Категории задач, для решения которых чаще всего применяются САЕ (computer aided engineering) системы. Архитектура и принцип работы стандартного САЕ-пакета, основные примеры систем: Salome, ANSYS (Swanson Analysis Systems) и MSC.Nastran, их характеристики.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Появление и последующее развитие технологий высокопроизводительных вычислений было вызвано необходимостью выполнения математических расчетов для различных исследований. Несмотря на то, что методы и алгоритмы этих расчетов не отличаются особой сложностью, объем самих вычислений настолько значителен, что небольшой группе исследователей практически невозможно выполнить их в приемлемые сроки и с должным качеством.

Первые инженерные пакеты были созданы в конце 60-х, начале 70-х годов именно для автоматизации рутинных вычислений. В англоязычной литературе такие пакеты обозначаются аббревиатурой CAE (computer aided engineering), а в России это понятие входит в состав САПР (системы автоматизированного проектирования). Задачи, для решения которых чаще всего применяются CAE-системы, можно разделить на следующие категории:

· прочностные расчеты различных деталей и узлов (расчет упругопластических деформаций и напряжений);

· гидродинамические расчеты (расчет характеристик различных одно- и многофазных течений, а также их эволюция во времени);

· термодинамические расчеты (расчет нагрева и остывания деталей и узлов);

· расчет электрических, магнитных и электромагнитных полей;

· различные комбинации предыдущих типов задач.

архитектура система принцип работа

1. Архитектура и принцип работы стандартного CAE-пакета

В основе большинства CAE-пакетов лежит метод конечных элементов. Идея этого метода заключается в замене непрерывной функции, описывающей изучаемое явление или процесс, дискретной моделью, которая строится на базе множества кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Каждая такая подобласть конечна и представляет собой часть (элемент) всей области, поэтому их называют конечными элементами . Исследуемая геометрическая область разбивается на элементы таким образом, чтобы на каждом из них неизвестная функция аппроксимировалась пробной функцией. Такое разбиение называется расчетной сеткой .

В качестве примера можно рассмотреть стальной цилиндрический прут, один конец которого помещен в огонь. Фрагмент прута, подверженный действию пламени, активно нагревается. То есть, на его цилиндрической поверхности действует источник тепла. Остальная часть прута нагревается только за счет явления теплопроводности - переноса тепла от горячих участков к более холодным. В самом грубом случае можно разделить прут на две части: с источником тепла на цилиндрической поверхности и с источником тепла в сечении цилиндра, параллельном основанию. Таким образом, одна комплексная (сложная) задача разбивается на две более простые.

Однако, получившиеся задачи всё равно слишком сложны для решения в общем виде, так как их решения представляют собой сложные экспоненциальные зависимости от координат и времени. Для упрощения можно разделить прут на более мелкие фрагменты (элементы), причем в элементах рядом с поверхностью задать выделение тепла во всем их объеме, а не только на границе (при выполнении определенных условий это оправдано), а в остальных элементах, ввиду их малости, искать приближенное решение в виде более простой зависимости (линейной или квадратичной). В этом случае сложная система дифференциальных уравнений для элемента сводится к более простой системе алгебраических уравнений. При таком подходе найти решение для каждой отдельной задачи будет намного проще.

Сложность подобного подхода заключается в необходимости решения большого количества таких упрощенных задач. В современных задачах используются сетки с десятками и сотнями миллионов элементов. Поэтому инженерные пакеты создаются с использованием технологий параллельного программирования, чтобы обеспечить необходимую вычислительную мощность.

Создание хорошей расчетной сетки также представляет собой нетривиальную задачу. Это связано с тем, что реальные детали машин имеют сложную геометрию и необходимо разделить их на такие элементы, чтобы приближенные решения не сильно отличались от точных. Поэтому, кроме самих CAE-пакетов, существует большое число приложений, выполняющих всего одну важную функцию: построение расчетной сетки. В англоязычной литературе подобные приложения называются mesher .

Модуль, отвечающий за решение системы уравнений, соответствующей сформированной сетке, называется решателем (в англоязычной литературе: solver ). Он получает все исходные данные и обрабатывает их на основе реализованных в нем методов.

В настоящее время компьютерное моделирование при помощи CAE-систем составляет значительную долю работы в любом серьезном научном или инженерном проекте. На рынке CAE-систем присутствуют известные коммерческие решения, например, ANSYS, Deform, Simulia (ранее Abaqus) и другие. Стоимость лицензий этих продуктов исчисляется сотнями тысяч и миллионами рублей, однако существуют и CAE-системы, относящиеся к свободному ПО.

Среди свободных CAE-пакетов наиболее известны: Salome, OpenFoam, Elmer. В качестве основных минусов этих пакетов можно отметить непроработанный интерфейс и отсутствие документации, особенно на русском языке. Впрочем, возможность их использования на любом количестве процессоров без каких-либо финансовых затрат на приобретение делает cвободные CAE-системы весьма привлекательными для использования в небольших компаниях и учебных заведениях.

2. Примеры CAE -систем

Salome

Большинство CAE-пакетов представляют собой законченные программные комплексы, содержащие в себе все, что необходимо для выполнения конечно-элементного моделирования. Salome - это платформа, предоставляющая функции предварительной и окончательной обработки задачи (pre-processing и post-processing ), т.е. есть определения геометрии, построения сеток, определение «траектории» вычислений, визуализацию результатов и т.д. В ней отсутствуют самые важные компоненты - решатели, но платформа Salome может расширяться за счет сторонних свободных или коммерческих модулей.

Основное предназначение платформы Salome - это создать некую унифицированную среду, после изучения которой пользователь сможет выполнять обработку исходных и полученных данных в привычной оболочке, вне зависимости от используемого решателя. Существует возможность подключить к данной оболочке решатели ANSYS и других коммерческих пакетов с помощью написания специальных модулей или управляющих сценариев, которые можно писать на языках Python или C++.

Внутренним языком платформы является Python, причем в самой платформе имеется встроенная консоль Python, которая может использоваться для выполнения пользовательских сценариев и автоматизации обработки множества типовых задач (пакетной обработки).

A NSYS

Конечноэлементный пакет. Фирма ANSYS,Inc. в течение 35 лет является одним из лидерhttp://www.ansys.ru/ов САЕ-рынка, разрабатывает и предлагает широкую линейку программных продуктов для автоматизированного инженерного анализа. Основанная г-ном Джоном Свонсоном, первоначально фирма называлась Swanson Analysis Systems, и предалагала только универсальный конечно-элементный комплекс ANSYS. Позднее программа дала имя и самой фирме. На сегодняшний день фирма является лидером рынка расчётных систем как по объёму продаж, так и по количеству используемых по всему миру рабочих мест её програмного обеспечения, и широте линейки и применимости программных продуктов: ANSYS, AutoDYN, CFX, Fluent, ICEM, Maxwell. Это лишь краткий список.

Линейка продуктов ANSYS широка и обеспечивает все нужды расчётчика на всех этапах его работы, начиная с построения или модификации геометрической и сеточной модели, далее переходя к эффективному решению задачи, и заканчивая обработкой, представлением и документированием результатов. ANSYS решает является инструментом для решения задач прочности, теплофизики, электромагнетизма.

MSC.Nastran

Общая характеристика . Главный продукт компании MSC.Software - MSC.Nastran - это лучшая на рынке конечно-элементная программная система. В сфере, где ненадежные результаты могут обернуться миллионами долларов дополнительных расходов на разработку, MSC.Nastran вот уже более 30 лет доказывает свою точность и эффективность. Постоянно развиваясь, он аккумулирует в себе достоинства новейших методик и алгоритмов и поэтому остается ведущей программой конечно-элементного анализа.

MSC.Nastran обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно - деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие. Расширенные функции включают технологию суперэлементов (подконструкций), модальный синтез и макроязык DMAP для создания пользовательских приложений.

Наряду с расчетом конструкций MSC.Nastran может использоваться и для оптимизации проектов. Оптимизацию можно проводить для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических переходных процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. И все это делается одновременно путем вариации параметров формы, размеров и свойств проекта. Благодаря своей эффективности алгоритмы оптимизации обрабатывают неограниченное число проектных параметров и ограничений. Вес, напряжения, перемещения, собственные частоты и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (этом случае их можно минимизировать или максимизировать), либо в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения.

Широкие возможности функции оптимизации MSC.Nastran позволяют использовать его для автоматической идентификации компьютерной расчетной модели и эксперимента. Целевая функция определяется в виде минимизации рассогласования результатов расчета и эксперимента, варьируемыми параметрами выбираются наименее достоверные расчетные параметры конструкции. Как результат оптимизации MSC.Nastran выдает новую компьютерную модель, полностью соответствующую экспериментальной модели. MSC.Nastran - единственная из конечно-элементных программ, способная делать это автоматически.

MSC.Nastran также включает уникальную функцию оптимизации конструкции с неограниченными изменениями ее геометрической формы (изменение геометрической топологии объекта) при минимизации веса и удовлетворении граничным условиям по прочности. Данная функция позволяет использовать MSC.Nastran для автоматического проектирования силовых схем конструкций, когда на основе объемной массивной заготовки MSC.Nastran автоматически создает ажурную оптимальную конструкцию, максимально удовлетворяющую заданным условиям.

Применяется MSC.Nastran также и для планирования экспериментов (определения мест расположения датчиков) и оценки полноты полученных экспериментальных данных.

С помощью MSC.Nastran решаются также задачи моделирования систем управления, систем терморегулирования с учетом их воздействия на конструкцию.

На основе возможностей автоматического рестарта в MSC.Nastran проводятся сложные многошаговые исследования работы конструкции как при изменении условий нагружения, граничных условий и любых других параметров конструкции, так и при переходе от одного вида анализа к другому.

Основу MSC.Nastran составляют отработанная технология элементов и надежные численные методы. Программа позволяет одновременно применять в одной и той же модели h- и p-элементы для достижения точности расчета при минимальных компьютерных ресурсах. Элементы супер высокого порядка аппроксимации - p-элементы - хорошо отражают криволинейную геометрию конструкции и обеспечивают высокую точность при детальном расчете напряжений. Эти элементы автоматически адаптируются к желаемому уровню точности. Численные методы разреженных матриц, используемые при любом типе расчетов, резко повышают скорость вычислений и минимизируют объем требуемой дисковой памяти, что повышает эффективность обработки данных.

Тесная связь MSC.Nastran с MSC.Patran обеспечивает полностью интегрированную среду для моделирования и анализа результатов. Все ведущие производители пре - и постпроцессоров, а также систем автоматизированного проектирования, учитывая неоспоримое лидерство MSC.Nastran на рынке конечно-элементных программных продуктов, предусматривают прямые интерфейсы с этой системой. В результате MSC.Nastran гибко интегрируется в любую имеющуюся у Вас среду проектирования.

MSC.Nastran работает на персональных компьютерах, рабочих станциях и суперкомпьютерах, предусматривает возможности векторной и параллельной обработки данных на ЭВМ, которые поддерживают эти функции.

MSC.Nastran - это:

Эффективность решения больших задач за счет:

· Применения алгоритма обработки "разреженных" матриц

· Автоматической внутренней перенумерации матриц для уменьшения ширины ленты

· Возможности применения "рестарта" с целью использования уже полученных к этому моменту результатов

· Применения алгоритмов параллельных и векторных вычислений

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Внедрение технологии Computer-to-Plate. Образование печатных элементов на формных пластинах с помощью засветки пластин лазерным лучом и химической обработки. Формовыводные устройства для лазерной записи офсетных печатных форм, их характеристики.

реферат , добавлен 21.01.2010


Для решения задач теплопроводности применяют аналитические методы и численный метод. Чаще применяются: метод Фурье, метод источников и операторный метод. Уравнение процесса, удовлетворяющее дифференциальному уравнению теплопроводности и краевым условиям.

учебное пособие , добавлен 05.02.2009


Инженерные сети и системы. Структура систем автоматического управления. Структура систем телемеханики, основные функции и задачи. Принцип работы висцинового фильтра, регулятора высокого давления прямого действия. Одоризационная установка капельного типа.

курсовая работа , добавлен 17.10.2013


Технические характеристики и показатели оформления издания. Основные понятия о плоской офсетной печати. Разновидности ее форм. Классификация формных пластин для технологии Computer-to-Plate. Выбор оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

курсовая работа , добавлен 21.11.2014


Основные характеристики ротора компрессора К398-21-1Л. Определение собственных частот и форм колебаний. Модальный анализ блочным методом Ланцоша. Статический расчет рабочих колес. Возможности решения контактных задач в программном комплексе ANSYS.

курсовая работа , добавлен 20.06.2014


Назначение системы водяного охлаждения. Упаковка и комплектация продукции компании. Внутренняя структура ватерблока. История развития радиаторных систем. Основные характеристики устройства, принцип работы, тестирование. Техническое обслуживание систем.

курсовая работа , добавлен 13.02.2012


Основные понятия и определения алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) как комплексной программы алгоритмического типа, основанной на законах развития технических систем. Классификация противоречий, логика и структура АРИЗ. Пример решения задачи.

реферат , добавлен 16.06.2013


Основные виды экономической деятельности, в которых применяются информационные технологии. Особенности технологий мобильного предпринимательства. Роль и место автоматизированных информационных систем в экономике. Информационная модель предприятия.

контрольная работа , добавлен 19.03.2008


Системы вытяжной вентиляции с естественным побуждением. Неисправности вентиляционных систем. Схема выпуска канализации из здания. Схема насосной системы отопления, принципы ее работы и причины присоединения расширительного сосуда с обработкой магистрали.

контрольная работа , добавлен 10.10.2014


Особливість виготовлення флексографських друкованих форм за технологією Computer to Plate. Аналіз схеми прямого лазерного гравірування. Технологія одержання флексографської друкованої форми при використанні прямого запису зображення на формний матеріал.

САЕ-системы

САЕ-системы - это общий термин для обозначения информационного обеспечения автоматизированного анализа проекта, имеющего целью обнаружение ошибок (прочностные расчеты, коллизии кинематики и т.п.) или оптимизацию характеристик изделия.

Системы расчета и инженерного анализа (САЕ) являются наиболее верным средством обоснования принятия инженерных (конструкторских и технологических) решений и охватывают широкий спектр задач: расчеты будущего изделия на прочность (устойчивость, резонансные колебания, тепловой анализ), решение задач, связанных с течением жидкостей и газов.

Системы компьютерного инженерного анализа позволяют оценить работоспособность принятых решений и оптимизировать разрабатываемую конструкцию (сократить стоимость и сроки изготовления). В последние годы наметилась тенденция более узкой специализации фирм-разработчиков программных средств анализа. Мировыми лидерами в области разработки, поставки и сопровождения программных систем инженерного анализа машиностроительных изделий являются MSC, Software Corporation, SAMTECH, ANSYS и некоторые другие.

Критерии сравнения САЕ-систем:

Используемый математический метод представления геометрии;

Наличие встроенного генератора сетки;

Функциональные возможности;

Возможность импорта данных из различных CAD-систем.

Для проведения какого-либо вида анализа, вначале, в CAD - системе на основе точной геометрической модели создается расчетная (упрощенная) модель путем удаления тех конструктивных элементов, которые не оказывают существенного влияния на результаты анализа. Расчетная модель передается в пакет анализа при помощи стандартных интерфейсов. Отдельные пакеты анализа имеют внутренние средства построения геометрической модели, с помощью которых может быть решена задача моделирования простых форм.

Примеры пакетов, перечень основных задач, решаемых с их помощью, и фирм, выполнивших разработку приведены ниже:

Euler - динамический анализ многокомпонентных механических систем (Автомеханика);

ИСПА - расчет и анализ на прочность (АЛЕКСОФТ);

ПОЛИГОН - конечно-элементная система для моделирования литейных процессов: гидродинамические, тепловые и усадочные процессы в 3D - постановка (ЦНИИ материалов);

Риман - расчет и анализ напряженно-деформированного состояния конструкций, решение упругих и пластических задач, том числе штамповки и ударных напряжений (ПроГруппа);

АРМ WinMachine - комплекс программ для проектирования и расчетов деталей машин, анализа напряженно-деформированного состояния конструкций и их элементов методом конечных элементов (НТЦ АПМ);

Диана - анализ конструкций и их элементов (НИЦ АСК);

GasDinamics Tool - моделирование газодинамических процессов (Тульский гос.университет).

Отдельную группу программного обеспечения инженерного анализа составляют пакеты, предназначенные для анализа динамических процессов. К этой группе относятся ADAMS, МВТУ, ПА-9 и др.

Пакет ADAMS (Mechanical Dynamics, Inc.) может использоваться для динамического и кинематического анализа сложных механических схем механизмов, статического и модального анализа. При помощи этого пакета могут решаться задачи, например, стыковки космического аппарата, динамики полета и посадки и т.п. Двусторонняя связь с конечно-элементными пакетами (ANSYS, MSC.NASTRAN, ABAQUS, I-DEAS) позволяет встраивать неограниченное число конечно-элементных моделей в механизм для учета влияния деформируемости на поведение системы. В ADAMS обеспечен обмен информацией с CAD-системами и пакетами математических методов (MATLAB, MATRIX, EASY5).

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные этапы ЖЦ радиоэлектронных изделий. Какие подсистемы обеспечивают реализацию каждого из этапов?

2. В чем заключаются технологии сквозного, нисходящего и параллельного проектирования?

3. Какие модули содержит CAD-система конструкторского проектирования. Каковы ее основные функции?

4. Какие задачи решает CAM-система технологической подготовки производства?

5. На каком этапе ЖЦ РЭС применяются системы инженерного анализа (САЕ-системы)? Каков круг задач этих систем?

6. Какие из современных систем поддержки процесса проектирования РЭС Вам знакомы? Охарактеризуйте их.

CAD-системы (computer-aided design- компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования- САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.) Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий. CAD-системы широко применяются в архитектуре, дизайне мебели и интерьера (системы ARC+ и Deco Design (Франция)), веб-дизайне.

CAМ-системы (computer-aided manufacturing- компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и д.р.) CAМ-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAМ-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

CAE-системы (computer-aided engineering- поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAE-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

PDM-технология (Product Data Management) предназначена для управления всеми данными об изделии и информационными процессами ЖЦ изделия, создающими и использующими эти данные. Управление информационными процессами ЖЦ представляет собой поддержку различных процедур, создающих и использующих данные об изделии (процедуры изменения изделия), т.е. фактически поддержку электронного документооборота (конструкторского документооборота). Для реализации PDM-технологии существуют специализированные программные средства, называемые PDM-системами (т.е. системами управления данными об изделии; другое название - системы управления проектами).

CAD/CAМ/CAE/PDM системы используются в машиностроении. Комплексная автоматизация проектно-конструкторских и технологических подразделений конструкторских бюро и промышленных предприятий машиностроения на базе современных компьютерных технологий.

CASE-технология (computer-aided software engineering) технология создания и сопровождения информационных систем. Термин CASE сегодня понимается достаточно широко. Первоначальное значение термина, ограниченное вопросами автоматизации разработки программного обеспечения (ПО), в настоящее время приобрело новый смысл

3.1. Aвтоматизированное проектирование (computer – aided design – CAD)

Представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение, используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических прогpaмм для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т.п.), поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах. Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

3.2. Автоматизированное производство (computer – aided manufacturing – САМ)

CAM – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для планирования, управления и контроля операций производства через прямой или косвенный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое программное управление (ЧПУ, numerical control – NC). ЧПУ заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать, резать, фрезеровать, штамповать, изгибать и иными способами превращать заготовки в готовые детали. В наше время компьютеры способны генерировать большие программы для станков с ЧПУ на основании геометрических параметров изделий из базы данных САD и дополнительных сведений, предоставляемых оператором. Исследования в этой области концентрируются на сокращении необходимости вмешательства оператора.

Еще одна важная функция систем автоматизированного производства – программирование роботов, которые могут работать на гибких автоматизированных участках, выбирая и устанавливая инструменты и обрабатываемые детали на станках с ЧПУ. Роботы могут также выполнять свои собственные задачи, например, заниматься сваркой, сборкой и переносом оборудования и деталей по цеху.

Планирование процессов также постепенно автоматизируется. План процессов может определять последовательность операций по изготовлению устройства от начала и до конца на всем необходимом оборудовании. Хотя полностью автоматизированное планирование процессов, как уже отмечалось, практически невозможно, план обработки конкретной детали вполне может быть сформирован автоматически, если уже имеются планы обработки аналогичных деталей. Для этого была разработана технология группировки, позволяющая объединять поxoжие детали в семейства. Детали считаются подобными, если они имеют общие производственные особенности (гнезда, пазы, фаски, отверстия и т.д.). Для автоматического обнаружения схожести деталей необходимо, чтобы база данных CAD содержала сведения о таких особенностях. Эта задача осуществляется при помощи объектно-ориентированного моделирования или распознавания элементов.

Вдобавок, компьютер может использоваться для тoгo, чтобы выявлять необходимость заказа исходных материалов и покупных деталей, а также определять их количество исходя из графика производства. Называется такая деятельность планированием технических требований к материалу (material requirements planning – MRP). Компьютер может также использоваться для контроля состояния станков в цехе и отправки им соответствующих заданий.

3.3. Автоматическое конструирование (computer – aided engineering – САЕ)

CAE– это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для анализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенствования и оптимизации eгo конструкции. Средства САЕ могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических pacчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Прогpаммы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко в конструировании используется метод конечных элементов (finite element method – FЕМ). С eгo помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля, потоки жидкостей и другие задачи с непрерывными средами, решать которые каким-либо иным методом оказывается просто непрактично. В методе конечных элементов аналитическая модель структуры представляет собой соединение элементов, благодаря чему она разбивается на отдельные части, которые уже могут обрабатываться компьютером.

Как отмечалось ранее, для использования метода конечных элементов нужна абстрактная модель подходящего уровня, а не сама конструкция. Абстрактная модель отличается от конструкции тем, что она формируется путем исключения несущественных деталей и редуцирования размерностей. Например, трёхмерный объект небольшой толщины может быть представлен в виде двумерной оболочки. Модель создается либо в интерактивном режиме, либо автоматически. Готовая абстрактная модель разбивается на конечные элементы, образующие аналитическую модель. Программные средства, позволяющие конструировать абстрактную модель и разбивать ее на конечные элементы, называются пpeпpoцессорами (preprocessors). Проанализировав каждый элемент, компьютер собирает результаты воедино и представляет их в визуальном формате. Например, области с высоким напряжением могут быть выделены красным цветом. Программные средства, обеспечивающие визуализацию, называются пocтпpoцeccoрами (postprocessors). Существует множество программных средств для оптимизации конструкций.

Хотя средства оптимизации могут быть отнесены к классу САЕ, обычно их рассматривают отдельно. Ведутся исследования возможности автоматического определения формы конструкции путем объединения оптимизации и анализа.

В этих подходах исходная форма конструкции предполагается простой, как, например, у прямоугольного двумерного объекта, состоящего из небольших элементов различной плотности. Затем выполняется процедура оптимизации, позволяющая определить конкретные значения плотности, позволяющие достичь определенной цели с учетом ограничений на напряжения. Целью часто является минимизация веса. После определения оптимальных значений плотности рассчитывается оптимальная форма объекта. Она получается отбрасыванием элементов с низкими значениями плотности.

Замечательное достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания и тестирования реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизация и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам САЕ) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

Таким образом, технологии CAD, САМ и САЕ заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясь независимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал интеграции проектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризированного интегрированного производства (computer – integrated manufacturing – СIМ). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе и превратить их в бесперебойно и эффективно работающую систему. CIM подразумевает использование компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предприятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, а не только проектированием и производством, которые охватывались системами CAD, САМ и САЕ. CIM часто называют философией бизнеса, а не компьютерной системой.

4. Обзор программного обеспечения CAE
(Computer Aided Engineering)

По прогнозу аналитиков в ближайшие годы количество пользователей компьютерных систем инженерного анализа (Computer-Aided Engineering, CAE) вырастет вдвое. CAE-программы являются частью средств управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM). Уже сейчас около 25% инвестиций в PLM приходится на долю CAE, и эта часть будет увеличиваться, так как по темпу годового роста сегмент инженерного анализа опережает рынок PLM в целом.

Главные причины бума в области CAE - быстрый рост вычислительной мощности компьютеров и признание роли компьютерного моделирования для повышения качества продукции, ускорения выпуска новых изделий и снижения затрат на разработку. В течение длительного времени предприятия скептически относились к системам CAE, считая результаты традиционных методик расчета более точными. Тем не менее, растёт число проектов, обязанных своим успехом применению CAE, а у производственников расширяется опыт работы с новыми технологиями. Кроме того, CAE-продукты становятся удобнее в эксплуатации. Огромное значение имеет и то, что совершенствование аналитического ПО сопровождается снижением стоимости и повышением доступности высокопроизводительных компьютеров, так как инженерные расчёты требуют большой вычислительной мощности. Раньше для них были нужны мощные серверы и специализированные рабочие станции, а теперь достаточно настольных ПК. Более того, те расчёты, которые прежде требовали нескольких дней или недель, теперь выполняются за пару часов.

По мнению аналитиков, рынок CAE может расти быстрее, чем на 10% в год. Дело в том, что возможности этой технологии выходят за рамки простого повышения производительности труда конструкторов. Она позволяет ускорить выпуск продукции в продажу, снизить затраты на гарантийное обслуживание и, что самое главное, производить изделия лучшего качества, которые реже ломаются и более безопасны. Самые передовые предприятия уже сейчас считают внедрение CAE задачей номер один. Однако подавляющее большинство западных производственников не торопятся с переходом на эту технологию.

Почему? Любое нововведение вызывает перемены в привычном стиле работы, связано с неизбежным риском и заставляет решать множество вопросов. Основные вопросы:

1. Как узнать, что сотрудники правильно интерпретируют результаты моделирования?

2. Способно ли виртуальное моделирование заменить стендовые испытания?

3. Хватит ли у сотрудников опыта и образования, чтобы использовать CAE?

4. Захотят ли сотрудники выполнять новую работу?

Все эти вопросы, безусловно, правильные. Однако некоторые предприятия уже нашли ответ на них, успешно внедрив технологию CAE и выпустив с её помощью удачные изделия.

Чтобы оценить перспективы CAE, вспомним, какие технологии вызывали в прошлом аналогичные революционные перемены. Например, 35 лет назад Национальный научный фонд США назвал появление систем автоматизированного проектирования (Computer – Aided Design, CAD) самым выдающимся событием с точки зрения повышения производительности труда со времён изобретения электричества. Тогда наиболее прозорливые руководители, поверившие в огромный потенциал CAD, буквально «пробивали» внедрение новой технологии на своих предприятиях, преодолевая сопротивление сотрудников, которое объясняется тем, что людям, совершенно не знакомым с компьютером, приходилось коренным образом менять привычные способы работы и оставлять без применения почти весь накопленный опыт. Тем не менее, их удалось убедить в преимуществах новой технологии и уговорить пройти длительную переподготовку. Можно быть уверенными, что смена отношения к САЕ-системам также не за горами.

Аналогичный путь уже прошла индустрия электронного проектирования. Сначала CAD-системы применялись лишь для трассировки печатных плат. Однако по мере развития технологии автоматизации проектирования базовые CAD отошли на второй план, а первое место заняли продукты, которые помимо физической трассировки выполняли моделирование и анализ. В результате, сейчас в электронном проектировании первую скрипку играет CAE, а CAD-системы, тесно интегрированные с CAE, занимают важное, но менее заметное положение. Именно так же будут развиваться события в сфере машиностроительного проектирования.

CAE (англ. Computer-aided engineering) - общее название для программ или программных пакетов, предназначенных для инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (см.: метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.).
Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).
CAE-системы - это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

В русском языке есть термин САПР, который подразумевает CAD/CAM/CAE


Наиболее распространённые CAE-системы:
-T-FLEX Анализ - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-APM WinMachine - отечественная универсальная система для проектирования и расчета в области машиностроения, включающая КЭ анализ с встроенным пре-/постпроцессором;
-APM Civil Engineering - отечественная универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором для проектирования и расчета металлических, железобетонных, армокаменных и деревянных конструкций;
-ANSYS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-MSC.Nastran - универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором MSC.Patran;
-ABAQUS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-NEiNastran - универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором;
-NX Nastran - универсальная система МКЭ анализа;
-SAMCEF - универсальная система КЭ анализа с пре-постпроцессором SAMCEF Field.
-OpenFOAM - свободно-распространяемая универсальная система КО пространственного моделирования механики сплошных сред;
-SALOME - платформа для проведения расчётов МСС (подготовка данных - мониторинг расчёта - визуализация и анализ результатов);
-CAElinux - дистрибутив операционной системы Линукс, включающий в себя ряд свободных САЕ-программ, в том числе OpenFOAM и SALOME.
-STAR-CD - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
-STAR-CCM+ - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
-ADAMS - система моделирования и расчёта многотельной динамики;
-Универсальный механизм (UM) - программный комплекс предназначен для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических систем;
-EULER (Эйлер) - программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем;
-ФРУНД - комплекс моделирования динамики систем твёрдых и упругих тел;
-Femap - независимый от САПР пре- и постпроцессор для проведения инженерного анализа методом конечных элементов;
-QForm 2D/3D - специализированный программный комплекс для моделирования и оптимизации технологических процессов объёмной штамповки;
-MBDyn - система комплексного анализа и расчётов нелинейной динамики твёрдых и упругих тел, физических систем, "умных" материалов, электрических сетей, активного управления, гидравлических сетей, аэродинамики самолётов и вертолётов. Распространяется на условиях лицензии GNU GPL 2.1.;
-SimulationX - программный комплекс для моделирования и анализа динамики и кинематики автомобилей, индустриального оборудования, электро-, пневмо- и гидроприводов, ДВС, гибридных двигателей и т. д.
История развития
Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет. Первый этап начался в 1970-е годы. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (1980-е) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE-системы массового применения. Третий этап развития рынка (с 1990-х годов до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE-систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность).
На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах, присоединённых к мейнфреймам производства компаний IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ DEC PDP-11 и Data General Nova. Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мейнфреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE-систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, так как микропроцессоры были ещё весьма несовершенными. По данным Dataquest, в начале 1980-х стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до 90 000 долл.
Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоёв микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 1980-х годов был осуществлён постепенный перевод CAD-систем с мейнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 1980-х годов стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до 20 000 долл.
Следует сказать, что в начале 1980-х годов произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК:
часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;
другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК её производства работали под управлением ОС Unix от ATT, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).
Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS-DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоёмкие приложения.
К середине 1980-х годов возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD-систем.
С середины 1990-х годов развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 1990-х годов, и их позиции все ещё сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас Windows NT и Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 года рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объёмам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, 6000 долл. у Pro/Engineer).