Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

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

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

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

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

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

· расчет электрических, магнитных и электромагнитных полей;

· различные комбинации предыдущих типов задач.

архитектура система принцип работа

1. Архитектура и принцип работы стандартного CAE-пакета

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

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

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

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

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

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

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

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

Salome

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

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

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

ANSYS

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

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

MSC.Nastran

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

MSC.Nastran - это:

Эффективность решения больших задач за счет:

· Применения алгоритма обработки "разреженных" матриц

· Автоматической внутренней перенумерации матриц для уменьшения ширины ленты

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

· Применения алгоритмов параллельных и векторных вычислений

Размещено на Allbest.ru