Вычислительный комплекс Samcef — решение сложных расчетных задач

Леонид Севастьянов, Светлана Молочных

Сферы влияния

Анализ и расчет

Mecano — нелинейный анализ

Samcef Explicit — быстрый анализ динамики

Boss Quatro — универсальный оптимизатор

Samcef Field — импорт моделей

Качество, цена, сервис

Многофункциональный CAE-продукт Samcef разработан международной компанией SAMTECH (Бельгия), основанной на базе Лаборатории аэрокосмических технологий Льежского университета. Собственная команда разработчиков SAMTECH насчитывает более 150 специалистов высокой квалификации. Это позволило создать уникальный программный комплекс, выполняющий множество самых сложных расчетов качественно, с минимальной погрешностью и точной визуализацией результатов. В настоящее время Samcef является одним из ведущих продуктов в области конечно-элементного анализа.

Сферы влияния

Первоначально этот продукт разрабатывался для аэрокосмической промышленности. В настоящее время Samcef успешно применяется мировыми лидерами в этой области, а также крупнейшими предприятиями электротехнической промышленности, судостроения, атомного машиностроения, автомобильного и железнодорожного транспорта.

В числе пользователей Samcef — крупнейшие международные предприятия:

• Авиакосмической промышленности — EADS-LV, EADS AIRBUS, EADS-CCR, EUROCOPTER, SNECMA, SNECMA-DMF, MESSIER DOWTY, MTU, HUREL DUBOIS, HISPANO, LATECOИRE, CRYOSPACE, ALTAL, SABCA, SONACA, TECHSPACE AERO, ESTEC, ASC, BOEING HELICOPTER, DASA, IBERESPACIO, BOMBARDIER AEROSPACE, FIAT AVIO, ALENIA AERO.
• Автомобилестроения — PSA, RENAULT, FORD, VALEO, DAIMLER-CHRYSLER, AUDI, LOHR, VW, DELPHI AUTOMOTIVE SYSTEMS, FIAT AUTO, RENAULT SPORT, TUC RAIL, ALSTOM, ADTRANZ.
• Энергетического машиностроения — EDF, ABB, ENEL, SCHNEIDER, GE ENERGY PRODUCT, ALSTOM, SEHV.
• Общего машиностроения — PICANOL, MAK, SOLAC, PONT-а-MOUSSON, GLABERBEL, COMAU/RENAULT AUTOMATION.
• Военно-промышленного комплекса — AEROSPATIALE MATRA MISSILE, FNNH, GIAT INDUSTRIES, CAP, DCN, DGA.
• Научно-исследовательские центры — CNRS/IN2P3, ONERA, CEA DAPNIA.

Официальным партнером SAMTECH в России является компания «Диал Инжиниринг». Продукт Samcef используется на таких отечественных предприятиях, как ГУП «Завод им. В.Я.Климова», КБ «Арсенал» им. Фрунзе, «Мотовилихинские заводы» (г.Пермь).

Анализ и расчет

Samcef имеет модульную структуру. Уникальность этого программного комплекса определяется возможностью решить максимально широкий спектр аналитических и расчетных задач, применяя один-единственный продукт. В итоге использование Samcef позволяет предприятию получить все расчеты, необходимые в процессе проектирования изделий.

Кратко перечислим задачи, выполняемые Samcef (в скобках указано, какой модуль производит указанные вычисления):

• статический линейный анализ (ASEF);
• статический линейный анализ тел с циклической геометрией (HELIOS);
• анализ композиционных материалов в задачах линейного и нелинейного статического анализа (COMPOSITES);
• линейный статический анализ задач, решаемых в рядах Фурье (FOURIER);
• оценка устойчивости конструкции, расчет критических нагрузок (STABI);
• определение собственных частот конструкции (DYNAM). (Рассмотрим в качестве примера проверочный расчет собственной частоты печатной платы, выполненный специалистами «Диал Инжиниринг». На этой печатной плате расположено большое количество присоединенных масс, оказывающих влияние на величину собственной частоты. Расчет подтвердил возможность использования подобного конструктивного решения в рабочем диапазоне частот прибора.):
• анализ динамических линейных задач теории упругости (REPDYN);
• нелинейный статический и динамический анализ механики деформируемого твердого тела, анализ задач механики разрушения, учитывающий геометрические и физические нелинейности, в том числе анализ проблем для неклассических материалов (упругопластических, вязкоупругих, вязкопластических, ортотропных, высокоэластических и др.) (MECANO/STRUCTURE);
• анализ кинематики и динамики механизмов с упругими звеньями (MECANO/MOTION);
• анализ кабельных структур, подвергнутых электродинамическому воздействию (MECANO/CABLE);
• анализ работы ротора, расчет критических скоростей, стационарных и переходных режимов для конструкций, содержащих вращающиеся части (ROTOR-T);
• расчет случайных вибраций (SPECTRAL ANALYSIS);
• анализ тепловых задач для двухмерных и осесимметричных тел в условиях протекания химических реакций и фазовых превращений с учетом изменения характеристик среды (AMARYLLIS);
• расчет электростатических и электродинамических полей (ISABEL);
• линейный и нелинейный анализ тепловых задач — как термостатики, так и термодинамики, включая анализ излучения (THERNL).

В программный комплекс Samcef также включены разработанные совместно с крупнейшими международными предприятиями приложения для решения специальных задач аэрокосмической промышленности:

• задачи механики усталостного разрушения и долговечности (SAFE, разработан при участии компании EADS Airbus);
• воздействие молнии на вертолеты (FOUDRE, разработан совместно с EUROCOPTER);
• анализ заклепочных соединений и композитных материалов для самолетов (BOLT, разработан совместно с BOEING);
• проектирование и оптимизация турбинных лопаток (AUBAGE, разработан совместно со SNECMA);
• конструирование подстанций (HVS, разработан при участии SCHNEIDER);
• быстрый анализ параметризованных моделей (QUICKSIZER, совместно с EADS Airbus).

Все расчетные модули связаны с единым графическим пре- и постпроцессором BACON, задачей которого являются подготовка модели для расчетов и визуализация результатов расчетов. BACON считывает геометрические данные о конструкции из CAD-систем с помощью различных интерфейсов и позволяет создать сетку конечных элементов.

Особое внимание следует уделить продуктам, предназначенным для решения сложнейших расчетных задач. Это Mecano (широкий спектр нелинейных расчетов), Samcef Explicit (анализ динамических задач высочайшей степени сложности), а также Boos Quattro (оптимизация математических моделей из других систем) и замечательный пре/постпроцессор Samcef Field, который предельно упрощает обмен информацией с внешними CAD- и CAE-системами.

Mecano — нелинейный анализ

Мощный CAE-продукт Mecano предназначен для решения задач нелинейного анализа практически любой сложности. Это нелинейный анализ структур, механизмов с упругими звеньями, кабельных структур, подвергнутых электродинамическому воздействию, нелинейных материалов, больших деформаций, контактные задачи. Продукт имеет модульную структуру.

Mecano содержит полную библиотеку однослойных и многослойных элементов (балки, мембраны, оболочки, объемы) и позволяет моделировать все типы структур и сил. Эти элементы учитывают геометрические нелинейности и практически все разновидности поведения материала (упругий, высокоэластический, упругопластический, вязкоупругий, композитный). При этом пользователь может применять в работе с MECANO не только материалы и элементы, имеющиеся в библиотеке, но и вводить собственные.

Mecano предлагает широкий набор жестких и упругих кинематических соединений, а также более специфические элементы, которые позволяют моделировать все стандартные механизмы. Имеется набор специальных типов элементов.

Методики расчетов, применяемые в Mecano, дают уникальную возможность быстрого решения систем уравнений, наилучшим образом используя память машины и место на диске. Благодаря этому системе удается выполнить расчет очень сложных задач. Ряд алгоритмов Mecano автоматически формирует шаг вычисления по времени, освобождая от этой работы пользователя.

Принятая формулировка уравнений движения позволяет производить непрерывную последовательность расчетов (статический, кинематический, динамический), объединяя их в цепь.

Продукт может также выполнять анализ взаимодействия упругого тела с упругим или жестким. Существует возможность учета возникающего при этом трения.

Mecano применяется не только как самостоятельный продукт, но и в качестве модуля Samcef, работая совместно с другими модулями (как линейными, так и нелинейными). Например, в сочетании с температурным модулем он позволяет учесть изменение температурного поля.

Samcef Explicit — быстрый анализ динамики

Это уникальное программное обеспечение разработано специально для быстрого решения динамических задач. Оно, как и другие продукты SAMTECH, основано на методе конечных элементов. Продукт анализирует взаимодействие жидкости с твердым телом, при этом может производиться автоматическая перестройка сетки.

Samcef Explicit позволяет моделировать варианты взаимодействия различных по своей структуре объектов. Например, моделирование чрезвычайно важной для авиации ситуации — удара птицы о крыло самолета. Столкновение демонстрируется системой в виде наглядного avi-ролика, содержащего изменения напряжений в процессе взаимодействия объектов. При этом визуализируются возникающие деформации и напряжения или разрушение.

Boss Quatro — универсальный оптимизатор

Фирмой Samtech разработан также специализированный продукт для анализа, оптимизации и улучшения математических моделей различными методами — Boss Quatro. Главная особенность этой системы — возможность анализировать модели, подготовленные в самых различных внешних системах, например в Excel.

Boss Quatro позволяет определять оптимальные параметры модели, применяя для этого несколько различных методов оптимизации (Монте-Карло, планирование эксперимента и др.). Благодаря этому пользователь может подобрать метод, наиболее подходящий для решения задачи.

Модуль имеет открытую архитектуру и создает дополнительные возможности для работы с приложениями. Как и большинство продуктов, объединенных в расчетный комплекс Samcef, Boss Quatro можно приобрести отдельно.

Samcef Field — импорт моделей

Для решения проблемы обмена информацией с другими программами создан универсальный пре/постпроцессор Samcef Field, который способен также решать линейные статические задачи, механические и тепловые задачи. Модуль предоставляет пользователю возможность задания граничных условий и нагрузок непосредственно на геометрии тела. Модуль располагает широкими возможностями редактирования сетки.

Samcef Field предлагает создание или импортирование CAD-моделей, автоматическую генерацию сетки, возможность визуализации результатов расчетов, в том числе импортированных из других пакетов.

Этот модуль может импортировать из CAD-программ графические файлы в универсальных форматах STEP, IGES, BREP, а также в формате EUCLID 3 и CATIA. Он может импортировать сетки элементов в форматах ANSYS, NASTRAN и IDEAS. Рассмотрим модель, импортированную из CAD-системы thinkdesign (think3) в формате IGES. На ней можно задать граничные условия, нагрузки, затем построить сетку конечных элементов и отправить ее в любой другой модуль Samcef. Там выполняется решение задачи, а файл, содержащий результаты, импортируется обратно в Samcef Field, где происходит просмотр результатов.

Деталь вращается вокруг своей оси симметрии. Результаты показаны на плоскости, рассекающей тело пополам. Это лишь один из возможных видов просмотра результатов. Полученные результаты можно представить в автоматически генерирующемся отчете формата html.

Качество, цена, сервис

Программный комплекс Samcef обладает редким сочетанием универсальности — за счет широкого спектра функциональных возможностей, с уникальностью решаемых задач, а также благодаря наличию специализированных продуктов-модулей. При этом качество и скорость производимых вычислений соответствуют самым строгим требованиям мировых лидеров промышленного производства.

Компания SAMTECH сертифицирована по международной системе ISO 9000, и ее продукт также имеет сертификат. Напомним, что Samcef разрабатывался для аэрокосмической промышленности, где успешно применяется на протяжении многих лет. Это говорит о высоком качестве и надежности продукта. Удачно решен один из главных вопросов — ценовая политика. Обычно многофункциональные лицензионные продукты имеют немалую стоимость и просто не по карману нашим предприятиям. Компания SAMTECH предлагает другой подход.

В соответствии с требованиями заказчика формируется определенный набор модулей. Таким образом, стоимость пакета варьируется в зависимости от

выбираемых продуктов. Для заказчиков это прекрасная возможность приобретать постепенно только те продукты, которые необходимы для решения существующих задач.

В свою очередь, «Диал Инжинириг», официальный дистрибьютор Samcef, выполняет для заказчиков продукта все работы по гарантийному и послегарантийному обслуживанию, системной интеграции, обучению и консультированию пользователей. Новые версии Samcef выходят 1-2 раза в год и сразу поступают нашим заказчикам, которые также получают необходимую информацию о появлении и обновлении различных модулей и приложений.

Компания «Диал Инжинириг» предлагает не только внедрение программных продуктов. Если вашему предприятию постоянно не требуется производить сложные расчеты, вы можете периодически размещать у нас заказы на такую работу. Это позволит вам, не расходуя средства на приобретение системы, получать качественные решения. Квалифицированные специалисты, прошедшие обучение в компании Samtech, способны производить расчеты самой разной степени сложности.

Опыт использования программного комплекса Samcef позволяет говорить об эффективности применения этого продукта.

По материалам компании SAMTECH

«САПР и графика» 1'2002