-систем

 

Основными частями CAE-систем являются библиотеки конечных элементов, препроцессор, решатель и постпроцессор.

Библиотеки конечных элементов (КЭ) содержат модели КЭ, представленные матрицами жесткости. Модели КЭ разнообразны для различных задач (анализ упругих или пластических деформаций, моделирование полей температур, электрических потенциалов и т.п.), форм КЭ (например, двухмерные или трехмерные элементы), наборов координатных функций.

Препроцессор. Исходные данные для препроцессора– геометрическая модель объекта, чаще всего получаемая из подсистемы конструирования. Основная функция препроцессора – представление исследуемой модели в виде множества конечных элементов.

Решатель – программа, которая собирает модели отдельных КЭ в общую систему алгебраических уравнений и решает эту систему одним из методов разреженных матриц.

Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это графическая форма. Пользователь может видеть исходную и деформированную формы детали, поля напряжений, температур, потенциалов в виде цветных изображений, в которых палитра цветов или интенсивность свечения характеризуют значения фазовой переменной.

 

Контрольные вопросы

1. Какие функции имеют CAE-системы?

2. Перечислите наиболее известные CAE-системы.

3. В чем состоит метод конечных элементов?

4. Назовите основные составляющие CAE-систем.


CALS-ТЕХНОЛОГИИ

 
6.1. Основные понятия CALS-технологий

 

CALS (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) –непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта. Это стратегия повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятий за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников жизненного цикла продукта [39, 42, 46].

Цель применения CALS-технологий – повышение эффективности деятельности всех участников создания, производства и пользования продуктом за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.

Предмет CALS –технологии информационной интеграции (совместного использования и обмена информацией об изделии, среде и процессах, выполняемых в ходе жизненного цикла продукта).

Основа CALS-технологий –использование комплекса единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации, обеспечение безопасности информации, юридические вопросы совместного использования информации, использование на различных этапах жизненного цикла (ЖЦ) автоматизированных программных систем (CAD/CAM/CAE, MRP/ERP, PDM и др.), позволяющих производить и обмениваться информацией в формате CALS.

CALS-технологии охватывают все стадии ЖЦ изделия:

- маркетинг и изучение рынка;

- проектирование и разработка продукции;

- планирование и разработка процессов;

- закупки;

- производство;

- упаковка и хранение;

- реализация;

- установка и ввод в эксплуатацию;

- техническая помощь в обслуживании;

- эксплуатация и потребление;

- утилизация.

Задачи, решаемые при помощи CALS-технологий:

1. Моделирование ЖЦ продукта и выполняемых бизнес-процессов. Цель бизнес-анализа – выявить существующее взаимодействие между составными частями системы и оценить его рациональность и эффективность. Для этого с использованием CALS-технологий разрабатываются функциональные модели, содержащие детальное описание выполняемых процессов в их взаимосвязи. Формат описания регламентирован CALS-стандартами IDEF и ISO 10303 AP208. Полученная функциональная модель не только является детальным описанием выполняемых процессов, но также позволяет решать целый ряд задач, связанных с оптимизацией, оценкой и распределением затрат, оценкой функциональной производительности, загрузки и сбалансированности составных частей.

2. Проектирование и производство изделия. Совместное, кооперативное проектирование и производство изделия может быть эффективным в случае, если оно базируется на основе единой информационной модели изделия (электронной модели изделия). Разрабатываемая на данной фазе конструкторско-технологическая информационная модель базируется на использовании стандарта ISO 10303 (STEP). Созданная однажды модель изделия используется многократно. В нее вносятся дополнения и изменения, она служит отправной точкой при модернизации изделия. Модель изделия в соответствии с этим стандартом включает: геометрические данные, информацию о конфигурации изделия, данные об изменениях, согласованиях и утверждениях.

3. Эксплуатация изделия. Объемы разрабатываемой документации для сложного наукоемкого изделия очень велики. Решение проблемы заключается в переводе эксплуатационной документации на изделие, поставляемой потребителю, в электронный вид. При этом комплект электронной эксплуатационной документации - интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР), электронные справочники следует рассматривать как составную часть интегрированной информационной модели изделия.

Примеры применения CALS-технологий. С помощью CALS-технологий были созданы истребитель F-22 (США), подводная лодка Viking (Дания, Норвегия, Швеция), самоходная гаубица Crusader (США). В России CALS-технологии впервые стали внедряться на таких предприятиях, как АВПК «Сухой», ОАО «Туполев», Конструкторское бюро приборостроения (Тула), Воронежский механический завод. Эти проекты поддерживаются Минпромнауки РФ, Минатомом РФ.

История развития CALS-технологий.Впервые концепция CALS возникла в середине 70-х годов в оборонном комплексе США в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие в процессах заказа, поставок и эксплуатации средств вооружения и военной техники.

Впоследствии CALS-технологии, доказав свою эффективность, перестали быть прерогативой военного ведомства и начали активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта.

В 1987 году по инициативе 1100 ведущих представителей промышленности США был создан Американский Про­мышленный Управляющий Комитет в области CALS для координации рабо­ты различных организаций США.

Работы по внедрению CALS-технологий велись в 2 этапа. На первом этапе (конец 80-х годов) основное внимание уделялось представлению в электронном виде технической документации. На этом же этапе была определена технология представления технической и конструкторско-технологической документации в электронном формате. На втором этапе (начало 90-х годов), в рамках всемирного консорциума 25 ве­дущих технических организаций США, было достигнуто согла­шение об использова­нии нового «нейтрального» стандарта описания данных ISO 10303 (STEP - Standart for the Exchange of Product Model Data). Сразу же после разработки стандарта STEP была начата разработка стандартов ISO 13584 (PLIB), ISO 15531 (MANDATЕ), предназначенных для описания и представления информации о компонентах и комплектующих изделия, производственно-эксплуатационной среды и обмена данными, которые имеют общую со STEP структуру и технологию построения. Эти стандарты заложили основу CALS-технологий.

Аналогичные проекты в области CALS были созданы в Великобритании, Канаде, Германии, Швеции, Норвегии, Австралии, Японии, Сингапуре, Малайзии, Индонезии, Таиланде, Китае.

В России, начиная с середины 90-х годов, на CALS начинают обращать свое внимание специа­листы различных отраслей промышленности. Создан Межведомственный Промышленный Со­вет по вопросам CALS при Миноборонпроме РФ. Для организации и осуществления работ по стандартизации в области CALS-технологий (в соответствии с решением коллегии министерства экономики России) в рамках Госстандарта России в 1999 году создан Технический Комитет № 431 «CALS - технологии». В рамках ТК № 431 действует подкомитет № 2 «Представление данных и обмен данными об изделиях и процессах», организованный на базе НИЦ CALS – технологий «Прикладная логистика» и объединяющий специалистов ведущих отечественных предприятий. Работы по подготовке нормативных документов ведутся в соответствии с «Программой стандартизации в области CALS-технологий в 2000 – 2003 г.г.», утвержденной Госстандартом России и рядом заинтересованных министерств и ведомств.

В настоящее время CALS-технологии в России рассматриваются как средство интеграции в мировую экономику и важный инструмент реструктуризации оборонной промышленности, судостроения, авиастроения и других отраслей. CALS-технологии должны развивать внутреннюю и международную промышленную кооперацию, повышать привлекательность и конкурентоспособность промышленных изделий, обеспечивать качество продукции и ускорять взаиморасчеты поставщиков и потребителей.

 





Читайте также:
Роль химии в жизни человека: Химия как компонент культуры наполняет содержанием ряд фундаментальных представлений о...
Зачем изучать экономику?: Большинство людей работают, чтобы заработать себе на жизнь...
Основные понятия ботаника 5-6 класс: Экологические факторы делятся на 3 группы...
Конфликтные ситуации в медицинской практике: Наиболее ярким примером конфликта врача и пациента является...

Рекомендуемые страницы:


Поиск по сайту

©2015-2020 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Обратная связь
0.022 с.