MSC Nastran Desktop

Современный мультидисциплинарный расчётный комплекс для предприятий малого и среднего бизнеса

Один из основных продуктов корпорации MSC Software - MSC Nastran - является лучшим на рынке конечно-элементным программным пакетом, который используется ведущими компаниями-разработчиками технически сложных изделий во всём мире. Более сорока лет MSC Nastran демонстрирует свою точность и эффективность, позволяя компаниям-пользователям сберечь миллионы долларов, Евро, рублей в сфере разработки и доводки высокотехнологичной продукции.

Программный пакет MSC Nastran постоянно развивается, аккумулируя в себе достоинства новейших технологий, методов, алгоритмов и поэтому остаётся ведущей системой конечно-элементного анализа в мире. В 2006 году компания MSC взяла курс на интенсивное расширение возможностей MSC Nastran и превращение его в программный комплекс, объединяющий лучшие в своем классе системы компьютерного инженерного анализа: MSC Nastran, Marc, LS-DYNA, Actran, Sinda в одну полностью интегрированную программную систему для проведения многодисциплинарного моделирования на предприятиях различного масштаба.

MSC Nastran за счёт своих “классических” возможностей, совершенствуемых начиная с этапа разработки , обеспечивает полный набор наиболее востребованных типов расчетов, включая

• расчет напряженно-деформированного состояния и запасов прочности
• расчёт частот и форм собственных колебаний
• расчёт устойчивости
• расчёт характеристик статического и динамического нагружения изделия в линейной и нелинейной постановках
• расчёт с учётом сложного контактного взаимодействия
• расчёт характеристик теплопередачи
• расчет критических частот и вибраций роторных машин
• расчёт частотных характеристик (передаточных функций) изделия
• расчёт отклика изделия на стационарные случайные нагрузки и импульсное широкополосное воздействие
• исследование конструкции изделия с учётом аэроупругости на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях
• моделирование совместной работы объекта управления и системы управления (в том числе систем терморегулирования)
• Расчет усталостной прочности и долговечности изделий и оптимизации изделия по ресурсу

В MSC Nastran предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие. Среди конечных элементов MSC Nastran – балочные (1D), оболочечные (2D), объёмные (3D) конечные элементы, а также специальные элементы для моделирования точечной и шовной сварки, болтовых и заклепочных соединений, набор “жестких” элементов различных типов (кинематические связи между узлами модели) и многие другие. Для особых случаев возможно использование элементов высокого порядка аппроксимации (P-элементы), которые хорошо отражают криволинейную геометрию конструкции, автоматически адаптируются к желаемому уровню точности и обеспечивают высокую точность при детальном расчете напряжений.

В состав расширенных функций MSC Nastran входит технология суперэлементов (подконструкций), включающая продвинутые методы динамической конденсации, модальный синтез и развитые методы анализа динамики сложных структур на основе суперэлементов и формулировок метода Крейга–Бамптона. Применение технологии суперэлементов позволяет выполнять расчёты с использованием конечно-элементных моделей, размерность которых превосходит возможности имеющейся вычислительной техники, а также существенно сокращать трудозатраты и затраты времени при исследовании влияния локальных модификаций конструкции на характеристики изделия в сборе. Технология суперэлементов MSC Nastran является де-факто стандартом в международном ракетно-космическом сотрудничестве, где при создании новых изделий широко развита кооперация, но, в то же время, актуальным является вопрос сохранения конфиденциальности конструкции различных компонентов ракетно-космической системы. Применение технологии суперэлементов MSC Nastran позволяет участникам проектов обмениваться конечно-элементными моделями изделий и не разглашать своё know-how.

Программный пакет MSC Nastran имеет многоуровневую структуру. Программные модули нижнего уровня разработаны преимущественно с использованием языка Fortran, а модули верхнего уровня (solution sequences - последовательности решения) построены с использованием внутреннего языка Direct Matrix Abstraction Program (DMAP). Пользователи MSC Nastran имеют доступ к языку DMAP, благодаря чему они могут разрабатывать свои проблемно-ориентированные модули и включать их в MSC Nastran, создавая новые собственные решения. Примером использования указанных возможностей является разработка на языке DMAP “пользовательской” процедуры, обеспечивающей оценку степени соответствия динамических характеристик изделия, получаемых в результате расчёта и модального эксперимента. Проведение соответствующих расчётов позволяет определять места расположения и ориентацию датчиков, обеспечивающих идентификацию динамических характеристик изделия и, тем самым, эффективно планировать его испытания.

Дальнейшим развитием программного пакета MSC Nastran является внедрение в его структуру технологии Service Component Architecture (SCA), обеспечивающей возможность интеграции специально разработанных пользователем программных компонентов в расчётную конечно-элементную модель изделия, что существенно расширяет возможности учёта “тонких” особенностей моделируемого изделия. MSC Nastran предоставляет в распоряжение пользователя эффективный аппарат оптимизации изделий. Оптимизацию можно проводить для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. Оптимизация проводится на основе выбранных типов расчета путем вариации параметров формы, размеров и свойств конструкции. Благодаря своей эффективности алгоритмы оптимизации обрабатывают неограниченное? число проектных параметров и ограничений.? Масса, напряжения, перемещения, частоты собственных колебаний и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (в 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.

Наряду с “обычной” параметрической оптимизацией (например, подбором толщины группы оболочечных элементов) и оптимизацией формы (изменение формы компонента путём изменения координат узлов конечно-элементной модели) MSC Nastran позволяет также выполнять следующие оптимизации: топологическую (изменение геометрической топологии объекта), топографическую (поиск формы и глубины выштамповок на детали из тонколистового материала) и топометрическую (поиск оптимальной толщины для каждого конечного элемента по отдельности). Эти функции значительно расширяют возможности применения MSC Nastran для автоматического проектирования силовых схем изделий, в максимальной степени удовлетворяющих заданным требованиям.

Широкие возможности оптимизации позволяют использовать MSC Nastran для автоматической идентификации компьютерной расчетной модели, при этом целевая функция, подлежащая минимизации, определяется как величина рассогласования результатов расчета и эксперимента, а в качестве варьируемых параметров выбираются наименее достоверные расчетные параметры конструкции. Результат решения такой задачи - “новая” конечно-элементная модель, свойства которой соответствуют свойствам физического образца. Среди моделей материалов в составе MSC Nastran имеются модели композиционных материалов, что в настоящее время особенно актуально в связи с мировой тенденцией использования их в авиационной, ракетно-космической, судостроительной, автомобильной и других высокотехнологичных отраслях промышленности. В MSC Nastran имеются специальные возможности по выполнению расчёта с учётом особенностей композиционных материалов (числа слоёв, их ориентации, характеристик материалов волокна и матрицы). Особенно эффективно эти возможности реализуются при использовании MSC Nastran в сочетании со специальной опцией программного пакета Patran – Patran Laminate Modeler, обеспечивающей быструю подготовку высокоточных конечно-элементных моделей конструкций из композиционных материалов и эффективную обработку результатов.

В составе MSC Nastran имеются специальные возможности моделирования динамики роторных машин:

• Анализ установившихся и переходных динамических процессов на базе как упрощенных массово-стержневых моделей, так и на основе подробных 3D CAD моделей
• Исследование спектров собственных частот и форм колебаний отдельных деталей и узлов в поле центробежных сил и при действии гироскопических моментов с анализом распределения относительных напряжений при колебаниях по собственным формам, построение диаграмм Кемпбелла и Найквиста
• Построение математических моделей динамического поведения роторных машин (в том числе многовальных) с учетом нелинейных характеристик опор
• Исследования критических частот вращения роторов, анализ условий возникновения и параметров прямой и обратной прецессий, изучение реакций на обрыв лопаток и касание ротора о статор
• Анализ вибрационных характеристик машины при моделировании дисбалансов роторов с учетом реальных условий закрепления машины на объекте

В составе MSC Nastran имеются специальные последовательности решения SOL 600 и SOL 400, ориентированные на решение задач анализа существенно нелинейного поведения изделия, решение задач многодисциплинарного анализа, задач расчёта последовательного нагружения изделия воздействиями разной природы (тепло - прочность и др.).

MSC Nastran SOL 600 это, по сути, решатель Marc, “встроенный” в MSC Nastran. Преимущество использования SOL 600 состоит в возможности доступа к эффективным инструментам решателя Marc при работе в среде хорошо знакомого огромному количеству пользователей структурированного интерфейса MSC Nastran. Решение задач в MSC Nastran с использованием SOL 600 с высокой эффективностью выполняется на многопроцессорных компьютерных кластерах.

MSC Nastran SOL 400 - это дальнейшее развитие решателя MSC Nastran в части повышения эффективности и точности решения статических и динамических задач, усовершенствования алгоритмов учёта 3D контактного взаимодействия частей расчётной модели, внедрения новых алгоритмов решения тепловых задач (алгоритмы, применяемые в программном пакете Sinda), расширения возможностей решения многодисциплинарных задач путём объединения различных видов анализа (пример: тепловой расчет – статика – динамика) в единый расчетный случай с целью проведения комплексного исследования работы изделия за один запуск модели на расчет, сокращения затрат времени на вычисления за счёт повышения эффективности решателей и др.

В состав программного пакета MSC Nastran входит последовательность решения SOL 700, объединяющая в себе возможности известных решателей LS-DYNA и Dytran, и предназначенная, преимущественно, для моделирования высокоскоростного нагружения изделий, включая их большие деформации и разрушение (например, соударения различных объектов, технологические процессы типа штамповки, ковки и т.п.), а также динамического взаимодействия изделия и газовой или жидкой среды (например, взаимодействие подушки безопасности и манекена в процессе столкновения автомобиля и т.п.). В SOL 700 для решения нелинейных задач применяется высокоэффективная явная схема интегрирования. За счет интеграции решателей LS-DYNA и Dytran в MSC Nastran снижается время, требуемое для подготовки расчетной модели и повышается точность многодисциплинарного анализа. Производительность SOL 700 особенно высока при решении задач на многопроцессорных вычислительных комплексах. Интеграция в MSC Nastran решателей, основанных на разных математических принципах (неявных и явных решателей) позволяет с высокой эффективностью моделировать процессы последовательных этапов функционирования изделий, характеризующихся существенно разными характерами протекающих процессов, например, “статическое преднагружение” – “кратковременное воздействие большой импульсной нагрузки ” – “последействие приложения импульсной нагрузки”.

Среди возможностей MSC Nastran - решение акустических задач, причём задачи внутренней акустики решаются с применением “традиционных” конечно-элементных подходов, а для решения внешнеакустических задач предлагаются специальные алгоритмы, в основу которых положены бесконечные элементы. Комбинация этих методов позволяет решать достаточно широкий круг задач акустического анализа, однако ещё большей эффективности можно достичь при использовании возможностей интеграции MSC Nastran и специализированного программного пакета для акустических расчётов Actran для решения виброакустических задач с акустической средой малой плотности (например, с воздухом).

Для решения акустических задач наряду с традиционным конечно-элементным методом и методом, основанным на бесконечных элементах могут быть использованы методы, основанные на энергетических конечно-элементном и гранично-элементном методах (методы EFEA и BFEA), которые также представлены в составе MSC Nastran.

В MSC Nastran также имеется возможность передачи моделей упругих тел в систему Adams для дальнейшего использования их в этом программном комплексе при построении расчётных моделей машин, механизмов и изделий в сборе. Такой метод обеспечивает учёт упругих свойств тел, имеющих пространственную форму любой сложности, что позволяет выполнять точный анализ динамики изделий с учётом податливости их компонентов. Таким образом, интеграция двух мощных программных комплексов MSC Nastran и Adams позволяет моделировать и проводить точный анализ функционирования сложных современных изделий с учетом реальных условий их эксплуатации.

Оснащение MSC Nastran новыми решателями (SOL 400, SOL 700, технология SCA, интеграция с решателем Actran и др.), даёт пользователям возможность перейти от узкоспециализированных инструментов моделирования и анализа к интегрированному решению в масштабах предприятия. Использование единой расчетной модели для многодисциплинарного моделирования позволяет минимизировать время, обычно затрачиваемое на подготовку множества расчетных моделей, преобразование и передачу данных от одной расчетной модели в одной системе инженерного анализа к другой модели в другой системе (решается проблема устранения вносимых при таких преобразованиях ошибок, тем самым повышается точность решения). В состав MSC Nastran входит проблемно-ориентированный модуль Nastran Embedded Fatigue (NEF) для расчета усталостной прочности и долговечности изделий и 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. Специалисты MSC Software смогли максимально упростить 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, расчет долговечности и решить задачу оптимизации за один запуск решателя MSC Nastran. В Nastran Embedded Fatigue запрос на вывод результатов структурного прочностного расчета перед запуском анализа долговечности необязателен, что существенно экономит время и вычислительные ресурсы. Таким образом, задачи большой и сверхбольшой размерности (до нескольких десятков миллионов степеней свободы) теперь не являются проблемой с точки зрения вычислительных ресурсов и могут быть решены на обычных пользовательских рабочих станциях.

Кроме того, выполнение расчетной оценки долговечности непосредственно в среде MSC Nastran, предназначенного для расчета напряженно-деформированного состояния, обеспечивает возможность параметрической и топологической оптимизации расчетной модели по критериям долговечности. Так, если проводить оптимизацию изделия, руководствуясь лишь прочностными ограничениями, мы несомненно добьемся снижения веса изделия, но, практически всегда, такой результат будет сопровождаться снижением ресурсных показателей. Попытки же повысить ресурс на более поздних этапах отладки либо эксплуатации уже готового изделия без использования NEF практически всегда приведут к росту массы и удорожанию конструкции .

Это происходит потому, что механизм развития усталостных повреждений в материале любого изделия демонстрирует два феномена. Первый феномен заключается в том, что трещины растут практически независимо от амплитуды действующих циклических нагрузок, даже если эти нагрузки вызывают напряжения, которые далеки от предела текучести материала. Второй феномен состоит в том, что разрушения далеко не всегда происходят в зоне максимальных напряжений. Это справедливо для численных инженерных расчетов как в статической, так и в динамической постановках. Решает все вышеперечисленные проблемы MSC Nastran Embedded Fatigue, который обеспечивает внедрение критериев долговечности в оптимизационный цикл на ранних этапах проектирования изделия, что позволяет избежать неоправданных финансовых затрат и рисков в будущем.

Основу MSC Nastran составляют отработанная технология элементов и надежные численные методы. Численные методы разреженных матриц, используемые при любом типе расчетов, значительно повышают скорость вычислений и минимизируют объем требуемой дисковой памяти, что повышает эффективность обработки данных. MSC Nastran работает на персональных компьютерах, рабочих станциях, кластерах, суперкомпьютерах и предусматривает возможности векторной и параллельной обработки данных на вычислительных комплексах, которые поддерживают эти функции. Тесная связь MSC Nastran с пре- и постпроцессорами Patran и SimXpert обеспечивает полностью интегрированную среду для моделирования и анализа результатов. Все ведущие производители систем автоматизированного проектирования, учитывая лидирующие позиции MSC Nastran на рынке конечно-элементных продуктов, предусматривают интерфейсы с программными пакетами Patran и SimXpert. В результате MSC Nastran гибко интегрируется в любую имеющуюся среду проектирования.

MSC Nastran – это современная расчетная суперсистема. Тесная интеграция MSC Nastran через Patran, SimXpert и SimManager с другими системами высокого уровня: Adams, Fatigue, FlightLoads and Dynamics, Marc, Mvision, Dytran, Easy5, SimDesigner, а также интеграция со всеми известными системами CAD/CAM/CAE реализует совершенно новый по своей широте и глубине системный уровень моделирования и многодисциплинарного анализа. Практически, на компьютере создается точная виртуальная модель изделия и, еще до начала производства, всесторонне исследуется его функционирование в рабочих и экстремальных условиях, тем самым, совершенствуя изделие, повышая его качество, надежность, безопасность, технологичность и экономичность на основе “компьютерных испытаний”. Этот совершенно новый уровень интегрированной среды наукоемких инженерных компьютерных систем реализует современные технологии Виртуальной Разработки Изделий. MSC Nastran закрывает “белые пятна” в существующих технологиях инженерного моделирования предприятий и тем самым сокращает долю затрат на системы инженерного анализа в общей сумме инвестиций в разработки. В планах корпорации MSC Software – продолжить интенсивное развитие MSC Nastran путем дополнения этой системы новыми модулями для многодисциплинарного анализа (кинематика, долговечность и др.). Мощные конкурентные преимущества, которые дает MSC Nastran предприятиям-разработчикам изделий, позволяют им разрабатывать и выпускать лучшие в своей отрасли изделия в самые короткие сроки с одновременным снижением затрат на разработку и повышением прибыли.

MSC Marc

Marc - комплексный нелинейный анализ конструкций, решение сложных задач термопрочности, электро- и магнитостатики, моделирование технологических процессов

Marc - программная система, ориентированная на решение задач, по условиям которых конструкции одновременно подвергаются воздействию кинематических, силовых и тепловых нагрузок, имеют большие перемещения и деформации, нелинейные свойства материалов или свойства, зависящие от истории нагружения, включая эффективный анализ сложного контактного взаимодействия конструкций. Marc используется по всему миру в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная, металлургическая, шинная, электронная, на предприятиях военно-промышленного комплекса и т.д.

Возможности программного комплекса Marc очень широки:

• Линейный и нелинейный статический анализ с учетом геометрической и физической нелинейности, нелинейных граничных условий и свойств материалов и пр
• Механика разрушения: методы линейного и нелинейного разделов механики разрушения; автоматическая реализация расчета J-интеграла, модель накопления повреждений в резиноподобных материалах, растрескивание бетона, разрушение композиционного материала и т.д.
• Динамический анализ: расчет собственных форм и частот, частотный отклик, анализ переходного процесса, случайные колебания и пр.
• Анализ чувствительности и оптимизация
• Использование осесимметричных решений для создания трехмерных моделей и решений
• Анализ установившегося качения осесимметричных конструкций (таких, как автомобильная шина)
• Анализ деталей из материалов с эффектом памяти формы
• Неструктурный анализ
• Задачи теплообмена (установившиеся и неустановившиеся процессы, моделирование сварки и излучения и т.д.)
• Электро- и магнитостатический, а также электромагнитный и пьезоэлектрический анализ
• Моделирование гидродинамического подшипника
• Акустический анализ (в том числе связанный акустический анализ среда-конструкция)
• Связанные виды анализа (термомеханический, термоэлектрический, электро-термо-механический, моделирование взаимодействия жидкость - твердое тело)
• Абляция и пиролиз

Наряду с расчётным анализом работы изделий, программный комплекс Marc широко используется для моделирования технологических процессов, таких как штамповка, гибка, пластическое формование, различные виды механической обработки и т.п.

Библиотека конечных элементов Marc содержит около 200 элементов различных типов для проведения структурного, теплового, электростатического и других видов анализа. Имеется возможность создания пользовательских элементов.

Библиотека моделей материалов Marc позволяет использовать большое количество моделей материалов: линейно- и нелинейно-упругие, гиперупругие, вязкоупругие, вязкопластичные, композиционные, специальные (грунты, бетоны) и т.д.

Возможность глобального перестроения сеток (Global remeshing) в Marc применяется при решении задач, в процессе которых существенные деформации приводят к недопустимому искажению формы конечных элементов. После перестроения все граничные условия, нагружения и параметры НДС предыдущего состояния автоматически переносятся на новую сетку. В Marc предусмотрены вызовы подпрограмм пользователей через стандартные точки входа, которые опрашиваются по указанию пользователя, самостоятельно определяющего, какие подпрограммы ему необходимо подключить для решения нестандартной задачи.

MSC Dytran

Dytran- cистема анализа существенно нелинейных быстропротекающих процессов

Dytran - это система моделирования быстропротекающих существенно нелинейных процессов взаимодействия конструкции и жидкости (газа) или конструкции и конструкции, в том числе их разрушения.

Основой Dytran являются совместная работа решателей Лагранжа (моделирование твёрдых тел) и Эйлера (моделирование жидкости/газа), широкий спектр моделей материалов (включая гидродинамическую) и различные типы уравнений состояния жидкой среды (газа). Возможно моделирование работы материала со сдвиговой жёсткостью в эйлеровой постановке. Это позволяет моделировать физические явления с присутствием неограниченных деформаций, различные гидродинамические процессы, в том числе гидроудары, а также решать задачи по моделированию и анализу специальных динамических воздействий на конструкцию (взрыв, пробитие и т.п.)

Типич¬ные приложения Dytran – моделирование взаимодействия препятствия с автомобилем, водителя с наполняющейся подушкой безопасности, ремнями безопасности и другими средствами пассивной защиты.

Используя Dytran можно решать такие мультифизичные и многодисциплинарные задачи как столкновение птиц с самолетом, попадание различных объектов в проточные части авиационных газотурбинных двигателей, а том числе частиц льда, града и т.д , аварийная посадка летательного аппарата на воду, столкновения судов и их взаимодействия с водой и дном (посадка на мель).

Также можно производить расчет процессов высокоскоростного пробивания преград, листовой штамповки, взаимодействия жидкости и конструкции, аквапланирования и т.д.
Реализация абсолютно нового подхода к расчетному моделированию Underwater Shock Explosion позволяет моделировать такие сложные физические явления, как подводные взрывы и распространение ударных фолн в жидкости

Отличительной особенностью Dytran является возможность особенно эффективного моделирования динамического взаимодействия жидкости и конструкции: учёт вязкости жидкости; несколько жидкостей с различными свойствами в одной модели; автоматическое построение эйлеровой сетки в процессе решения задачи и только в тех зонах пространства, куда устремляется жидкость и др. Реализованные в Dytran методы, позволяющие работать с несовпадающими сетками (к одной грани элемента может присоединяться несколько элементов меньшего размера), с сетками с неоднородной плотностью и смешанными сетками (несовпадающие сетки + сетки с неоднородной плотностью), существенно сокращают затраты на создание расчетной модели.

Кроме того, Dytran позволяет реализовывать расчетные случаи в одномерной постановке для эйлеровых задач со сферической симметрией и в двумерной постановке для задач с осевой симметрией.

Dytran использует новейшие “coupling” и “сlumping” алгоритмы для моделирования контактного и ударного взаимодействия элементов конструкций, в том числе взаимодействия жидкости и конструкции – Fluid Structure Interaction (FSI)

В Dytran применяется явная схема интегрирования, не требующая декомпозиции матриц и в силу этого особенно эффективная для решения нелинейных задач.

Специально для задач большой и сверхбольшой размерности Dytran поддерживает распараллеливание задачи по узлам кластера для FSI в режиме Distributed Memory Parallel (DMP) Новые алгоритмы для высокопроизводительных FSI вычислений в DMP режиме не требуют дополнительного лицензирования.Широкий спектр решаемых задач позволяет применять Dytran в аэро¬космической, оборонной, автомобильной, судостроительной, обрабатывающей и многих других отраслях промышленности.

MSC FlightLoads and Dynamics

FlightLoads and Dynamics-комплексный анализ аэроупругих, динамических и прочностных характеристик летательных аппаратов

В авиастроении одним из основных критериев, по которым ведется оптимизация проекта, является масса летательного аппарата (ЛА). Облегчение конструкции ЛА повышает его экономические показатели, однако может приводить к снижению его жесткости, что оказывает влияние на аэродинамические характеристики, характеристики устойчивости и управляемости ЛА. Таким образом, исследование взаимодействия аэродинамических сил, сил упругости и инерции является важной и актуальной задачей.

FlightLoads and Dynamics – это приложение, предназначенное для решения дозвуковых, сверхзвуковых, стационарных и нестационарных задач аэроупругости. В качестве решателя используется программный пакет MSC Nastran с поддержкой опций Aeroelasticity I и Aeroelasticity II (расчет, соответственно, до- и сверхзвукового обтекания ЛА).

В FlightLoads решаются следующие задачи:

• балансировка упругого или «жесткого» ЛА
• задача о флаттере
• расчет отклика упругого ЛА на внешнее воздействие (порыв или удар)
• оптимизация конструкции по критериям аэроупругости

Расчетная модель для решения задач аэроупругости создается в среде Patran с поддержкой модуля FlightLoads and Dynamics . Аэроупругая модель включает в себя две модели: упруго-массовую и аэродинамическую. Упруго-массовая модель создается с помощью средств Patran. Аэродинамическая – в модуле FlighLoads. Связь двух моделей производится посредством сплайнов. Для расчета аэродинамических нагрузок имеются следующие методы:

• Doublet-Lattice Method (DLM)
• ZONA51
• Subsonic Wing-Body Interference Theory (Slender Bodies)
• Mach Box Method
• Strip Theory
• Piston Theory

В системе FlightLoads решаются задачи статической аэроупругой устойчивости, определяются кинематические характеристики органов управления и исследуется влияние упругой деформации на перераспределение аэродинамических сил. Имеется возможность решать 3 типа задач:

• расчет балансировки «жесткого» ЛА
• расчет изменений аэродинамических сил, обусловленных влиянием упругости ЛА – расчёт аэроупругих приращений
• расчет балансировки упругого ЛА

В результате решения задач статической аэроупругости, определяются неизвестные балансировочные переменные, шарнирные моменты, интегральные аэродинамические силы и производные устойчивости, как для жесткого, так и для упругого ЛА.

Для решения задач о флаттере в FlightLoads имеется возможность использовать следующие методы:

• PK – вычисляются собственные частоты и собственные формы колебаний упругого ЛА в потоке для скоростей, заданных пользователем
• PKNL – детальное исследование флаттера (расчет производится для заданных комбинаций параметров)
• K и KE – рассчитываются собственные частоты и собственные формы колебаний упругого ЛА в потоке для заданных пользователем значений приведенной частоты k. Методы отличаются эффективностью и возможностью учета демпфирования

В результате решения задачи о флаттере определяется величина критического скоростного напора и зависимость коэффициента демпфировании от скорости набегающего потока (V-g) или частоты от коэффициента демпфирования (V-f).

Анализ реакции на внешнее воздействие подразумевает расчет отклика сбалансированного ЛА на внешнее воздействие, которое может иметь как аэродинамическую природу воздействия (порыв), так и искусственное воздействие, например удар. В FlightLoads можно провести расчеты следующих видов:

• Расчет частотного отклика (решение задачи в частотной области)
• Анализ переходного процесса (решение задачи во временной области)
• Расчет отклика на случайное воздействие (решение задачи в частотной области)

Порыв в FlightLoads может быть задан в виде дискретного или широкополосного случайного воздействия.

В FlightLoads имеется возможность провести оптимизацию конструкции с учетом статической и динамической аэроупругости. Критериями оптимизации в задачах статической аэроупругости могут являться значения кинематических параметров (например, углы отклонения органов управления) и значения производных устойчивости, а в задаче о флаттере – значения коэффициента демпфирования (способность конструкции ЛА рассеивать энергию, поступающую из воздушного потока). Оптимизационные параметры выбираются пользователем. Например, для задачи о флаттере в качестве искомой величины можно задать жесткость лонжеронов крыла. Hybrid Static Aeroelasticity Toolkit (HSA) Набор инструментов HSA расширяет стандартные возможности FlightLoads, предоставляя возможность использовать данные газодинамических расчётов, полученные в пакетах CFD (Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидрогазодинамика) совместно с возможностями MSC Nastran по решению задач аэроупругости.

Применяя набор инструментов HSA, можно моделировать аэродинамическое воздействие на конечно-элементные модели летательных аппаратов с повышенной точностью. HSA дает возможность проводить расчёты статической аэроупругости с учётом влияния кривизны и высоты профиля аэродинамических поверхностей и других поправок, связанных с уточненным расчетом газовой динамики в специализированных приложениях - CFD. В итоге, имеется возможность в комплексном анализе статической аэроупругости учесть фюзеляж, двигатели и гондолы двигателей, элементы механизации, а также другие конструктивные элементы, влияющие на обтекание летательного аппарата.

MSC Nastran позволяет проводить расчёт без учёта и с учётом упругости конструкции. При этом генерируются «жесткие» аэродинамические нагрузки, посчитанные внешним пакетом гидрогазодинамики (CFD), на жесткую аэродинамическую сетку, в то время как аэроупругие приращения считаются методом дипольных решёток (Doublet-Lattice Method – DLM). Чтобы передавать CFD нагрузки на упруго-массовую модель в HSA используется методика, основанная на сплайн - элементах с 6-ю степенями свободы. Для проверки корректности приложения аэродинамических нагрузок, набор инструментов HSA даёт возможность пользователям определять аэродинамические и структурные контрольные точки, а так же отобразить их распределение на модели.

В дополнение, сплайн – технология может использоваться для отображения смещений трёхмерной аэродинамической сетки (обтекаемой зоны).

Главным преимуществом использования инструмента Hybrid Static Aeroelasticity является существенное повышение точности расчёта статической аэроупругости за счёт более точного представления аэродинамических нагрузок при моделировании.

MSC Sinda

Sinda - комплекс программных продуктов для решения тепловых задач

MSC Sinda - программный комплекс общего назначения для решения задач теплового анализа конструкций, анализа уровня излучения, воздействующего на конструкцию, моделирования и оценки тепловых нагрузок, возникающих в изделии при эксплуатации и т.д.

С середины 60-х годов и до 2008 года программный пакет разрабатывался компанией Network Analysis Inc. (США) под названием SINDA/G, с 2008 года - компанией MSC.Software под названием MSC Sinda. В настоящее время комплекс MSC Sinda является промышленным стандартом в области сложных тепловых расчетов с использованием конечно-разностного метода и построения тепловых RC-сетей (от англ. resistance - сопротивление, capacity - емкость), а также тепловых подконструкций (суперэлементов) для анализа излучения.

Область применения MSC Sinda весьма обширна. Благодаря своим возможностям программный комплекс MSC Sinda используется в самых разных отраслях промышленности для решения сложных задач теплового анализа конструкций:

• электронное оборудование от отдельных устройств до сложных комплексов
• оборудование для обработки электронных печатных плат
• компоненты двигателя автомобиля, самолета и т.д.
• системы охлаждения и кондиционирования
• тепловые потери зданий и сооружений
• космические аппараты, ракеты-носители, блоки управления
• солнечные батареи
• источники энергии, топливные элементы, генераторы
• электронные приборы, авионика
• малые и большие бытовые приборы

Программный комплекс MSC Sinda имеет модульную структуру.

MSCSindaThermalStudio - собственный пре- / постпроцессор для теплового решателя MSC Sinda, включающий в себя инструменты редактирования и отладки входных данных для решателя, средства организации расчетных проектов, а также средства обработки результатов, построения диаграмм и графиков, вывода результатов расчетов в табличной форме, экспорта в различных форматах.

MSCSindaLibrary - библиотека подпрограмм MSC Sinda и Fortran, предварительно созданных и сгруппированных в классы, позволяющая гибко использовать подпрограммы для широкого круга задач, снижая затраты на программирование и моделирование.

MSCSindaforPatran - интегрированный в Patran модуль MSC Sinda с полным набором инструментов построения тепловых моделей на базе импортированной CAD-геометрической модели, поддержка программ - отраслевых стандартов по расчету коэффициентов излучения Thermica, TRASYS, NEVADA, TSS, SindaRad, работа с суперэлементами излучения, доступность всех возможностей по программированию собственных блоков и применения подпрограмм MSC Sinda и Fortran - новые уравнения и программная логика могут быть легко добавлены в модель MSC Sinda. Развитые средства Patran по обработке результатов и их визуализации существенно облегчают работу по тепловому моделированию и анализу конструкций.

MSC SindaRad - быстрый специализированный решатель геометрических коэффициентов излучения с собственными оптимизированными алгоритмами, позволяющий существенно сократить время анализа коэффициентов излучения.

MSC Sinda Office Toolkit for Visio - модуль построения тепловых RC-сетей в программе Microsoft Visio, входящей в популярный пакет Microsoft Office. Модуль позволяет использовать библиотеку поставляемых компонент и быстро строить тепловую сеть из типовых библиотечных блоков, соединяя их и задавая параметры. В результате модуль автоматически генерирует входной файл для решателя MSC Sinda. Развитые возможности отображения результатов в виде диаграмм, графиков, таблиц, а также автоматизированной генерации отчетов, средства записи макросов и программирования VBA существенно расширяют возможности использования MSC Sinda.

MSC Fatigue

Fatigue - Технологии расчета долговечности конструкций

Анализ усталостного разрушения конструкции в условиях длительного действия переменных во времени нагрузок, уникальные возможности проектирования и оптимизации конструкций, в том числе и по требованиям долговечности, срока работы изделия в нормальных и экстремальных условиях эксплуатации.

MSC Fatigue разработан в сотрудничестве корпорации MSC.Software и nCode Intrernational Ltd, крупнейшего в мире поставщика коммерческих технологий и инженерных решений в области исследования долговечности и ресурса. Основным источником исходных данных для выполнения расчета в MSC Fatigue являются результаты предшествующего конечно-элементного анализа конструкции или результаты натурных испытаний. Качество анализа долговечности в MSC Fatigue, таким образом, непосредственно зависит от качества результатов (напряжений или деформаций), полученных в структурном анализе или эксперименте.

Единой интегрирующей средой анализа долговечности является Patran. В Patran обрабатываются результаты предшествующего конечно-элементного анализа или вводятся результаты эксперимента, а также, определяются истории нагружения, свойства материалов и параметры задания на расчет MSC Fatigue, контролируется ход решения, визуализируются и анализируются результаты расчета. Конечно-элементный анализ изделия может быть выполнен во временной или частотной области.

Во временной области на вход подается временная история, например изменение во времени напряжений в изделии. Однако часто истории нагружения сложны, длительны и по природе случайны. Анализ таких переходных динамических процессов может быть выполнен с помощью MSC Nastran или комплексного использования MSC Nastran и Adams. Но зачастую получение отклика во времени требует значительных вычислительных затрат. Для таких типов нагрузок используется другой подход, реализованный в MSC Nastran - исследование поведения структуры не во временной, а в частотной области. При этом спектры нагружения получаются очень компактными – до нескольких десятков килобайт, а время расчета в несколько раз меньше, чем при расчете долговечности во временной области прямыми методами.

Временной процесс представляется в виде спектральной плотности (Power Spectral Density, PSD). Расчеты MSC Fatigue в частотной области составляют предмет модуля Fatigue Vibration. Усталостные характеристики материалов, используемых в анализе долговечности, могут быть взяты либо из поставляемой с MSC Fatigue базы данных материалов DTLib, либо импортированы из внешней базы данных (Mvision), либо получены пользователем из собственных источников. Если пользователь имеет информацию только о статических характеристиках материала (модуль упругости, предел прочности...), MSC Fatigue может сгенерировать необходимые для расчета долговечности усталостные характеристики по реализованным в нем эмпирическим зависимостям. При использовании принципиально нового решателя DTLib позволяющего реализовать процесс высокопроизводительных параллельных вычислений можно существенно сократить время расчета.

Усталостные характеристики материала могут быть функциями температуры. MSC Fatigue автоматически корректирует усталостную кривую материала по значениям температуры в исследуемых областях. MSC Fatigue предоставляет возможность использования следующих методов для анализа долговечности:

• Метод номинальных напряжений (Stress Life, S-N-анализ)
• Метод номинальных деформаций (Strain Life, E-N-анализ)
• Анализ скорости роста трещин (модуль Fatigue Fracture)

Stress Life анализ - исследуется полное время жизни структуры, без отдельного рассмотрения фаз образования и роста трещины. Используется кривая усталости (Велера) в пространстве «размах напряжений – число циклов до разрушения». Применим в случаях, когда структура деформируется в основном линейно; пластические деформации носят очень локализованный характер. Это так называемое многоцикловое усталостное разрушение (с числом циклов до разрушения больше 50.000 – 100.000). Может быть выполнен анализ долговечности сварных соединений для точечной и шовной сварки. MSC Fatigue имеет так же удобный модуль Fatigue Wheels – S-N анализ долговечности вращающихся структур (колес, дисков и т.п.).

Strain Life - анализ времени функционирования изделия до момента образования в ней трещин значительных, с точки зрения инженера, размеров. Используются циклическая кривая - материала и кривая усталости в пространстве «размах деформаций – число циклов до разрушения». Может применяться в условиях присутствия в конструкции пластических деформаций среднего уровня. Это т.н. малоцикловое усталостное разрушение конструкции с числом циклов до разрушения до 100.000. При выполнении расчета на многоцикловую усталость учитывается количество полных циклов, образующих гистерезисные петли, при этом циклы достаточно большой площади вносят наиболее существенный вклад в усталостную повреждаемость конструкций. Алгоритмы схематизации циклов по “методу дождя” в MSC Fatigue оптимальны для использования в расчетах повреждаемости конструкции по методу зарождения трещины. В S-N и E-N расчетах могут учитываться:

• присутствие некоторого среднего (постоянного, фонового) уровня напряжений в структуре
• фактор концентрации напряжений
• масштабный фактор
• фактор типа напряженного состояния в исследуемой зоне
• влияние качества обработки поверхности
• влияние используемого поверхностного упрочнения
• вероятностный характер используемой усталостной характеристики

Fatigue Fracture - анализ развития трещин до заданных или до разрушающих размеров. Может быть задан начальный размер трещины. Используется диаграмма усталостного разрушения в координатах «скорость развития трещины – размах коэффициента интенсивности напряжений». Коэффициент интенсивности напряжений наиболее типичных зон машиностроительных конструкций может быть получен из поставляемой с MSC Fatigue библиотеки поправочных функций. Используется эффективный коэффициент интенсивности напряжений. В расчете учитываются:

• явление закрытия трещины (эффект Элбера)
• эффекты «истории» (в т.ч. влияние единичных перегружающих нагрузок)
• вклад в процесс разрушения статических нагрузок
• возможность роста трещины из предшествующего дефекта
• влияние условий эксплуатации (окружающей среды)
• реальная последовательность циклов в истории нагружения

Модуль Fatigue Multiaxial. Напряженное состояние в исследуемой точке не обязательно одноосно. В каждый момент времени для каждого узла на поверхности может быть вычислен т.н. коэффициент биаксиальности a=1/2, где 1, 2 – главные напряжения; а так же угол  между 1 и локальной Х-осью в исследуемой точке. В общем случае, a и  меняются во времени, т.е. имеет место непропорциональное напряженное состояние. MSC Fatigue позволяет выполнять S-N и E-N расчеты и в этом сложном случае.

Моделирование датчиков деформаций, используемых в реальных испытаниях конструкции. В расчет в заданном месте, с заданной ориентацией, с заданной площадью накрытия, могут быть введены компьютерные модели реальных тензодатчиков. Положение, ориентация и размеры датчиков в модели не зависят от расположения узлов и ориентации конечных элементов. Датчики располагаются в любом месте на поверхности конечно-элементной модели, ориентация может быть любая, и один датчик может покрывать в модели несколько элементов.

Аппарат Fatigue Software Strain Gauge позволяет непосредственно сравнивать показания датчиков деформации, полученные в эксперименте, с историей деформирования, вычисленной в расчете и является мощным инструментом приведения к соответствию расчетной модели и реального объекта. С помощью виртуальных тензодатчиков можно не только проводить корреляцию между численными расчетами и экспериментальными данными, но и быстро подготавливать программу ускоренных испытаний конструкции. При этом, полученные результаты в виде напряжений и деформаций могут быть в дальнейшем использованы для: подсчета циклов нагружения, получения результирующей спектральной плотности отклика конструкции в напряжениях, а также для последующего расчета повреждаемости и долговечности изделия.Помимо собственно расчетной части, MSC Fatigue располагает обширным набором сервисных утилит. Утилиты – это более 50 специальных процедур, каждая из которых может быть запущены как из среды Patran, так и независимо. Утилиты обеспечивают простоту и удобство задания, редактирования, исследования входных данных, различные режимы импорта, фильтрации и отображения сигналов, а так же широкий спектр возможностей по обработке получаемых результатов на самых разных этапах анализа долговечности конструкции.

Использование MSC Fatigue позволяет сократить время разработки изделия и исключить затраты на устранение усталостных повреждений и разрушений еще на ранних стадиях проектирования. Так же, в процессе эксплуатации изделия, при обнаружении усталостных повреждений, трещин, MSC Fatigue позволяет проанализировать влияние этих повреждений на ресурс конструкции, предотвращая аварии и катастрофы.

MSC Easy5

Easy5- Система моделирования и расчета гетерогенных технических систем и устройств

Easy5 предоставляет возможности для моделирования широкого круга сложных технических систем и устройств: цифровых и аналоговых систем управления, гидроприводов, пневматических, механических и электрических устройств. Моделирование в Easy5 происходит на системном уровне посредством использования необходимых функциональных блоков, соединяемых между собой связями.

Easy5 легко интегрируется с Adams, что позволяет создавать полноценные виртуальные прототипы механических систем (с учетом податливости как всего механизма, так и отдельных его частей) с системой управления: в Adams моделируется механическая часть – механизмы, изделия в целом (например, автомобиль, гусеничная техника, робот, конвейер и т.п.), а в Easy5 – система управления, гидравлика, пневматика, электрические системы и т.д. Создание полноценных виртуальных прототипов позволяет провести виртуальные испытания разрабатываемого изделия еще на ранних стадиях проектирования и выявить недостатки как механической системы, так и системы управления и принять необходимые решения до изготовления реального прототипа будущего изделия. Таким образом, система Easy5 является одной из самых уникальных и важнейших компонент современных технологий Виртуальной Разработки Изделий (Virtual Product Development – VPD).

Программный пакет Easy5 включает большое количество готовых математических моделей в виде отдельных функциональных блоков (сумматоров, делителей, фильтров, интеграторов, клапанов, двигателей, теплообменников, редукторов, муфт сцепления и др.). Также пользователь имеет возможность создавать собственные функциональные блоки с помощью языков C или Fortran.

Пользователь Easy5 – специалист в конкретной области техники соединяет эти функциональные блоки, моделируя изделие на уровне “устройства”, и оптимизирует параметры разрабатываемых систем изделия.

В Easy5 имеется возможность экспортировать модель (например, модель системы управления) в модель Adams или, наоборот, импортировать модель механизма из Adams в Easy5, а так же проводить совместный расчёт, при котором каждая система будет считать свою подсистему, а управлять процессом будет Easy5. Кроме этого в модели Easy5 можно встраивать модели из системы MATLAB/Simulink. Easy5 включает также модуль Matrix Algebra Tool, предназначенный для выполнения операций над матрицами (может использоваться для подготовки данных, анализа результатов и т.п.).

В состав Easy5 входят библиотеки компонентов для многодисциплинарного анализа, включая специализированные наборы для аэрокосмической, автомобильной и других отраслей промышленности:

• Hydraulic Basic Library – библиотека компонентов для моделирования гидромеханических систем
• Thermal Hydraulic Advanced Library – расширенная библиотека компонентов для моделирования гидромеханических систем с учетом температур
• Gas Dynamics/Pneumatic Library – библиотека компонентов, включающих расчётные модели, учитывающие сжимаемость газа
• Multiphase Fluid Library – библиотека компонентов устройств, основанных на фазовых превращениях

Easy5 включает модуль Library Developer Package, позволяющий пользователям создавать свои собственные библиотеки компонентов. На базе перечисленных возможностей системы Easy5, в интеграции с другими системами MSC, создаются полные функциональные модели самолетов, автомобилей, танков, экскаваторов, промышленного и производственного оборудования, приборов и т.д. и исследуется их работа при выполнении различных задач и в различных условиях эксплуатации, находя оптимальные решения на основе точного комплексного компьютерного моделирования.

Среди пользователей Easy5 – ведущие мировые компании - разработчики и производители в авиационной, ракетно-космической, автомобильной, электронной, энергетической и других отраслях промышленности.

MSC Digimat

Digimat - Виртуальная лаборатория для моделирования композиционных материалов и из-делий из них

Технология моделирования ком¬позитов в Digimat опирается на микромеханичес¬кие подходы для точного прогнозирования поведения сложных многокомпонентных материа-лов, и преодолевает разрыв между про¬изводственным процессом, разработкой материа-ла и конечно-элементным (КЭ) расчетом.

Digimat обеспечивает получение тепловых, электрических, прочностных и теплопроч-ностных харак¬теристик многофазных материалов. Кроме этого, возможно получение не-обходимых характеристик для проведения расчетов на разрушение, ползучесть и уста-лость. Digimat позволяет моделировать термо¬пластики, термореактивные пластмассы и композиты с различной матрицей (полимерной, металлической, резиновой). Полученные характеристики материалов в дальнейшем могут передаваться для выполнения расчетов в КЭ-системах. Возможен учет неоднород¬ности характеристик материалов, связанный с техно¬логическими процессами изготовления композитов: литья под давлением, выклад-ки, прессовки.

В состав Digimat входят следующие модули: Digimat-MF, Digimat-FE, Digimat-MX, Digimat-CAE, Digimat-MAP, Digimat-HC и Digimat-RP.

Digimat-MF предназначен для прогнозирования нелинейного поведения многофазных материалов. В основе его работы лежит микромеханический подход к моделированию материала – пользователь вводит характеристики материала каждой фазы, задает микроструктуру и нагрузки, приложенные к полученному многофазному материалу. Все это делается в по-следовательности, указанной в дереве модели.

Свойства композита вычисляются с помощью так называемого метода гомогенизации Мори-Танака, который основан на подходе Эшелби. Он описывает поведение одной ча-стицы, включенной в материал матрицы. Частица представляется в виде эллипсоида, форма которого определяется отношением диаметра к длине. Метод гомогенизации поз-воляет получить макроскопические свойства композитных материалов исходя из свойств каждый фазы (т.е. свойств материала на микроуровне).

Ориентация волокон может быть фиксированной, случайной или описываться тензо-ром ориентации. Материалы также можно задавать многослойными укладками, а волокна – как однонаправленные (монослои) или как тканые материалы (имеющие основу и уток), и кроме того, в матрице могут быть заданы пустоты. Наконец, может быть задан ряд кри-териев разрушения на уровне композита (т.е. макро) и на уровне фазы (т.е. в матрице и/или армирующей фазе).

Digimat-FE основан на конечно-элементном подходе при моделировании структуры композита и предназначен для создания представительного элемента объема (ПЭО) ар-мированного пластика. ПЭО это минимальный объём материала, в котором содержится достаточное для статистического описания состояния тела число «носителей» рассмат-риваемых механизмов процесса. Digimat-FE хорошо дополняет Digimat-MF и является полностью с ним совместимым.

Digimat-MX предназначен для проведения обратного инжиниринга (калибровка моде-лей материала по результатам испытаний), хранения, поиска и безопасного обмена мо-делями материалов между поставщиками и потребителями. Также Digimat-MX можно ис-пользовать в режиме обратного инжиниринга с целью получения механических свойств матрицы, основанных на экспериментальных характеристиках армированных пластиков.

Как база данных по материалам, Digimat-MX предлагает пользователям хранить дан-ные по математическим моделям каждого материала при разных условиях (например, влажности или температуры), по моделям входящих в них фаз, а также результаты испы-таний материалов, которые можно использовать для процесса обратного инжиниринга. Версия Digimat-MX+ обеспечивает передачу данных о материалах по сети в зашифро-ванном виде, что в современных условиях может быть важно для разработчиков.

Digimat-CAE объединяет в единую цепочку конечно-элементные программные ком-плексы для моделирования литья под давлением и прочностного анализа.

Микроструктура характеризуется локальной ориентацией волокон. Эта ориентация определяется с помощью программных пакетов расчета литья под давлением. Digimat имеет интерфейсы с основными программными пакетами расчета литья под давлением (это Moldflow, Moldex3D и др.). Для задания свойств материала используется Digimat.

Digimat связан с линейными и нелинейными решателями через подпрограммы соот-ветствующих КЭ-пакетов. Такой связанный анализ (программные пакеты расчета литья → Digimat → КЭ-решатель) дает возможность пользователю определить влияние парамет-ров технологии на прочностные характеристики армированных пластиков.

Digimat-MAP работает в паре с Digimat-CAE и предназначен для передачи данных о ориентации волокон, остаточных напряжениях и температур с сетки для литья под давле-нием на КЭ сетку расчета на прочность, где они могут быть использованы для осуществ-ления нелинейного многоуровневого анализа. Digimat-MAP позволяет скорректировать взаимное положение и масштаб КЭ сеток.

Digimat-HC предназначен для простого и эффективного проектирования сотовых сэндвич-панелей, используя передовые технологии моделирования микромеханических свойств материала. Свойства сотового наполнителя вычисляются на основе геометрии ячейки. Обшивка задается как композитная укладка с заданной ориентацией и толщиной каждого слоя.

Для расчетов Digimat-HC использует собственный конечно-элементный решатель. Ин-терфейс ориентирован на максимальную простоту использования. Варианты нагружения пакета выбираются из трех возможных – трехточечное нагружение, четырехточечное и сдвиг в плоскости модели (что воспроизводит самые распространенные испытания об-разцов в лаборатории).

Digimat-RP представляет собой специализированное решение, которое дает возмож ность инженерам выполнить прочностной расчет изделий из армированных пластиков, связывая моделирование производственного процесса изделия с его окончательным ви-дом. Digimat-RP вобрал в себя весь опыт моделирования армированных пластиков, упа-кованный в простой в использовании программный продукт. Благодаря интуитивно по-нятному интерфейсу не требуется проходить обучение использованию этого модуля.

MSC Adams

Adams - Инструмент виртуального моделирования машин, механизмов и изделий в сборе

Программные продукты семейства Adams – наиболее широко используемое в мире программное обеспечение для виртуального моделирования сложных машин, механизмов и изделий в сборе. Программы семейства Adams используются для разработки и совершенствования конструкций фактически всего, что движется – от простых механических и электромеханических устройств до автомобилей и самолетов, железнодорожной техники, космических аппаратов и т.д.

Характерной особенностью (и большим достоинством) программного пакета Adams является эффективный и чрезвычайно дружественный графический интерфейс пользователя. Используя этот интерфейс, пользователь пакета Adams имеет возможность быстро разработать расчётную модель изделия строя ее на базе геометрических примитивов, создаваемых непосредственно в препроцессоре или на базе геометрических моделей компонентов изделия, импортируемых из CAD-систем, задать связи компонентов модели (упругие, демпфирующие, кинематические и др.), приложить нагрузки, запустить расчет и проанализировать его результаты. Интерфейс пользователя пакета Adams включает эффективные средства анализа результатов, которые позволяют в сжатые сроки наметить пути к совершенствованию расчётной модели и добиться максимальной близости её свойств к характеристикам реального динамического процесса, изделия-прототипа или результатам испытаний физического образца разрабатываемой машины.

Раньше на получение сведений о характеристиках работы будущего изделия уходили недели, месяцы, а в некоторых случаях и годы, требовались огромные средства. Теперь же, используя Adams, можно получить представление о работе разрабатываемого изделия ещё до начала раскроя металла или отливки пластика для изготовления опытного образца. Начиная с самых ранних стадий проектирования, можно видеть как будет работать машина и улучшать ее функционирование. Применение Adams позволяет исследовать десятки, сотни и даже тысячи вариантов конструкции, сравнивать и выбирать лучший, совершенствовать и совершенствовать будущее изделие, тратя на это во много раз меньше времени и средств, чем при использовании традиционных подходов.

Работая с Adams пользователь имеет возможность:

• Разрабатывать расчётные модели исследуемых изделий, в максимальной степени учитывающих особенности их конструкции, включая высокую идентичность внешнего вида, что во многих случаях облегчает построение моделей, их отладку и анализ полученных результатов
• Выполнять расчёт параметров изделий, определяющих их работоспособность и точность (перемещения, скорости и ускорения компонентов изделия, действующие нагрузки, габариты пространства, необходимого для движущихся частей машины и т.п.)
• Выполнять оптимизацию параметров изделия

Отличительные особенности Adams:

• Широкий набор видов кинематических связей, упругих и диссипативных звеньев с линейными и нелинейными характеристиками, нагрузок, кинематических воздействий и т.д., доступных пользователю для построения расчётной модели в максимальной степени воспроизводящей свойства реального изделия
• Лёгкость изучения и использования, так как исследование виртуального прототипа в Adams соответствует основным этапам работы с опытным образцом изделия (разработка – испытания – совершенствование)
• Дружественный, интуитивно понятный интерфейс – если инженер знаком с другими программными средствами CAE, то быстро освоит работу и с Adams
• Эффективные средства визуализации результатов моделирования, включая анимацию и построение графиков
• Возможность параметризации расчётной модели – модификация параметров приводит к автоматическому изменению свойств модели и/или её конфигурации, параметры модели могут быть связаны функциональными зависимостями и т.п.
• Совместимость с программными средствами для моделирования систем автоматического регулирования и управления Easy5 и MATLAB/Simulink, с пользовательскими программами, что обеспечивает моделирование и исследование сложных гетерогенных динамических систем

Программный пакет Adams имеет модульную структуру, включающую

• Adams View – пре- и постпроцессор
• Adams Solver – решатель
• Adams Solver SMP – возможность запуска задачи в многопроцессорном режиме на одном компьютере (при использовании решателя C++ Solver)
• Adams Linear – модуль, обеспечивающий линеаризацию расчётной модели и расчёт параметров собственных колебаний
• Adams PostProcessor – постпроцессор
• Adams Exchange – модуль, обеспечивающий импорт геометрических моделей в стандартных форматах Parasolid, STEP и т.п.
• Adams CAD Translators - модуль, обеспечивающий импорт геометрических моделей CAD-систем CATIA V4 и V5, Inventor, Pro/ENGINEER, SolidWorks, NX, а также геометрических моделей в стандартных форматах Parasolid, STEP, VDA-FS, ACIS и IGES
• Adams Insight – модуль, позволяющий осуществлять планирование эксперимента и обработку результатов расчета и экспериментальных данных
• Adams Controls – модуль, обеспечивающий интеграцию расчётных моделей системы управления (модели систем Easy5 и MATLAB/Simulink) и объекта управления (модели Adams)
• Adams Flex – модуль, обеспечивающий включение моделей упругих компонентов (импортируемых из конечно-элементных программных пакетов) в расчётную модель Adams
• Adams View Flex - модуль, обеспечивающий генерацию модели упругого компонента изделия без использования внешнего конечно-элементного программного пакета с целью включения этой модели в расчётную модель Adams (с помощью модуля Adams Flex)
• Adams Durability – модуль, позволяющий визуализировать напряжённо-деформированное состояние (НДС) упругих компонентов расчётной модели и экспортировать данные для расчета НДС в программном пакете MSC Nastran и долговечности в программном пакете MSC Fatigue
• Adams/Vibration – модуль, позволяющий проводить расчет отклика расчётной модели на полигармоническое воздействие

Наряду с основными (базовыми) модулями программного пакета Adams (Adams View и Adams/Solver, их использование обязательно при разработке и исследовании любой модели) необходимо особо выделить модули Adams Flex и Adams Durability. При современных тенденциях в разработке машин и механизмов, направленных на всемерное снижение массы изделий и повышение их функциональности, в подавляющем большинстве случаев при выполнении расчётов необходим учёт податливости упругих компонентов разрабатываемых изделий. Программный пакет Adams предоставляет такую возможность: конечно-элементная модель упругого компонента с применением соответствующего решателя (например, MSC Nastran) экспортируется в формат модуля Adams Flex и с помощью него включается в расчётную модель Adams.

Использование такой модели позволяет не только учесть влияние податливости звеньев на динамику механизма, но также вычислить (с помощью модуля Adams Durability) и отобразить на экране компьютера непосредственно в среде Adams общий уровень напряжений в упругом компоненте. Результаты расчёта деформаций упругого компонента в Adams могут быть экспортированы в конечно-элементную систему (например, в MSC Nastran) для точного определения уровня напряжений с учётом всех особенностей его конфигурации. В дальнейшем эти данные могут быть использованы также для анализа долговечности детали с помощью системы MSC Fatigue. Такая технология обеспечивает точное моделирование современных, оптимизированных по массе, высокодинамичных механизмов.

Из Adams в MSC Nastran можно экспортировать не только результаты деформации упругих компонентов, но также и результаты перемещения “твёрдых” частей расчётной модели под действием преднагрузки (например, результаты расчёта “осадки” подвески автомобиля под действием силы тяжести). Заменив в полученной в результате экспорта из Adams модели MSC Nastran одну или несколько “твёрдых” частей на конечно-элементные модели, можно выполнить расчёт собственных частот и форм колебаний, а также передаточных функций изделия с учётом податливости упругих компонентов. Такой подход позволяет определять частотные характеристики расчётной модели в конфигурации, соответствующей действию преднагрузки и, соответственно, экономить время на моделирование в конечно-элементном пакете процесса преднагружения изделия и, в тоже время, добиваться высокой точности получаемых результатов.

Наряду с развитием универсальных возможностей, разработчиками Adams созданы проблемно-ориентированные модули, обеспечивающие точное и быстрое моделирование таких сложнейших объектов как:

• зубчатые, ремённые, цепные, тросовые передачи, подшипники и электромоторы (пакет Adams Machinery, включающий модули Adams Gear, Adams Belt, Adams Chain, Adams Cables, Adams Bearing, Adams Electric Motor)
• автомобили (пакет Adams Car, включающий модули Adams Car Plugin, Adams 3D Road, Adams Tire Handling, Adams Car Suspension, Adams SmartDriver, Adams Vehicle Solver, Adams Chassis, Adams Car Ride, Adams Driveline, Adams Tire Ftire)
• гусеничная техника (пакет Adams Tracked Vehicle – Adams/ATV)

Проблемно-ориентированные модули включают параметризованные виртуальные модели узлов и изделий соответствующих видов машин и механизмов и инструменты их создания: модели шестерёнчатых редукторов, модели ремённых и цепных передач (Adams Machinery), модели подвески и трансмиссии автомобиля, модели шин и рельефа дороги (Adams Car), параметризованную модель гусеничного движителя (Adams/ATV). В сочетании с другими модулями пакета Adams, проблемно-ориентированные модули позволяют создавать полнофункциональные модели автомобилей и гусеничной техники, включающие систему управления, упругие тела и многое другое. Используя построитель параметризованных моделей (шаблонов или темплейтов), опытный пользователь может подготовить высокоэффективный инструмент для автоматизированного исследования и оптимизации параметров разрабатываемого изделия. Использование темплейтов, подготовленных высококвалифицированным специалистом, обеспечивает получение в короткие сроки надёжных результатов инженером-расчётчиком средней квалификации.

В Adams Machinery входят следующие модули:

Gear – модуль зубчатых передач. Данный модуль предназначен для исследования влияния на характеристики механической системы параметров шестерёнчатых передач, таких как передаточные числа, люфт, угол наклона косозубых шестерен и т.д. Поддерживаются различные типы шестерен и шестерёнчатых передач, таких как прямозубые, косозубые, конические, гипоидные и червячные передачи, передачи шестерня – рейка, доступен пошаговый сценарий для создания планетарного редуктора и т.д. Детальный метод позволяет учесть контактное взаимодействие в соединении, включая трение а также смоделировать люфт.

Belt – модуль ременных передач. Данный модуль предназначен для моделирования поведения систем шкив-ремень. При этом, интересующие атрибуты это: передаточные отношения, натяжение и оценка нагружения деталей системы, податливость и общая динамика ременных передач. Возможно проведение исследований поведения систем шкив-ремень для целого набора различных типов ремней, включая такие типы, как: гладкий, поликлиновый - регулируемый, трапециевидный -зубчатый и т.д. Кроме того, шкивы могут размещаться со смещением, то есть находиться не в одной плоскости. С помощью пошаговых сценариев можно добавлять в систему натяжители различных типов, а так же приложить нагрузку в виде силы или движения к любому из шкивов.

Chain – модуль цепных передач. Данный модуль предназначен для исследования параметров систем с цепными передачами, учитывая передаточное отношение, натяжение цепи, контактную силу и общую динамику системы цепь – шестерни (звездочки). Поддерживаются как роликовая, так и зубчатая (бесшумная) цепи. Может быть учтена податливость элементов цепи. Поддерживаются различные варианты направляющих: осевая, поступательно - подвижная или фиксированная. Есть возможность смоделировать не параллельность валов звёздочек - исследование трёхмерной цепной системы и т.д.

Bearing – модуль включения в модель параметризованных подшипников. Данный модуль предоставляет доступ к параметризованной библиотеке реальных типовых подшипников ведущих мировых производителей. Этот модуль позволяет рассчитать влияние конструкции и параметров подшипников на общие характеристики системы, включая точное представление жесткости подшипника, чувствительной к размерам, отступам, несоосностям и зазорам. Инженеры могут выполнить базовую оценку долговечности и срока эксплуатации подшипника в системе на основе стандартов, которые учитывают нагружение подшипника, смазку и скорость вращения вала. Обширная библиотека параметров подшипников – более 24000 наименований – от ведущих мировых производителей подшипников. Также возможен ввод пользовательских параметров подшипников напрямую.

Cables – модуль тросовых систем. Данный модуль предназначен для моделирования систем с различного рода тросовыми приводами. С его помощью за короткое время (относительно прямого подхода с детальным моделированием) строится виртуальная модель тросовой системы в простой постановке – создание кинематических связей шкивов системы, при этом массово-инерционные характеристики тросов не учитываются. А также в точной постановке – детальное моделирование троса с учётом особенностей его взаимодействия со шкивами. Использование модуля Cables позволяет с высокой точностью анализировать вибрацию тросов, их напряжения, а так же получать историю нагружения шкивов для последующей оценки долговечности. Модуль позволяет исследовать влияние проскальзывания троса на общую динамику системы. При использовании инструментов для моделирования тросовых систем инженер получает широкие возможности по работе с моделью, а именно быстрое изменение геометрических, контактных параметров шкивов, параметров материалов, вариантов преднагруженного состояния для получения более точных результатов расчёта поведения исследуемого механизма и т.д.

Electric motor – модуль электромоторов. Модуль Electric motor позволяет встраивать в создаваемую виртуальную систему любое количество моделей электромоторов. В отличие от традиционных способов задания подобных компонентов в Adams, расширение Machinery Electric motor позволяет смоделировать электромотор детально и в то же время проще и быстрее, чем кинематическими связями и генераторами движения или заведомо сложными пользовательскими функциями и подпрограммами. Моментные характеристики электродвигателя можно задавать напрямую (вводом табличных данных), а также использовать аналитические модели электродвигателей. Возможно использование параметров электродвигателей получаемых в пакетах системного моделирования (EASY5, Simulink) и проведение совместного решения. С помощью модуля Electric motor выполняется оценка необходимого размера мотора и его точного расположения, исследуется влияние выходного момента мотора на поведение системы в целом. Применение данного модуля позволяет за короткое время внедрять в систему реалистичную модель электродвигателя и проводить её детальные исследования.

Основой Adams являются системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику исследуемого объекта. Разработчики Adams постоянно прилагают усилия к повышению эффективности математической базы программного пакета. Применение устойчивых методов решения “жестких” систем дифференциальных уравнений обеспечивает получение необходимых результатов с минимальными затратами времени, компьютерных ресурсов и с большой надёжностью. В последних версиях программного пакета Adams применяются усовершенствованные алгоритмы моделирования контактного взаимодействия тел, существенно повышающие скорость счёта (“в несколько раз” в случае “контактно насыщенных” моделей), а также новые решатели, обеспечивающие значительное сокращение затрат времени на выполнение расчёта. Программный пакет Adams работает как на рабочих станциях, так и на персональных компьютерах.

MSC Actran

Actran - Программный комплекс для анализа акустики

Моделирование возникновения, распространения и поглощения шума. Внешняя и внутренняя акустика, виброакустика, аэроакустика, шум газотурбинных двигателей. Защита человека от шума и вибраций, а также обеспечение акустического комфорта при эксплуатации технических систем являются одними из важных задач при разработке новых изделий в различных производственных отраслях. В ряде случаев обеспечение прочности и долговечности элементов конструкций и работы электронных систем также требует анализа акустической нагруженности. Вычислительные методы акустического анализа активно применяются разработчиками технических устройств для оценки влияния конструктивных параметров изделий на акустические характеристики, для эффективного использования шумопоглощающих материалов, и т.д.

Actran – программный комплекс для моделирования возникновения, распространения и поглощения звука в акустических средах (воздух, вода, и др.).Моделирование может осуществляться совместно с конструкциями, представленными в упругой или жесткой постановке.

В основе Actran лежат методы конечных и бесконечных элементов, позволяющие моделировать акустические эффекты как в замкнутых объёмах (полостях), так и в открытом пространстве с учетом условий неотражения звука на границах расчетной области. Богатая библиотека элементов и материалов предоставляет широкие возможности для моделирования. Основу библиотеки элементов составляют одномерные, двумерные и трехмерные элементы для решения трехмерных, двумерных и осесимметричных задач, многоточечные связи, бесконечные элементы и элементы с формулировкой PML, и др. Представленные в Actran материалы позволяют моделировать акустические среды (газы, жидкости), с учетом вязко-термических потерь в тонких слоях; упругие конструкционные материалы с учетом демпфирования; гиперупругие материалы, в т.ч. несжимаемые; слоистые композиционные материалы; шумопоглощающие материалы в постановках с абсолютно жестким «скелетом», с абсолютно податливым «скелетом» и в общей постановке по теории Biot.

В качестве внешней нагрузки и граничных условий могут рассматриваться источники шума различных типов, моды колебания акустической среды в каналах постоянного сечения, граничные условия по давлению, скорости, ускорению, импедансные граничные условия, силовые и кинематические воздействия на конструкцию в составе расчетной модели, структурные граничные условия, случайные флуктуации давлений акустической среды, объемные и поверхностные источники на основе акустических аналогий Лайтхилла и Мёринга, и др.

Анализ акустики производится, чаще всего в детерминированной постановке в частотной области методом прямого интегрирования. Вместе с этим, поддерживается расчет на случайное воздействие, расчет собственных частот и форм, расчет частотного отклика модальным методом или комбинация модального и прямого методов для акустической среды и конструкции.

Типичные приложения Actran – моделирование внутренних и внешних акустических полей различных транспортных систем, например, моделирование звуковых полей в подкапотном пространстве автомобиля и проникновения шума в салон, моделирование распространения шума по выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания и далее в окружающее пространство, анализ шума в салоне самолета, исследование и подбор характеристик и конструкции звукопоглощающих устройств и покрытий в салонах транспортных средств, и т.д. Кроме этого, возможно проведение акустического анализа характеристик потребительских товаров, таких как динамик мобильного телефона, отдельно стоящие акустические системы,музыкальные инструменты, другие виды звуковоспроизводящих устройств и т.п.

Во многих случаях возникновение шума обусловлено явлением турбулентности в потоке газа (воздуха). Общеизвестными примерами являются шум газотурбинных и ракетных двигателей, шум от движения транспортных средств, шум в системах вентиляции и кондиционирования, и т.д. Анализ подобных явлений предполагает наличие информации о характеристиках потока газа: скоростях, давлениях, плотностях, температурах и их изменении во времени. Базируясь на этой информации, Actran позволяет рассчитать источники шума в потоке, перенести их на акустическую расчетную модель и провести расчет распространения шума с учетом неоднородного поля средней скорости движения акустической среды (модуль Actran Aeroacoustics). Расчет источников шума в потоке среды производится в Actran на основе так называемых акустических аналогий. Используемые аналогии Лайтхилла и Мёринга позволяют применять данные о турбулентности потока среды, полученные с бόльшим шагом по времени и менее подробной пространственной дискретизацией по сравнению с другими распространенными методами прямого расчета акустики в газовой среде.

Анализ аэроакустики турбомашин является сложной, но актуальной задачей. Проблемно-ориентированные модули Actran позволяют с высокой точностью моделировать шум воздухозаборников и проточных частей турбомашин (модуль Actran TM), а также шум выходных устройств (сопла) с помощью метода Галеркина с использованием неструктурной p-адаптивной конечно-элементной сетки (Actran DGM).

Actran предоставляет возможность использования нескольких высокоэффективных алгоритмов решения задач. Эти алгоритмы обеспечивают непревзойдённую скорость решения задач акустики, которые в большинстве случаев характеризуются высокой вычислительной насыщенностью.

Важной особенностью Actran является его тесная интеграция с MSC Nastran, которая позволяет эффективно использовать “сильные” стороны каждого из продуктов: анализ колебаний конструкции проводить с применением MSC Nastran (точность и скорость выполнения такого расчёта общепризнаны), а моделирование распространения звука в среде – с помощью Actran (продукт оптимизирован для решения именно таких задач).

Широкий спектр решаемых задач позволяет применять Actran при разработке перспективных моделей автомобильной, авиационной, космической, железнодорожной техники, потребительских товаров, электроники, промышленных систем добычи и переработки полезных ископаемых, и т.д.

MSC FEA & AFEA

FEA & AFEA - персональные интегрированные рабочие места на основе комплексов Patran - MSC Nastran или Patran - Marc

FEA и AFEA включают в себя модули Patran и MSC Nastran или Marc, сконфигурированные под определенный ряд расчетных задач, что обеспечивает наилучшее соотношение стоимость/эффективность для одного рабочего места.

В единой среде графического интерфейса пре- и постпроцессора Patran пользователь может формировать задачи, запускать их на расчет и обрабатывать результаты, что существенно снижает требования к подготовке расчетчика, сокращает и упрощает внедрение программных комплексов моделирования на предприятиях.

FEA - комплекс на базе пре- и постпроцессора Patran и решателя MSC Nastran, предназначенный для эффективного решения задач общей прочности (в линейной и нелинейной постановках), динамики, оптимизации конструкций, задач теплопередачи.

Широчайшие возможности и надежность решателя MSC Nastran делает этот продукт эффективным инструментом расчетчика, обеспечивающего процесс разработки современных конструкций.

AFEA - комплекс на базе пре- и постпроцессора Patran и решателя Marc, ориентированный на решение физически и геометрически нелинейных задач механики, а также задач теплопередачи, включая связанные задачи термопрочности. Все функциональные возможности решателя Marc, такие как полный набор моделей материалов, автоматический трехмерный контакт, расчет больших пластических и упругих деформаций, циклическое нагружение, глобальное перестроение сетки, перенос решения из двумерного случая в трехмерный и другие делают это продукт высокоэффективным средством при исследовании сложного поведения конструкций в различных сферах, где важно исследование физики поведения объекта проектирования или процесса.